[생물 임용 노트] 물 - 2) 산과 염기: 산과 염기의 개념, pH, 적정곡선

산과 염기의 개념

산(acid): 물에 녹아 양성자를 방출하고 H₃O⁺를 형성하는 물질

→ 양성자를 얼마나 쉽게 내어주냐에 따라 강산과 약산으로 구분된다 예> HCl(강산), CH₃COOH(약산)

 

염기(base): 양성자를 받아들일 수 있는 분자

→ 비슷한 의미로 양성자를 받아들이는 정도에 따라 강염기 약염기로 구분된다 예> NaOH(강염기), NH₂(약염기)

** 강산과 강염기는 수용액에서 완전히 이온화된다.

 

약산과 약염기는 생체내에서 대사와 조절에 중요한 역할을 한다.

→ 짝산-염기 쌍을 구성한다. (HA ↔ H⁺+ A^-)

이때 강산의 짝염기는 약염기가 되고, 강염기의 짝산은 약산이 된다

 

산해리 상수

조금 더 깊게 산과 염기를 이해하기 위해서는 평형 상수의 개념을 이해할 필요가 있다.

평형 상수는 간단히 말하면 화학반응에서 반응물과 생성물의 비(생성물/반응물)를 나타내는 것이다. 화학반응은 양방향으로 일어나므로 이는 정반응과 역반응의 비율이라고도 볼 수 있다.

평형상수(keq)의 정의로 부터 정의되는 산해리 상수(ka)

평형상수 k_eq의 정의를 산의 화학반응에 대입하면 k_eq = [H+][A-]/[HA]이다.

이는 산(HA)이 해리되어 H⁺를 방출하는 정도를 나타내고 이를 산해리 상수(k_a)라고 한다.

산해리 상수에 -log를 씌운 값을 pk_a라고 하며, pk_a = -log([H⁺][A^-]/[HA])가 된다.

 

이를 통해 2가지 경향을 도출할 수 있는데,

1) pk_a가 작을수록 평형은 정반응에 기울어져 있다. - k_a는 강산에서 크고, 약산에서 작다

2) pk_a가 작으면 반응물은 강한 산이 되고 반응 후에 약한 염기가 된다.

 

짝염기도 같은 식으로 구하여 pkb(염기 해리 상수)를 구할 수 있고, pk_a + pk_b = 14이다.

 

물의 평형 상수와 pH

물분자는 가역적으로 이온화하여 H⁺와 OH^-를 생성한다. 그리고 여기서 생성된 H⁺는 H₂O와 결합하여 H₃O⁺(하이드로늄 이온)를 만들어낸다.

물 이온화 과정과 평형상수

25℃ 순수한 물 1L의 몰수는 55.5M이며, 실험적으로 측정한 전기 전도도를 바탕으로 계산한 k_eq의 값은 1.8 × 10^-16이다. 이를 바탕으로 k_w(물에서 산과 염기의 이온농도의 곱)를 구하면,

 

k_eq = [H⁺][OH^-]/[H₂O]

(55.5M)k_eq = [H⁺][OH^-] = k_w

1.0 × 10^-14 = k_w

 

중성상태에서 [H⁺]=[OH^-] 이므로 [H⁺]=[OH^-] = 10^-7

이때, pH = -log[H⁺]로 정의한다. 

따라서 중성상태의 pH = 7이라고 정의한다.

**체액의 농도는 거의 중성상태이며 pH 7.4 이상이면 알칼리 혈증, pH7.4 이하로 떨어지면 산 혈증이라고 한다. 

 

적정곡선

적정(titration): 어느 용액의 물질의 양을 정량하기 위해 사용하는 방법

→ 산을 적정하기 위해서는 첨가된 NaOH의 양에 따른 산의 농도를 계산하면 된다.

아세트산 적정 곡선

NaOH 첨가시 유리된 H⁺는 제거되고 HAc는 자신의 해리 상수를 만족하기 위해 더 해리하게 된다.

0.5 당량에서 [HAc] = [Ac^-]인 상태가 되고 이때의 pH를 pk_a라고 한다(또는 이때의 pH는 pk_a와 같게 된다.).