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pK a는 짝염기를 형성하기 위해 H+ 이온(양성자)을 제공하는 물질인 브뢴스테드 산의 “강도”를 측정합니다. H+ 양성자는 매우 효율적으로 전자 쌍을 끌어당기는 강력한 루이스 산으로 거의 항상 전자 공여체에 결합됩니다. 강한 브뢴스테드 산은 양성자를 매우 쉽게 포기하는 화합물입니다. 그 부분에서 약한 브뢴스테드 산은 더 어렵게 양성자를 포기하는 화합물입니다. 극단적인 경우, 양성자를 제거하기가 매우 어려운 화합물은 전혀 산으로 간주되지 않습니다.
화합물이 양성자를 기증하면 이전에 해당 양성자와 공유했던 전자 쌍을 유지하여 공액 염기가 됩니다. 또 다른 관점에서 강한 브뢴스테드 산은 쉽게 양성자를 내어 약한 브뢴스테드 염기가 됩니다. 브뢴스테드 염기는 양성자와 쉽게 결합을 형성하지 못하고 전자쌍을 양성자에게 주는 능력이 좋지 않습니다. 따라서 너무 약합니다.
유사하게, 화합물이 양성자를 포기하고 강한 염기가 되면, 염기는 쉽게 양성자를 되찾을 것입니다. 사실, 강한 염기는 양성자와 너무 많이 경쟁하므로 화합물은 양성자화 상태를 유지합니다. 여기서 화합물은 이온화하여 강한 짝염기가 되는 대신 여전히 브뢴스테드 산이므로 약한 브뢴스테드 산이 됩니다.
따라서 다음 사항을 고려해야 합니다.
- 낮은 pKa는 양성자가 일정하게 유지되지 않는다는 것을 의미합니다.
- 때로는 pKa가 너무 낮아서 음수가 될 수 있습니다.
- 높은 pKa는 양성자가 강하게 고정되어 있음을 의미합니다.
Henderson–Hasselbalch 방정식
Henderson-Hasselbalch 방정식은 미국의 생화학자 LJ Henderson과 스웨덴의 생리학자 KA Hasselbalch가 pH를 혈액의 중탄산염 완충 시스템과 관련시키기 위해 독자적으로 개발했습니다. 일반적인 형태에서 Henderson-Hasselbalch 방정식은 모자를 계산하는 데 유용한 표현입니다. 일반적인 약산(HA) 해리 반응에 대한 평형 상수의 표현에서 다음 방정식으로 유도할 수 있습니다.
여기서 K a 는 주어진 온도에서의 평형 상수입니다. 정의된 일련의 실험 조건에 대해 이 평형 상수는 Ka로 표시되며 겉보기 해리 상수라고 합니다. K a 값이 높을수록 용액의 산 1몰당 방출되는 H+ 이온의 수가 많아지므로 산이 더 강해집니다. 따라서 K a 는 산의 강도를 나타내는 척도입니다. 방정식을 재배열하고 수소 이온 농도를 구하면 다음과 같이 됩니다.
log [H+] = pH 및 log (Ka) = pK a 이므로 위 방정식에 로그를 적용하여 다음을 얻습니다.
어느 하나
어디:
[A – ]는 짝염기의 농도이고,
[HA]는 (해리되지 않은) 산의 농도이고,
pK a 는 K a 값의 음의 로그입니다.
K a 는 산의 해리 상수이다.
pH 및 pKa 값에 대한 논의
Henderson-Hasselbalch 방정식은 종종 버퍼의 주어진 pH 값을 달성하기 위해 사용해야 하는 짝산[HA]에 대한 짝염기[A-]의 비율을 결정하는 데 사용됩니다. 이를 위해서는 사용할 짝산의 pKa 값을 알아야 합니다. 그러나 위의 방정식에는 이해해야 할 추가 정보가 있습니다.
위에서 pK a 의 개념을 설명했지만, pK a 의 기능적 정의는 종종 잘못 이해되고 있습니다. 이 주제에서 기억해야 할 점은 pH가 산의 pKa와 같을 때 짝염기 및 짝산의 농도가 같다는 것입니다. 즉, 짝염기의 비율이 50%이고 비율이 50%인 % 짝산.
따라서 짝염기 및 짝산의 농도를 Henderson-Hasselbach 방정식에 대입하면(농도는 중요하지 않음) 둘의 비율은 1:1이 됩니다. 이 비율의 로그는 영(0)입니다. 어떤 산(양성자 공여체[H+]로 나타냄)가 관찰되는지에 관계없이 위의 관계가 유지됩니다.
예를 들어, 아세트산의 pK 값은 약 4.7이므로 pH가 pKa와 같을 때 아세테이트 대 아세트산의 비율은 1:1이 됩니다. 약 4.0의 pKa 값을 갖는 플루오르화 수소(HF)와 같은 다른 산의 경우, pH가 4.0일 때 플루오르화 이온 대 플루오르화 수소산의 비율은 1:1이 됩니다.
버퍼 솔루션
완충 용액은 약산과 그 짝염기 또는 약염기와 그 짝산의 혼합물로 구성된 수용액입니다. 완충 용액의 중요한 특성은 소량의 산이나 염기를 첨가해도 상대적으로 일정한 pH 값을 유지하는 능력입니다. 또한 완충 용액의 pH는 희석 중에도 상대적으로 안정적으로 유지됩니다.
이러한 이유로 버퍼는 주로 일정한 pH 값을 유지하기 위한 시약으로 광범위한 화학 응용 분야에서 사용됩니다. 예를 들어 염료 생산, 발효 공정, 식품, 화장품 및 의약품의 pH 조정에 사용됩니다. 완충액의 pH는 산의 pK a (또는 염기의 pK b )와 산(염기)과 그 짝염기(산)의 농도 비율에 따라 달라집니다. 이 종속성은 위에 제시된 Henderson-Hasselbalch 방정식으로 설명됩니다.
출처
- Garritz, M. (2005). 산-염기 균형 .
- Pardo, J. 및 Matus, D. (2014). 혈액 pH 계산을 위한 Henderson-Hasselbalch 방정식 의 사용 .
- Vásquez, E. 및 Rojas, G. (2016). pH : 이론 및 132문제.
