[화학]완충용액 정의 및 제조방법

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목차

1. 완충용액 정의
2. 완충용액의 예
3. 완충용액의 메커니즘
4. 용어 및 특징
ㄱ. 특징
ㄴ. 완충영역
ㄷ. 완충값
ㄹ. 완충용액의 pH 계산법
ㅁ. Buffer System
ㅂ. 완충용량 (Buffer Capacity)

5. Henderson-Hasselbalch equation
6. 완충용액의 조제법
7. 완충용액 제조의 예1,2

본문내용

1) 완충용액(buffer 또는 buffer solution) 정의
완충용액은 완충액이라고도 하며 적은 양의 산이나 염기를 첨가하거나 묽힐 때 pH변화가 잘 일어나지 않는 용액을 말한다. 용액의 수소이온지수 pH를 일정하게 유지할 필요가 있을 경우에 사용되고, 어떤 완충용액은 pH를 측정할 때의 pH 표준용액으로 사용된다. 예를 들면 CH3COOH와 CH3COONa의 혼합용액이나 NH4OH와 NH4Cl의 혼합용액은 대표적인 완충용액으로 이들의 pH는 각각 4.76과 9.56정도이다. 이 중에서 아세트산 CH3COOH와 아세트산나트륨 CH3COONa의 혼합용액에서 생기는 완충용액 중에서 아세트산에서는 식 ①의 해리평형이 성립된다.
CH3COOH ⇄ CH3COO- ＋ H+ ……①
아세트산은 약한 산이므로 이온화도가 적고 아세트산이온 CH3COO-의 농도는 아세트산에 비해 매우 적다. 한편 아세트산나트륨은 강한 전해질이므로 식 ②처럼 완전 해리된다.
CH3COONa ⇄ CH3COO- ＋ Na+ ……②
따라서 이 2가지 용액을 혼합하면 용액 중의 아세트산이온농도는 거의 아세트산나트륨에서 생긴 것으로 나타나게 된다. 이 용액에 염산 등의 산을 가하면 용액 중에 생긴 대량의 아세트산이온과 반응하여 첨가된 염산의 수소이온 H+는 아세트산을 생성하고 식 ①의 반응이 오른쪽에서 왼쪽으로 진행되므로, 용액 중의 수소이온농도는 거의 변하지 않고 pH는 일정하게 유지된다. 또 수산화나트륨 등의 염기를 가하면 용액 중의 H+와 염기의 OH-가 중화되어 H2O를 생성하는데 식 ①의 반응이 왼쪽에서 오른쪽으로 진행되어 H+를 보충하므로, 용액 중의 수소이온농도는 거의 일정하게 유지되고, pH도 거의 변하지 않는다. 우수한 완충용액은 높은 완충용량(buffer capacity)이 있으며, 또한 조성을 변화시켜 넓은 pH 영역을 커버할 수도 있다.
과학의 모든 분야에서 완충용액의 중요성은 압도적이다. 특히 완충용액은 생물계나 화학계에서 매우 중요하며, 인체 내 부위에 따라 다른 pH는 별로 변하지 않는다. 또한 일부 중화된 약한 산이나 약한 염기가 수용액 중에 있을 때, 센 산 혹은 센 염기를 소량 가해도 pH는 별로 변하지 않는다. 이와 같이 용액에 산 또는 염기를 가했을 경우에 일어나는 수소이온농도의 변화를 적게 하는 작용을 완충작용이라 한다. 1909년 덴마크의 생화학자인 S.P.L. 쇠렌센이 염산․수산화나트륨․글리신 외에 인산․시트르산․붕산 등과 염의 혼합용액에 완충작용이 있다는 것을 처음 발견하고 완충용액을 만들었다.
완충용액은 산과 그 짝지어진 염기의 혼합물로 이루어져 있다. 약산 A몰과 그 짝지어진 염기 B 몰을 섞으면, 산의 몰수는 A에 가깝게 유지되고, 염기의 몰수는 B에 가깝게 유지된다. 어느 쪽의 농도를 바꿀만한 반응은 거의 일어나지 않는다.

참고 자료

분석화학. 허호장. 형설출판사. 1999, pp239～244.
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현대분석화학. David Harvey 저. 박면용 등 역. 녹문당. 2001, pp167～171.