01
순수한 물은 약하게 이온화한다
- 물은 양쪽성 물질로 다른 물 분자에 양성자를 주고받을 수 있음
- 자동이온화 2H₂O ⇌ H₃O⁺ + OH⁻, 25°C에서 각각 약 1.0×10⁻⁷M
- 이온화 비율은 극히 작지만 생화학적 의미는 큼
- 효소 활성 부위의 곁사슬이 H⁺를 주고받는 반응과 직접 연결
02
물의 이온화는 평형 상수로 나타낸다
- 이온곱 Kw = [H₃O⁺][OH⁻] ≈ 1.0×10⁻¹⁴ (25°C)
- Kw는 온도에 따라 변하므로 중성 pH가 항상 7인 것은 아님
- [H₃O⁺] = 2.0×10⁻⁵M이면 [OH⁻] = Kw/[H₃O⁺] = 5.0×10⁻¹⁰M
03
pH 값은 H⁺와 OH⁻ 농도를 나타낸다
- pH = −log[H₃O⁺], pOH = −log[OH⁻], 25°C에서 pH + pOH ≈ 14.00
- pH 1단위 차이는 농도 약 10배 차이
- [H₃O⁺] > [OH⁻]이면 산성, 같으면 중성, 작으면 염기성
- pH 5.30 → [H₃O⁺] ≈ 5.0×10⁻⁶M, [OH⁻] ≈ 2.0×10⁻⁹M
- 매우 묽은 강산(C ≈ 10⁻⁸M)에서는 물의 자동이온화를 무시할 수 없어 이차방정식으로 계산
- pH계는 활동도에 대응하는 전위차를 측정하므로 이온강도가 낮은 시료에서는 해석에 주의
04
약산 또는 약염기는 특징적인 해리 상수를 가지고 있다
- 브뢴스테드-로우리 산 = 양성자 공여체, 염기 = 양성자 수용체, 짝산·짝염기는 양성자 1개 차이
- Ka = [H₃O⁺][A⁻]/[HA], Kb = [BH⁺][OH⁻]/[B], pKa = −logKa(작을수록 강한 산)
- 대표 pKa: 젖산 3.86, 아세트산 4.74~4.76, 인산 2차 해리 7.2, 암모늄 9.25
- 약산 평형은 ICE 표로 세우고 Ka = x²/(C−x)를 풀어 [H₃O⁺] 계산
- 해리율 α = [A⁻]/C, 묽힐수록 해리율 증가(0.100M 1.3% → 0.00100M 12.5%)
- pH = pKa + log([A⁻]/[HA])로 조성과 pH의 관계를 계산
05
적정곡선은 약산의 pKₐ를 나타낸다
- 적정곡선 = 첨가한 염기 부피에 대한 pH 변화, 약산의 해리 특성과 pKa를 보여줌
- 완충 영역은 곡선이 평평한 구간, 반당량점에서 [HA] ≈ [A⁻]이므로 pH ≈ pKa
- 약산-강염기 적정의 당량점은 pH 7이 아님(아세트산 예: pH ≈ 8.72)
- 당량점 전후로 기울기가 급변하며 이 구간이 지시약 선택의 근거
- 종말점(지시약 색 변화)과 당량점(화학량론적 중화점)은 다름
- 계산 모형 곡선과 모의 측정값은 원리를 보여줄 뿐 측정 정밀도의 증거가 아님
참조 자료 · References
| 조건 | [H₃O⁺] | [OH⁻] | 판정 |
|---|---|---|---|
| 두 농도가 같음 | √K_w | √K_w | 중성 |
| H₃O⁺가 더 많음 | [H₃O⁺] > [OH⁻] | [OH⁻] < [H₃O⁺] | 산성 |
| OH⁻가 더 많음 | [H₃O⁺] < [OH⁻] | [OH⁻] > [H₃O⁺] | 염기성 |
| 25°C에서 pH | [H₃O⁺] (mol/L) | [OH⁻] (mol/L) | 분류 |
|---|---|---|---|
| 2.00 | 1.0×10⁻² | 1.0×10⁻¹² | 산성 |
| 5.00 | 1.0×10⁻⁵ | 1.0×10⁻⁹ | 산성 |
| 7.00 | 1.0×10⁻⁷ | 1.0×10⁻⁷ | 중성 |
| 9.00 | 1.0×10⁻⁹ | 1.0×10⁻⁵ | 염기성 |
| 12.00 | 1.0×10⁻¹² | 1.0×10⁻² | 염기성 |
| 산 또는 짝산 | 관련 평형 | 25°C 부근 대표 pKₐ | 생화학적 관련성 |
|---|---|---|---|
| 젖산 | 젖산 ⇌ H⁺+젖산 이온 | 약 3.86 | 발효·대사 산물 |
| 아세트산 | CH₃COOH ⇌ H⁺+CH₃COO⁻ | 약 4.74~4.76 | 약산 적정 모델 |
| 인산 2차 해리 | H₂PO₄⁻ ⇌ H⁺+HPO₄²⁻ | 약 7.2 | 인산계 완충 작용 |
| 암모늄 이온 | NH₄⁺ ⇌ H⁺+NH₃ | 약 9.25 | 질소 대사 및 산염기 평형 |
| 상태 | HA | H₃O⁺ | A⁻ |
|---|---|---|---|
| 초기 (mol/L) | C | 0 (근사) | 0 |
| 변화 (mol/L) | −x | +x | +x |
| 평형 (mol/L) | C−x | x | x |
| 아세트산 초기 농도 | 평형 [H₃O⁺] 근사 | pH 근사 | 해리율 근사 |
|---|---|---|---|
| 0.100 M | 1.33×10⁻³ M | 2.88 | 1.3% |
| 0.0100 M | 4.15×10⁻⁴ M | 3.38 | 4.2% |
| 0.00100 M | 1.25×10⁻⁴ M | 3.90 | 12.5% |
| NaOH 부피 (mL) | 계산 pH | 영역의 특징 |
|---|---|---|
| 0.0 | 2.88 | 초기 약산 |
| 5.0 | 4.14 | 완충 영역 |
| 10.0 | 4.57 | 완충 영역 |
| 12.5 | 4.75 | 반당량점 |
| 20.0 | 5.35 | 완충 영역 |
| 24.0 | 6.13 | 당량점 직전 |
| 25.0 | 8.72 | 당량점 |
| 26.0 | 11.29 | 당량점 이후 |
| 30.0 | 11.96 | 과량 OH⁻ |
2027학년도 고등학교 전문교과 · 생화학 · 박상일(아산고등학교) · 본 인쇄물의 참조 자료는 본문 뒤 부록으로 이어집니다.