화학 고3 산 염기 평형 심화

완충 용액

Q: 짝염기와 약산을 몇 대 몇으로 넣는 것이 가장 좋나요?

1:1입니다. 이때 pH = pKa가 되고, 산이 들어오든 염기가 들어오든 양쪽 방어 재고가 똑같아 완충 용량이 최대가 됩니다. 실용적으로는 비가 1:10에서 10:1 사이, 즉 pKa 1 범위를 완충 영역으로 봅니다.

Q: 약산과 강염기를 섞어도 완충 용액이 되나요?

됩니다. 약산을 넣고 강염기를 그 절반만큼만 넣으면, 절반이 짝염기로 바뀌고 절반은 약산으로 남아 1:1 완충 용액이 만들어집니다. 적정 곡선에서 반당량점이 가장 평평한 이유가 바로 이것입니다.

Q: 완충 용액의 pH는 어떻게 계산하나요?

[H+] = Ka · [HA][A-]에 로그를 취한 헨더슨-하셀발흐 식을 씁니다. 각 성분의 몰수만 알면 부피는 서로 약분되어 신경 쓰지 않아도 됩니다.

소량의 산·염기를 첨가해도 pH 변화가 거의 없는 용액으로, 혈액의 항상성 유지에 핵심적 역할을 한다. 진로선택 「화학 반응의 세계」 소속.

약산과 그 짝염기(또는 약염기와 그 짝산)를 함께 상당량 녹여 둔 용액으로, 산이나 염기를 조금 넣어도 pH가 거의 변하지 않습니다.

산을 잡아먹을 요원(짝염기)과 염기를 잡아먹을 요원(약산)을 미리 둘 다 대기시켜 둔 용액입니다. 어느 쪽이 침입해도 담당 요원이 즉시 삼켜 버리므로 pH가 흔들리지 않습니다.

쉽게 말하면

순수한 물에 염산 한 방울을 떨어뜨리면 pH가 7에서 3 부근까지 곤두박질칩니다. 그런데 우리 혈액은 pH 7.4 근처를 완강하게 유지합니다. 그 차이를 만드는 것이 완충 용액입니다.

비결은 짝산-짝염기를 둘 다 넉넉히 갖고 있다는 데 있습니다. 아세트산( $C H_{3} COOH$ )과 아세트산 나트륨( $C H_{3} COONa$ )을 함께 녹인 용액을 생각해 봅시다. 여기에 산을 넣으면 짝염기가 받아냅니다.

$C H_{3} CO O^{-} + H_{3} O^{+} \to C H_{3} COOH + H_{2} O$

반대로 염기를 넣으면 약산이 받아냅니다.

$C H_{3} COOH + O H^{-} \to C H_{3} CO O^{-} + H_{2} O$

두 경우 모두 침입자가 $H_{2} O$ 로 바뀌어 사라지고, 대신 $[C H_{3} COOH]$ 와 $[C H_{3} CO O^{-}]$ 의 비율만 조금 바뀝니다. 이온화 상수의 식을 $[H^{+}] = K_{a} \cdot \frac{[ HA ]}{[ A ^{-} ]}$ 로 정리해 보면, $[H^{+}]$ 가 이 비율에만 달려 있음이 보입니다. 비율은 웬만해선 크게 안 변하니 pH도 안 변합니다.

주의할 점은 완충 용액에도 한계가 있다는 것입니다. 넣은 산이 짝염기를 다 써 버리면 그 순간부터 방어선이 무너지고 pH가 급락합니다. 이 방어 가능한 양을 완충 용량이라고 합니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

혈액의 탄산-탄산수소 완충계

$C O_{2} + H_{2} O ⇌ H_{2} C O_{3} ⇌ H^{+} + HC O_{3}^{-}$

혈액은 $H_{2} C O_{3}$ (약산)와 $HC O_{3}^{-}$ (짝염기)를 함께 갖고 있어 pH 7.4 부근을 지킵니다. 산이 늘면 $HC O_{3}^{-}$ 가 흡수하고, 남는 $C O_{2}$ 는 호흡으로 내보낼 수 있어 방어력이 더 큽니다. 항상성의 화학적 실체 중 하나입니다.
예시 2

완충 용액에 강산을 넣으면 pH가 얼마나 변할까

아세트산-아세트산 나트륨 완충 용액에 소량의 $HCl$ 을 넣으면, $H^{+}$ 가 거의 전부 $C H_{3} CO O^{-}$ 에 붙잡혀 $C H_{3} COOH$ 로 바뀝니다. 결과적으로 짝염기가 그만큼 줄고 약산이 그만큼 늡니다. 비율이 예컨대 $1 : 1$ 에서 $1.2 : 0.8$ 정도로 움직이면 pH는 0.2 남짓 변할 뿐입니다.
예시 3

완충 용액을 물로 묽히면

pH가 거의 변하지 않습니다. $[HA]$ 와 $[A^{-}]$ 가 똑같은 비율로 줄어들어 그 비가 유지되기 때문입니다. 다만 절대량이 줄었으므로 완충 용량은 작아집니다 — 방어할 수 있는 산·염기의 양이 줄어든 것입니다.

