생화학 2강 물과 pH
목 차
01 물의 기본
02 수소이온의 농도 :산과 염 기
03 완충용액과 pH 조절
01. 물의 기본
물 (H2O)
물의 구조 및 특징
▪ 수소원자 2 + 산소원자 1 로 구성
▪ 표준 온도 압력에서 무색투명 , 무취무미
▪ 배열 순서 H – O – H, 104.5 ° 로 구부러진 형태
물의 물리적인 특성
극성물질인 물
▪ 수소와 산소간의 공유결합 → 전기음성도가 서로 다름
▪ 전기음성도 : 전자쌍을 끌어당기는 힘 (산소 > 수소)
→ 산소쪽의 전자밀도가 더 높음
→ 산소 : 부분적 음 전하 (δ-), 수소 : 부분적 양 전하 (δ+)
→ 물은 극성 물질
▪ 물은 다른 극성물질 및 이온성 물질들과 잘 섞임
물의 물리적인 특성
비열이 높은 물
▪ 수소결합 :음전하를 띤 산소와 인접 물분자에서 양전하를 띤 수소 사이의 인력
▪ 수소결합을 끊는 데 보다 더 많은 에너지 필요
→ 비열이 높은 편
→ 열을 잘 저장하는 특성
물의 물리적인 특성
생명의 근원
▪ 체내에서 용매로 작용, 물질대사에 필수적
▪ 식물 : 광합성을 통해 글루코오스 생성 및 산소 발생
▪ 동물 : 이를 이용하여 다시 물과 이산화탄소 생성 (세포호흡)
물의 용매로서의 역할
용해
▪ 정의 : 용질이 용매 속으로 확산되어 섞이는 것
▪ 용매 - 용질분자사이의 인력이 용질 / 용매 각분자끼리의 인력보다 더 큰 경우 용해가 잘 일어남
▪ 예) 염화나트륨(NaCl)
02. 수소이온의 농도 : 산과 염기
산염기 평형
아레니우스의 산 / 염기 정의
▪ 산 : 수소이온 ( H + ) 을 내놓는 물질
▪ 염기 : 수산화이온 ( OH - ) 을 내놓는 물질
산과 염기의 예
▪ HCl + 물 → H+ + Cl-
▪ NaOH + 물 → Na+ + OH-
물의 자동이온화 반응
▪ H 2 0 + H 2 0 ↔ H 3 O + + OH -
▪ 수소이온과 수산화 이온의 농도가 동일한 경우 → 중성
▪ 수소이온의 농도가 더 높은 경우 → 산성
▪ 수산화이온의 농도가 더 높은 경우 → 염기성
물의 수소이온농도 계산
▪섭씨 25 도에서 평형상수 Keq 는 1.8 × 10 -16 M
순수한 물의 몰농도는 55.5M(1000 ÷ 18 = 55.5)
[H 2 O] × K eq = [H + ] × [OH - ]
▪ 55.5M × 1.8 × 10 -16 M = 1.0 × 10 -14 M 2 = [H + ] × [OH - ]
▪ 즉 , 섭씨 25 도에서 [H + ] 과 [OH - ] 의 곱은 항상 1.0 × 10 -14
▪ 물 한분자 해리시 동일한 수의 [H+] 과 [OH-] 가 생성되므로
[H + ] = [OH - ] = 1.0 × 10 -7
▪ 섭씨 25 도에서 순수한 물의 수소이온 농도인 [H+] 는 1.0 × 10 -7
pH 척도의 이해
pH 의 정의
▪ 산성이나 염기성의 정도를 나타낼 때 쓰는 단위
▪ 수소이온 농도에 상용로그 취한뒤 부호를 바꾼 값
( pH=-log 10 [H + ] )
▪ 섭씨 25 도에서 물의 pH 는 7 → 중성
▪ pH < 7 → 산성 , pH > 7 → 염기성
▪ pH 는 0 에서 14 사이에 위치
pOH 의 정의
▪ 수산화이온의 농도에 상용로그를 취한 뒤 부호를 바꾼 것
▪ [H + ] 과 [OH - ] 의 곱은 항상 1.0 × 10 -14 이므로
pH + pOH = 14
브뢴스테드 - 로우리 이론
브뢴스테드 - 로우리 산과 염기
▪ 산 : 양성자 공여체 = 수소이온을 주는 물질
▪ 염기 : 양성자 수용체 = 수소이온을 받는 물질
▪ 수소이온을 주고 받는 관계로 정의 → 짝산 과 짝염기 존재
▪ 식초의 아세트산 : CH 3 COOH ↔ H + + CH 3 COO -
