[물 및 산 염기의 화학] 완충액 - 1부

완충액의 개념

완충액은 약산과 짝염기의 혼합물로 구성되며 어느 정도의 강산이나 강염기를 첨가하여도 pH 변화가 크게 일어나지 않는 특성이 있다. pH 7의 순수한 물이나 완충액에 강산이나 강염기를 동량 첨가할 때 일어나는 pH 변화를 비교해 보자.

0.1M HCl 0.1㎖를 순수한 물 99㎖에 가한다면 결과적으로 용액은 0.001M = 10-3M HCl이 될 것이고 pH 3이 된다. 0.1M HCl 대신에 0.1M NaOH로 같은 실험을 한다면 용액은 0.001M = 10-3M NaOH가 될 것이며 [OH-] = 10-3M이므로 [H+] = 10-11이고 pH는 11이다.

순수한 물 대신에 99.0㎖의 완충액을 사용한다면 결과는 달라진다. 일수소인산과 이수소인산이온 즉 HPO42-와 H₂PO₄^-를 적당한 비율로 함유하는 용액은 완충액이 될 수 있다. pH 7.0에 해당하는 [HPO42-]／[H₂PO₄^-] 비율을 Henderson-Hasselbalch식으로부터 계산하면 HPO42- 0.6, H2PO4- 1의 비율이므로 HPO42-의 농도가 0.06M이고 H2PO4-의 농도가 0.10M인 인산 완충액을 예로 들어 설명한다. 0.1M HCl 1.0㎖를 99㎖의 완충액에 첨가하면 다음과 같은 반응이 일어나 첨가된 거의 대부분의 H⁺는 소모될 것이다.

이 때의 pH를 Henderson-Hasselbalch식과 인산이온 농도로부터 계산해 보면 새로운 pH는 6.99가 될 것이고 비완충액인 순수한 물에서보다 매우 작게 변화함을 알 수 있다. 한편 완충액에 1.0㎖의 0.1M NaOH를 첨가하면 다음과 같은 반응이 일어나 역시 첨가된 거의 대부분의 OH-는 소모될 것이다.

OH-의 증가는 H+ 농도의 감소와 pH 상승을 뜻한다. 그러나 이 때의 pH를 계산해 보면 pH = 7.01로서 역시 순수한 물에서보다 pH의 변화는 매우 작음을 알 수 있다. 많은 생화학적 반응은 pH가 특정한 범위 내에 있지 않으면 일어나지 않으므로 결과적으로 완충액은 매우 큰 중요성을 가진다.

적정곡선에 대한 고찰은 이러한 특성이 어떻게 해서 나타나는가를 알 수 있다.(Fig. 1 ⒜ 참조). 적정되는 시료의 pH는 적정곡선의 변곡점 부근에서 매우 느리게 변화하며 변곡점에서는 원래 존재하는 산의 ½이 짝염기로 변환된다. 인산의 2번째의 이온화 즉 H2PO4- → H+ + HPO42-는 위에서 예로 든 완충액의 완충작용에 대한 근거가 된다.

적정의 변곡점에서 pH는 7.2이며 H2PO4- 이온의 pKa'와 같은 수치 값이다. 이 pH에서 용액은 산인 H2PO4- 이온과 염기인 HPO42- 이온을 동일한 농도로 함유한다.

완충액에는 어느 정도의 산과 그것의 짝염기가 존재하기 때문에 비교적 일정한 범위의 pH를 유지할 수 있으며 이러한 조건은 산의 pKa' 근처 또는 pH 값에서 형성된다.

그 이유는 완충액에는 OH^-가 첨가될 때 이것과 반응할 수 있는 적당량의 산형이 있고 H⁺가 첨가될 때 역시 이것과 반응할 수 있는 적당량의 염기형이 있기 때문이다.

H2PO4-／HPO42-  쌍은 pH 7.2 부근의 완충액으로 적당하고 CH3COOH／CH3COO- 쌍은 pH 4.76 부근의 완충액으로 적당하다. pKa' 이하의 pH 값에서는 산형이 우세하고 pKa' 이상의 pH 값에서는 염기형이 우세하다.


산과 염기의 비율이 1:10이면 pKa'보다 약 1 단위 높은 pH에 상당한다. 적정곡선에서 pH가 급격히 변화하지 않는 평평한 부분은 pKa'의 어느 쪽에서든 약 1 pH 단위의 범위에 걸쳐 있으므로 완충액의 효과는 약 2 pH 단위의 범위에 있음을 알 수 있다.(Fig. 1 ⒝ 참조)

(a) H2PO4-／HPO42- 이온쌍의 완충 영역을 보여주는 H2PO4-의 적정곡선 (b) H2PO4-와 HPO42-의 상대적 분포

Fig. 1 H2PO4-의 완충작용과 적정곡선의 상관관계

완충액이 매우 낮은 농도의 산과 염기를 함유한다면 산을 매우 적게 첨가하여도 포함된 염기형을 모두 소모시키므로 완충능력이 없어지게 된다.

완충액의 완충능력은 그것에 함유된 약산과 짝염기 각각의 절대량과 2가지 형태의 비율과 관계가 있다. 그러므로 낮은 농도의 산과 염기로 된 완충액은 낮은 완충용량을 가지는 반면에 다량의 산과 염기를 함유하는 완충액은 높은 완충용량을 가진다.

[Biology/Biochemistry] - [물 및 산 염기의 화학] 완충액 - 2부