완충용액에 강산 또는 강염기를 가했을 때 일어나는 현상 ★

완충용액에 강산 또는 강염기를 가했을 때 일어나는 현상

 

 

예) CH3COOH와 CH3COONa이 함께 용해되어있는 용액에다,

 

 

강산(H^+) 또는 강염기(OH^-)를 가하면, 어떻게 될까?

 

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▶ 참고: 완충용액의 정의 [ https://ywpop.tistory.com/7093 ]

▶ 참고: Henderson-Hasselbalch 식 [ https://ywpop.tistory.com/1926 ]

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▶ [약산] + [짝염기 + 강염기의 양이온으로 된 염] 을 포함한 완충용액

> 약산, CH3COOH의 짝염기 = CH3COO^-

> 강염기, NaOH의 양이온 = Na^+

> 짝염기 + 강염기의 양이온으로 된 염 = CH3COONa

 

 

 

 

 

(극히 일부만 존재하는 물질을 무시하면,)

CH3COOH 수용액에는 CH3COOH만 존재하고,

CH3COONa 수용액에는 CH3COO^-와 Na^+만 존재한다.

 

 

 

[주목] CH3COOH는 약산이다.

CH3COOH는 약산이기 때문에,

다음과 같은 이온화 반응은 극히 일부만 일어난다.

CH3COOH(aq) + H2O(aq) ⇌ H3O^+(aq) + CH3COO^-(aq)

 

따라서 CH3COOH 수용액 속에서

CH3COOH는 거의 대부분 CH3COOH 분자 형태로 존재한다.

---> CH3COOH(aq)로 존재.

 

 

 

완충용액의 약산과 짝염기에서

진짜 중요한 것은,

약산이란 CH3COOH이고,

짝염기란 CH3COO^-인데,

 

이 짝염기인 CH3COO^-는

약산에서 이온화된

CH3COOH(aq) ⇌ H^+(aq) + CH3COO^-(aq) 가 아니라,

( 약산은 극히 일부만 이온화된다는 것을 잊지말 것. )

 

염에서 이온화된

CH3COONa(aq) → Na^+(aq) + CH3COO^-(aq) 라는 것이다.

( 가용성염은 거의 100% 이온화된다는 것을 잊지말 것. )

 

 

 

 

[1] 산(H^+)을 가하면, 다음 반응에 의해 H^+ 이온이 소모된다.

( ∵ 공통이온효과 https://ywpop.tistory.com/2710 )

 

 

따라서 가한 강산에 의해 완충용액의 pH는 (거의) 변하지 않는다.

 

※ 그러나 이때 생성된 약산(CH3COOH)의 이온화 결과,

소량의 H^+ 이온이 생성되므로, pH는 약간 감소한다.

 

 

 

 

[2] 염기(OH^-)를 가하면, 다음 반응에 의해 OH^- 이온이 소모된다.

( ∵ 산-염기 중화반응 )

 

 

따라서 가한 염기에 의해 완충용액의 pH는 (거의) 변하지 않는다.

 

※ 그러나 이때 생성된 짝염기(CH3COO^-)의 가수분해 결과,

소량의 OH^- 이온이 생성되므로, pH는 약간 증가한다.

( 참고: 가수분해 https://ywpop.tistory.com/5502 )

 

 

 

 

[참고]

완충 용액에 산(H^+)을 가하면,

약산의 평형 반응에 H^+ 이온(공통 이온)이 존재하므로,

르샤틀리에의 원리에 따라 평형 이동(역방향)이 일어난다.

( 평형 이동에 의한 H^+ 감소 ---> pH 변화 거의 없음. )

 

 

그러나

완충 용액에 염기(OH^-)를 가하면,

약산의 평형 반응에 공통 이온이 존재하지 않으므로,

평형 이동이 일어나지 않는다.

( OH^-는 약산의 이온화 평형과 무관하다.

왜? 약산의 이온화 평형 반응식에 OH^-가 없기 때문에. )

이때는 산-염기 중화반응이 일어날 뿐이다.

( 산-염기 반응에 의한 OH^- 감소 ---> pH 변화 거의 없음. )

 

 

완충 용액에 산 또는 염기를 가했을 때,

완충 용액의 pH가 거의 일정하게 유지되는 과학적 원리는

이처럼 완전히 다르다.

학생들에게 이 둘을 구분해서 가르쳐야 되는데,

이 둘을 구분할 줄 아는 교사는 별로 없는 것 같다.

 

 

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강산 또는 강염기를 가했을 때,

완충용액에서 일어나는 현상이 위와 같기 때문에,

[약산] : [짝염기] 또는 [약염기] : [짝산]의 농도 비는

1 : 1 일수록 좋은(효과적인) 완충용액이다.

[ 관련 글 https://ywpop.tistory.com/7181 ]

 

 

 

또한 이 때문에 완충용액을 만들 때,

만들고자 하는 완충용액의 pH와

거의 비슷한 pKa(또는 pKb) 값을 갖는

약산(또는 약염기)을 선택하는 것이다.

 

pH = pKa + log ([짝염기]/[약산])

 

[짝염기]/[약산] ≒ 1 이면, pH ≒ pKa

 

 

 

약산(또는 약염기)의 pKa(또는 pKb) 값 범위는

만들고자 하는 완충용액의 pH 값에서 ±1 이내일 것.

예를 들어, 완충용액의 pH 값이 4.5이면,

pKa 값은 3.5 이상, 5.5 이하일 것.

 

이 범위 밖의 pKa 값을 가진 약산을 선택하면,

강산 또는 강염기 양쪽 모두에

효과적으로 완충작용을 할 수 없다.

 

 

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4 M HCl 용액 5 mL를

(a) pH가 4.74인 완충 용액 1 L에 가했을 때, pH는 0.06 감소(변화).

---> pH는 거의 변하지 않았다.

(b) pH가 7.00인 순수한 물 1 L에 가했을 때, pH는 5.30 감소(변화).

---> pH는 엄청나게 많이 변했다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

[ 관련 글 https://ywpop.tistory.com/19772 ] 완충용액에 강산 또는 강염기를 가하면

 

[ 관련 글 https://ywpop.tistory.com/5442 ] NH3-NH4Cl 완충용액의 완충작용

 

 

 

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