▪ 이 경우의 산 : CH 3 COOH , 수소이온을 내어주기 때문
▪이 경우의 염기 : CH 3 COO - , 역반응에서 수소이온을 받아들이기 때문
→ 서로 짝산 - 짝염기 관계
산의 해리상수
산의 강도
▪ 정의 : 수소이온을 내어줄 수 있는 정도
▪ 이를 표현하는 것이 산의 해리상수 (Ka) 임
▪ 아세트산의 경우 K a = [H + ] [CH 3 COO - ] / [CH 3 COOH]
▪ K a 값이 클수록 수소이온으로 많이 해리됨 ( 강산 )
▪ K a 값이 작을수록 수소이온으로 덜 해리됨 ( 약산 )
▪ 아세트산의 경우 K a 값 = 1.76 × 10 -5 → pKa = 4.76
03. 완충용액과 pH 조절
생리적 완충용액
완충용액의 정의
▪ 산이나 염기를 가해도 일정한 양까지는 pH 변화가 거의 없는 용액
▪ 완충용액 : 보통 약산과 그 짝염기를 넣어서 제조
▪ 아세트산 용액에 산 (H+) 첨가시 역반응 우세
→ 아세트산 생성 → [H+] 감소
▪ 염기 (OH-) 첨가시 물 생성 → [H + ] 감소 → 정반응 우세 → [H + ] 증가
▪ 결국 pH의 변화가 억제 됨
완충용액의 pH 계산
헨더슨 - 하셀발흐 방정식
▪ pH 와 pKa 사이의 관계 방정식 , pH = pKa + log[짝염기] / [짝산]
▪ 일정한 pH 에서 용액의 약산과 그 짝염기의 비율 계산 가능
▪ 또한 , 약산과 그 짝염기의 농도에 따른 용액의 pH 계산 가능
▪ 따라서 약산과 그 짝염기의 농도가 같다면 log1=0 이므로 pH=pKa가 됨
적정곡선과 pK a
산 - 염기 적정
▪ 농도를 알고 있는 산 또는 염기를 이용하여 농도를 모르는염기 또는 산의 농도 산출
▪ 산의 수소이온과 염기의 수산화이온이 1:1 로 반응해 물 을 생성하므로 가능 ( 중화반응 )
▪ CH3COOH + NaOH → H 2 O + CH 3 COONa 반응 가정
▪ 아세트산 100ml + 수산화나트륨 50ml 경우
아세트산의 절반이 CH 3 COONa 됨
▪ 결국 , 아세트산의 농도와 CH3COO- 의 농도가 같아지므로 pH = pKa
▪ pK a 지점에서의 완충능력이 가장 큼 = 약산과 그 짝염기가 동량 존재할 때
적정곡선과 pK a
우리 몸의 완충시스템
▪ 체내 적절한 pH 를 지속적으로 유지하기 위한 완충시스템이 필요
▪ 혈액 의 pH 는 7.4~7.6 정도 유지 필요→ 탄산이 약산으로 작용
▪ 체내 산이 증가하면 폐에서 이산화탄소를 내보내 pH증가 시킴
▪ 체내 염기가 증가하면 이산화탄소가 혈액에 용해되어 pH감소 시킴
-문제풀이
물은 극성물질로 소금과 같은 이온성 물질을 둘러싸 이온간 인력을 감소시키므로, 소금은 물에 잘 녹는다고 볼 수 있다.
핸더슨-하셀발흐 방정식은 pH = pKa + log[짝염기]/[산] 이므로, 산과 그 짝염기의 비율이 같아 1이되면 log1=0이므로 pH=pKa가 된다
-정리하기.
1.물은 수소원자 둘과 산소원자 하나로 이루어진 화합물로 수소와 산소 간의 전기음성도 차이로 인해 부분적으로 전자의 분포가 비대칭을 이루는 극성 물질이다.
2.극성 물질인 물은 다른 극성 물질 및 이온성 물질과 잘 섞이므로, 생체 내에서 아주 좋은 용매로 작용할 수 있다.
3.산은 화학반응에서 수소이온을 주는 물질을 말하며, 염기는 수소이온을 받는 물질을 말한다.
4.25℃에서 순수한 물의 수소이온 농도는 1.0×10-7M이며, 이에 상용로그를 취한 뒤 부호를 바꾼 지표인 pH는 7이다.
5.완충용액이란 산이나 염기를 가해도 일정한 양까지는 그 용액의 수소이온 농도, 즉 pH 변화가 거의 없는 용액을 말하며, 일반적으로 약산과 그 짝염기를 혼합하여 만든다.
댓글