순서대로 하면

완충 용액을 설계하는 순서

1지키고 싶은 pH를 정합니다.
2 $p K_{a}$ 가 그 pH에 가장 가까운 약산을 고릅니다. $p K_{a} \approx pH$ 일 때 완충 능력이 가장 좋습니다.
3그 약산과 짝염기(보통 그 산의 나트륨염)를 준비합니다.
4 $[A^{-}] / [HA]$ 비를 조절해 목표 pH에 맞춥니다 — 헨더슨-하셀발흐 식이 이 계산을 해 줍니다.
5예상되는 산·염기 유입량보다 충분히 많은 몰수를 넣어 완충 용량을 확보합니다.

자주 하는 오해

완충 용액이면 pH가 절대 안 변한다고 믿기

이렇게 생각하기 쉬움완충 용액에는 강산을 아무리 넣어도 pH가 그대로다

실제로는짝염기를 다 소모하는 순간 완충 능력이 사라지고 pH가 급격히 떨어집니다.

완충의 정체는 마법이 아니라 '미리 대기시켜 둔 재고'입니다. 재고가 바닥나면 그다음 들어온

H^{+}

는 잡아 줄 상대가 없어 그대로 용액에 남습니다. '거의 변하지 않는다'는 조건부 문장이지 무조건이 아닙니다.

강산과 그 염을 섞어 완충 용액을 만들려 하기

이렇게 생각하기 쉬움

HCl

과

NaCl

을 섞으면 산과 짝염기가 다 있으니 완충 용액이다

실제로는완충 용액은 약산과 그 짝염기여야 합니다.

HCl

NaCl

은 완충하지 못합니다.

C l^{-}

는 양성자를 되받을 능력이 없어 침입한

H^{+}

를 흡수하지 못하고,

HCl

은 이미 완전히 이온화해 다시 붙잡아 둘 분자 상태가 남아 있지 않습니다. 완충이 성립하려면 '분자 상태와 이온 상태가 평형으로 오갈 수 있어야' 합니다 — 그래서 반드시 약산·약염기여야 합니다.

선수 개념 — 이걸 먼저 알아야 해요

염의 가수 분해고3 이온화 상수(Ka·Kb)고3

이후 개념 — 이 개념을 배우면 이어집니다

헨더슨-하셀발흐 식고3

연계 개념 — 과목을 넘어 함께 보면 좋아요

항상성고2

같은 단원의 개념 — 산 염기 평형

루이스 산·염기고3 물의 자동 이온화(Kw)고3 산·염기 정의 심화(Ka·Kb·pH)고3 염의 가수 분해고3 이온화 상수(Ka·Kb)고3 이온화도고3 적정 곡선고3 헨더슨-하셀발흐 식고3 pH와 수소 이온 농도고3 pOH고3

자주 묻는 질문

Q1짝염기와 약산을 몇 대 몇으로 넣는 것이 가장 좋나요?

1 : 1

입니다. 이때

pH = p K_{a}

가 되고, 산이 들어오든 염기가 들어오든 양쪽 방어 재고가 똑같아 완충 용량이 최대가 됩니다. 실용적으로는 비가

1 : 10

에서

10 : 1

사이, 즉

p K_{a} \pm 1

범위를 완충 영역으로 봅니다.

Q2약산과 강염기를 섞어도 완충 용액이 되나요?

됩니다. 약산을 넣고 강염기를 그 절반만큼만 넣으면, 절반이 짝염기로 바뀌고 절반은 약산으로 남아

1 : 1

완충 용액이 만들어집니다. 적정 곡선에서 반당량점이 가장 평평한 이유가 바로 이것입니다.

Q3완충 용액의 pH는 어떻게 계산하나요?

[H^{+}] = K_{a} \cdot \frac{[ HA ]}{[ A ^{-} ]}

에 로그를 취한 헨더슨-하셀발흐 식을 씁니다. 각 성분의 몰수만 알면 부피는 서로 약분되어 신경 쓰지 않아도 됩니다.

교육과정 2022 개정 · 고3 화학 · 산 염기 평형 수록 심화 (교육과정 밖 확장 개념)

출처 교육부 고시 제2022-33호 (2022 개정 교육과정) · NCIC 국가교육과정정보센터

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