아세트산 완충용액. NaOH를 가했을 때 pH 변화 완충용액 1 L에 고체 NaOH 0.01 mol을 첨가했을 때 pH 변화 (0.5 M 아세트산과 0.5 M 아세트산나트륨 / Ka=1.7×10의-5승) -------------------------------------- pKa = -logKa = -log(1.7×10^(-5)) = 4.77 Henderson-Hasselbalch 식 ( 설명 http://ywpop.tistory.com/1926) 으로 용액의 pH를 계산하면, 1) 수산화나트륨 첨가 전, pH = pKa + log ([짝염기]/[약산]) = 4.77 + log( 0.5 / 0.5 ) = 4.77 2) 수산화나트륨 첨가 후, 가한 염기의 몰수만큼 약산의 몰수는 감소하고, 짝염기의 몰수는 증가하므로, ( 설명 http://ywpop.tistory.com/4319) pH = pKa + log ([짝염기]/[약산]) = 4.77 + log( (0.5+0.01) / (0.5-0.01) ) = 4.79 3) 차이 4.79 – 4.77 = 0.02 답: pH는 0.02만큼 증가한다. 앞에서 보았듯이 역상 HPLC의 이동상 pH는 이온화될 수 있는 분석 대상 물질의 유지시간에 영향을 주는데 물질이 pH에 의해 이온화될 경우 극성이 커지고 컬럼 머무름 시간도 짧아진다. 이동상의 pH는 대기 중의 CO2, 이동상의 휘발성 성분(TFA, 용매 등), 시료용액에 의해 쉽게 변할 수 있고 이런 pH변화는 peak 유지시간의 변화, peak 모양의 뒤틀어짐 등의 일관성 없는 결과를 유발한다. 이동상의 pH변화를 막기 위해서 이동상을 이루는 물을 완충용액으로 만들어 주는데 완충용액(buffer solution)이란 외부에서 산과 염기가 들어오거나 희석이 되더라도 공통이온효과(common ion effect)에 의해 원래의 pH를 유지하려는 성질이 있는 용액을 말하며, 비단 HPLC 시험을 위한 목적 뿐만 아니라 생화학, 액상 정밀화학반응 등에서 광범위하게 사용된다. 완충용액은 일반적으로 약산+그 약산의 염(짝염기)+물(e.g. acetic acid+sodium acetate+D.W), 혹은 약염기+그 약염기의 염(짝산)+물(e.g. ammonia+ammonium chloride+D.W)로 구성된다. 예를 들어, acetic acid는 약산이므로 물에 녹였을 때 아주 소량이 이온화 된다. sodium acetate는 염이므로 물에 녹였을 때 모두 이온화되어 acetate ion을 형성한다. 이 상태에서 두 용액을 섞게 되면 혼합 수용액 내의 acetate ion의 농도가 높아져서 르 샤틀리에의 원리에 의해 역반응이 일어나 화학평형에 도달하는데 이것을 공통이온효과(common ion effect)라고 하고 이 때 공통이온은 acetate ion(CH3COO–)이다. 그렇게 되면 안 그래도 약산이어서 소량만 이온화된 acetic acid는 많은 양의 acetate ion 때문에 역반응이 일어나 거의 이온화되지 않은 상태인 acetic acid 상태로 가버리고 최초 두 용액의 몰농도가 동일하다면 acetic acid와 그 짝염기인 acetate ion의 몰농도는 동일하게 된다. 이 혼합용액에 산(H+)을 첨가하게 되면 acetate ion이 반응하여 acetic acid가 생성되는 역반응이 일어나서 증가한 H+의 양이 감소되고 pH는 거의 일정하게 유지된다. 반대로 염기(OH–)를 첨가하게 되면 용액 속의 H+가 OH–와 반응하여 물이 생성된다. 반응한 만큼의 H+이 감소하면 르 샤틀리에의 원리에 의해 정반응이 일어나 acetic acid가 이온화되어 화학평형에 도달한다. 결과적으로 증가된 OH–의 양이 감소되므로 용액의 pH는 거의 일정하게 유지된다. 여기까지가 고등학교 수준의 완충용액 내용이다. 그 다음에 대학교에서 뭘 배웠지? Henderson Hasselbalch equation과 pKa(부분해리상수, partial dissociation constant)를 배웠을 거다. (앞 포스팅에서 언급했다.) 원하는 pH의 완충용액을 제조하기 위해서는 그 pH와 가까운 pKa를 가지는 약산, 약염기를 사용해야 한다. 이 부분을 헷갈리면 안 된다. HPLC 분석이 제대로 되기 위해서는 분석 대상 물질의 pKa와 이동상의 pH는 차이가 많이 나야 한다(2 pH rule). 그래서 분석 대상 물질의 pKa값을 알면 그에 따라 이동상 pH를 정하게 되는데 이동상 pH를 정하면서 이동상에 완충능력을 부여할 때는 완충용액을 이루는 약산 또는 약염기의 pKa값은 원하는 pH와 가까워야 한다는 말이다. 이것도 거의 2 pH rule과 비슷하게 원하는 완충용액의 pH는 완충용액을 이루는 약산 또는 약염기의 pKa±1.0 범위 안에 있어야 한다. 