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산과 염기 Acids & Bases |
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<colbgcolor=#fff> 다홍색 pH < 0 |
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무색 12 < pH |
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노란색 pH < 6.0 |
녹색 6.0 < pH < 7.6 |
청람색 7.6 < pH |
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1. 개요
緩 衝 溶 液, buffer solution산이나 염기를 넣어도 일정한 양까지는 pH 변화가 거의 없는 용액.
2. 제법
완충용액은 약산과 그 짝염기를 넣는 방법으로 제조한다. 단, 아래에 기술하겠지만 완충용량(pH 변화가 거의 없는 양)이 가장 크려면 약산과 짝염기의 몰수가 같아야 하기 때문에 완충용액을 제작할 때 주로 약산과 짝염기는 같은 몰수가 되도록 넣는 것을 권장한다.3. 원리
완충용액은 르 샤틀리에의 원리(평형 상태에서 변화를 상쇄시키려는 화학 원리)에 의해 설명될 수 있다. 예를 들어, 폼산과 그 짝염기로 만들어진 완충용액의 반응은 아래와 같다.[math(\rm HCOOH \rightleftharpoons HCOO^- + H^+ )]
이때, 용액에 산성 용액을 첨가할 경우, 생성물에 해당하는 옥소늄 이온([math(\rm H_3O^+)])이 증가하므로, 반응은 역반응이 우세한 쪽으로 진행되어 폼산이 생성되고, 수소 이온 농도는 감소한다. (pH 감소 억제)
역으로, 염기성 용액을 첨가하면 반응은 정반응이 우세한 쪽으로 진행되어 폼산은 이온화되고, 수소 이온의 농도는 증가한다. (pH 증가 억제)
이와 같은 방법으로 완충용액이 포함된 경우 pH의 변화가 억제된다.
단, 여기서 지나치게 많은 양의 산이나 염기를 넣어주었을 경우 완충용액의 물질들의 농도는 들어온 산이나 염기에 비해 미미하므로 더 이상 완충작용을 하지 못하게 되는데, 이를 완충용량을 초과했다고 한다. 따라서 많은 양의 산이나 염기를 완충시키려면 약산과 짝염기를 같은 양이 되도록 많이 넣어주는 것이 완충용량을 키우는 방법이다.
4. 예시
우리의 몸은 당연하지만 적절한 pH를 계속 유지해야 한다. 그래서 우리 몸에는 완충용액이 많이 존재하는데, 대표적인 예로 혈액이 있다. 혈액은 pH 7.4~ 7.6 정도로 중성의 pH를 유지한다. 만약 혈액이 완충 작용을 하지 않았다면 우리가 탄산음료같은 산성 용액을 한 잔이라도 마시는 순간 쇼크가 왔을 것이다. 몸 전체적인 pH를 담당하는 혈액 말고도 침 같은 우리 몸의 효소(기질)마다 활동성(기능)이 최대가 되는 pH가 있는데, 이를 맞춰주기 위해서 완충작용이 일어나기도 한다. 식은 아래와 같다.#!wiki-style="text-align:center;"
[math(\rm H^+(aq) + HCO_3^-(aq) \rightleftharpoons H_2CO_3(aq))]
[math(\rm H_2CO_3(aq) \rightleftharpoons CO_2(g) + H_2O(l))]관상어를 기를 때에는 어항에 까는 바닥재에서 미네랄이 녹아나와 물고기가 배출하는 이산화 탄소, 즉 탄산과 결합하여 완충 역할을 한다. 적절한 분량의 물갈이를 해도 수질이 크게 변화가 없는 이유. 위에 설명한대로 한번에 지나치게 많은 양을 물갈이하여 완충 용량을 넘어가면 수질이 큰 폭으로 변화하게 되며 관상어에게 좋지 않은 영향을 끼친다. 심지어 민감한 어류는 물갈이 후 쇼크로 죽기도 한다. 바닥재가 없는 탱크어항은 버퍼가 없기 때문에 물갈이를 할 때에는 수질변화가 커지지 않도록 주의하여야 한다.