완충용액이란
완충용액이란 약한 산 또는 약한 염기와 그 염이 함께 존재하는 용액을 말합니다. 이러한 용액에 산이나 염기가 가해지게 되면 pH를 일정 수준으로 유지해주는 역할을 합니다. 완충 용액은 화학적 개념이나 생물학적 개념에서 매우 중요합니다. 완충 용액은 가해지는 OH- 이온과 반응할 수 있도록 상대적으로 다양한 산을 포함하고 있어야 하며 가해지는 H+ 이온과 반응할 수 있도록 산과 비슷한 농도의 염기를 포함하고 있어야 합니다.
완충 용량이란
완충 용량은 완충용액이 작용할 수 있는 능력치를 말합니다. 완충 용액을 만들 때 사용된 산과 짝염기의 양에 영향을 받습니다. 산과 짝염기의 양이 크면 완충 용량도 커지게 됩니다. 일반적으로 완충계는 염/산 또는 짝염기/산으로 나타냅니다.
특정 pH 완충용액의 제조
특정 pH의 완충용액을 제조하기 위해서는 pKa=-logKa의 식을 따릅니다. 이 식은 Henderson-Hasselbalch 식이라고 부릅니다. 산의 몰농도와 짝염기의 몰농도가 거의 같을 경우 pH는 pKa값과 유사해집니다. 그러므로 원하는 pH에 가까운 pKa값을 갖는 약한 산을 선택해서 완충용액을 제조하면 원하는 특정 pH의 완충용액을 제조할 수 있습니다.
산 염기 지시약
완충 용액의 개념에는 산과 염기가 포함되는데 산, 염기를 확인할 수 있는 지시약이라는 것이 있습니다. 적정의 end point에서 지시약의 변색이 일어나는데 모든 지시약이 같은 pH에서 변색되는 것은 아닙니다. 따라서 적정에 사용하는 산과 염기의 성질에 따라 특정 지시약을 선택해야 합니다. 대표적인 산 염기 지시약으로는 티몰 블루(산에서 빨간색, 염기에서 노란색) / 브로모페놀블루 (산-노란색, 염기-청자색) / 메틸 오렌지 (산-주황색, 염기-노란색) / 메틸 레드 (산-빨간색, 염기-노란색) / 클로로페놀 블루 (산-노란색, 염기-빨간색) / 브로모티몰 블루 (산-노란색, 염기-파란색) / 크레속 레드(산-노란색, 염기 빨간색) / 페놀프탈레인 (산-무색, 염기-붉은색)입니다.
용해도 평형과 용해도 곱
AgCl과 같은 염은 센 전해질이므로 물에 용해된 AgCl은 Ag+와 Cl-로 완전히 해리된다고 봅니다. 이에대해 평형상수 Ksp=[Ag+][Cl-]라고 표현할 수 있습니다. Ksp가 바로 용해도곱 상수 또는 용해도곱이라고 부르는 것입니다. 용해도곱은 구성 이온의 몰농도곱으로 이때의 몰농도는 평형식에서 나타나는 이온들의 화학량론적 계수를 지수배로 나타낸 것입니다. Ksp는 이온 결합 화합물의 용해도를 의미하며 Ksp 값이 작아질수록 몰에 대한 화합물의 용해도가 감소합니다. 물질의 용해도를 나타내는 값으로는 용액 1L에 들어있는 용질의 몰수를 Molar solubility라고 표현하며, 포화용액 1L에 들어있는 용질의 g수를 나타낸 것은 용해도라고 말합니다. 어떤 물질의 용해도는 특정량의 물에 용해된 양을 말합니다. 용해도 평형 계산에서 양은 용액 1L당 용질의 그램수로 나타내며 몰용해도는 용액 1L당 용질의 몰수로 나타냅니다.
완충용액과 용해도평형 개념 정리
오늘 확인해 본 완충용액과 용해도평형간 개념을 다시 한 번 정리하자면 다음과 같습니다. 수용액에서의 약한 산이나 약한 염기의 평형으느 균일 용액의 평형입니다. 완충 용액은 약한 산과 그 짝염기의 조합으로 구성되는데 이러한 용액에 소량의 산이나 염기를 첨가해도 용액의 pH가 거의 일정하게 유지됩니다. 산-염기 적정에서 당량점의 pH는 중화 반응에서 생성된 염의 가수분해에 따라 결정되는데, 센 산과 센 염기의 적정의 당량점은 pH7입니다. 용해도곱 Ksp는 용액 중에서 고체와 그 이온 사이의 평형을 나타내는 것으로 용해도를 Ksp로부터 구할 수 있고 반대로 용해도로부터 Ksp를 구할 수도 있습니다. 공통 이온이 존재하면 염의 용해도가 감소합니다.