예를 들어 acetic acid의 pKa는 4.76인데 acetic acid/acetate 로 구성된 완충용액의 pH 범위는 3.76~5.76 사이가 된다. 억지로 산이나 염기를 때려 붓고 pH를 2나 6 등으로 맞추면 이건 완충용액이 될 수 없다(완충능력이 없다는 의미). 어떤 웹사이트에서 phosphate buffer를 제조하려는 사람이 pH 6.0짜리 phosphate buffer를 제조하려고 하는데 protocol 대로 해도 pH 6.0이 안 된다고 질문을 올린 것을 봤다. 안타깝지만 pH 6.0 phosphate buffer는 완충능력이 없다. Protocol을 잘못 읽었거나 그 protocol이 잘못된 경우다. Phosphoric acid는 다양성자 산으로 세 개의 수소이온(H+)이 해리될 수 있으므로 2.15, 7.20, 12.15의 세 개 pKa가 존재한다. 그래서 완충능력을 보이는 pH 범위는 1.15~3.15, 6.2~8.2, 11.15~13.15의 세 구간이 되겠다. 여기서 pH 6.0을 포함하는 구간은 없다. 아래 그래프는 phosphoric acid의 적정곡선인데 일정량의 염기를 가하면서 변하는 pH변화를 나타낸 것이다. 여기서 pH가 완만하게 변하는 구간이 완충구간(buffering region)이라고 할 수 있는데 pH 6에서 염기를 가하면 그나마 pH 증가가 크지 않지만 산을 가하면 pH가 훅 떨어지는 것을 볼 수 있다.(그래프의 붉은 닫힌 원) 뭐…… 반응이나 분석 등의 조건이 절대 pH가 떨어질 일이 없다면 pH 6.0 phosphate buffer를 사용해도 상관없겠다만…… 그럼 pH 6.0 완충용액은 뭐로 만드냐고? 아래 표를 보면 자주 사용되는 완충용액과 완충능력이 있는 pH 범위가 표시되어 있다. pH 6 완충용액은 carbonate나 citrate를 사용하면 되겠다.
이외에도 인터넷 검색을 해보면 많은 종류의 완충용액이 있으니 참고하면 좋겠다. 완충능력(buffering capacity)은 pH 변화를 최소화 시키는 능력을 말하는데 pH가 완충제의 pKa와 가까울수록 좋다고 할 수 있다. pH가 완충구간 내에 있어도 pKa와 다소 떨어져 있을 수 밖에 없는 경우에는 완충용액의 농도를 높여서 완충능력을 보완해 준다. 완충용액의 농도는 따로 정해진 것이 없고 실험하는 조건에 따라 다를 수 있다. HPLC 이동상에 사용하는 완충용액의 농도는 보통 5~15mM 정도가 적당하며 필요에 따라 농도를 높일 수 있으며, 농도를 높여 완충능력을 높일 수록 시험법의 완건성(robustness)은 좋아지지만 유기용매에 의한 침전을 주의해야 한다. 글이 길어져 여기서 끊고 다음 포스팅에 완충용액 제조에 대해 알아보겠다. 완충용액에 대해 더 자세히 알고 싶다면 아래 동영상들을 순서대로 보도록 하자.(좋은 말로 할 때...) #완충용액 #화학평형 #산염기 #pH #Kw 완충용액 이해를 위한 기본 개념 화학평형, 평형상수 K, 가역반응, 정반응과 역반응, 르샤틀리에의 원리, 산염기 정의, pH, #완충용액 #pKa #pH계산 #Ka #화학평형의_체계적_처리 완충용액 이해를 위한 기본 개념 화학평형의 체계적 처리 산해리(acid dissociation constant) 상수 Ka 염기가수분해상수(base hydrolysis constant) Kb 강산, 강염기 수용액의 pH 계산 약산, 약염기 수용액의 pH 계산 #완충용액_원리 #pH계산 #Henderson-Hasselbalch #화학평형의_체계적_처리 완충용액(buffer solution) 이해를 위한 기본 개념 완충용액의 작용 원리 (buffer solution mechanism) 완충용액의 pH, 짝산, 짝염기 농도 계산 (pH, acid, base concentration calculation) 완충용액에 산, 염기를 가했을 때 pH 변화 계산 (pH change calculation of buffer) Henderson-Hasselbalch equation 의 유도 Henderson-Hasselbalch equation을 이용한 완충용액 pH 계산 산, 염기 이온화 반응식 산염기 중화반응식 #완충용액 #완충용량 #완충범위 #완충범위_그래프 #약전의_완충용액_pH_오류 완충용액(buffer solution)의 완충용량(buffer capacity), 완충능력에 영향을 주는 요인 : 완충용액 농도, 완충용액 pH 완충용액(buffer solution)의 완충범위(buffer range) : 산 염기 첨가에 따른 완충용액 pH의 변화, 그래프 계산 및 작성 공정서 완충용액 pH의 오류 |
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