분석화학에서의 산과 염기

2016/03/22 - [유기화학] - 산과 염기

유기화학에서 있던 산과 염기를 분석화학적 관점에서 추가해보자면, 모든 화학 반응은 산과 염기로 설명이 가능하다

모든 화학 반응들은 전자를 이용하여 결합하게 되며 이 전자를 이용하는 결합들은 곧 산과 염기의 반응을 의미하게 되는 것이다

산과 염기는 제약산업, 식품의 아미노산 등 단백질의 접힘같은 것에서도 쉽게 볼 수 있는 반응이다

이러한 산과 염기 반응은 완충 용액 설계에 들어 가기 전에, 산 염기 적정 등 어떻게 설계하고 계산할 것인가가 중요한 것이라 분석화학에 있어 산과 염기를 중요한 부분이라고 설명하는 것이다

산의 정의를 집대성한 인물로 브뢴 스테드의 정의는 수소 이온으로 산과 염기 반응을 설명하기에는 한계가 있어서 양성자(Proton)으로 설명하게 된 것이다

산은 양성자 주개(Proton donor), 염기는 양성자 받개(Proton acceptor)로 말이다

그로 약 100년 후, 루이스가 전자의 개념으로 확장하게 된다

화학 실험에서는 대부분의 수용액으로 물을 사용하게 된다

물은 자체 양성자 반응(Autoprotolysis)와 자체 이온화(Self ionization)을 할 수 있다

Kw=[H+][OH-]=1.0*10^-14 (25℃에서) 말이다

이러한 일정한 값을 통해 [H+]와 [OH-]는 반비례 관계를 가지게 된다

[H+]>[OH-] 는 산성 용액(Acidic), [H+]<[OH-] 는 염기성 용액(basic), [H+]=[OH-] 는 중성 용액(Neutral) 을 가진다

한 용액의 pH 값을 구할 때는 pH=-Log[H+]로 구하게 되며 계산 시에 결과가 합당한지(pH의 크기 유무)를 확인하고 물의 자체 양성자 반응과 자체 이온화 반응에 주의해서 계산해야 한다

산과 염기에서는 평형상수가 매우 큰 강산(Strong acid)와 강염기(Strong base)가 있는데 이들은 수용액에서 완전히 해리된다

강산의 예시로 HCl, HBr, HI가 있으며 HF는 강산이 아니다

약산(Weak acid)와 약염기(Weak base)는 수용액 내에 반응하지 않는 A와 B가 남아있는 것들이다

약한 것은 약한 것과 짝을 이루는데 약산의 짝염기는 약염기이며, 약염기의 짝산은 약산이 된다

산과 염기의 상수는 Ka(산해리 상수, Acid dissociation constant)와 Kb(염기 가수분해 상수, Base hydrolysis constant)로 표현하게 된다

이들의 Ka와 Kb는 Kw로 나타낼 수 있다

Kw=Ka*Kb={[H+][A-]/[HA]}*{[HA][OH-]/[A-]}로 표현된다

pKa=-LogKa로, pKb=-LogKb로 표현할 수 있다

또한 산의 해리 분율(Fraction of dissociation)은 [A-]/[A-]+[HA] 이다

평형값 구하기로는 F가 처음 농도값이고 마지막 농도값을 F-x라 한다

Ka=[H+][A-]/[HA]=(x)*(x)/(F-x)=x^2/(f-x) 가 된다

Kb 도 마찬가지로, Kb=[BH+][OH-]/[B]=x^2/(F-x) 가 된다