본문내용
1. 생체 내부 완충용액의 작용
1.1. 산과 염기의 생물학적 정의
산과 염기의 생물학적 정의는 다음과 같다. 산(acid)은 용액의 수소이온 농도를 증가시키는 물질이다. 예를 들어 염산(HCl)이 물에 가해지면 H+와 Cl-로 분리되어 수소이온 농도를 높여 산성 용액이 된다. 염기(base)는 용액의 수산화 이온 농도를 낮추는 물질이다. 염기에는 두 가지 종류가 있는데, 직접 H+를 받아들여 수소이온 농도를 낮추는 염기와, H+를 방출하여 수소이온 농도를 낮추는 염기가 있다. 암모니아(NH3)는 질소 원자의 비공유 전자쌍이 수소이온을 끌어당겨 NH4+를 만들며 염기로 작용한다. 수산화나트륨(NaOH)은 물에 녹으면서 Na+와 OH-로 해리되어 염기 역할을 한다. 이처럼 산은 수소이온을 공급하여 용액의 pH를 낮추고, 염기는 수소이온을 제거하여 pH를 높인다.
1.2. 물의 양쪽성 (amphoteric)
물은 가장 흔한 양쪽성 물질이다. 이는 하나의 물 분자로부터 양성자가 다른 물 분자로 이전되어 수산화 이온과 하이드로늄 이온을 내는 물의 자체 이온화(autoionization) 반응에서 관찰할 수 있다. 물의 자체이온화 반응에 대한 화학 평형식은 다음과 같으며, 는 이온-곱 상수(ion-product constant) 또는 해리 상수(dissociation constant)이다. 실험 결과 순수한 물에서는 이므로 의 값은 25°C에서 이다. 중성 용액에서는 , 산성 용액에서는 , 염기성 용액에서는 이며, 25°C에서 물의 이온화 상수는 항상 이다. 이처럼 물의 양쪽성 성질은 물이 산 또는 염기로 작용할 수 있음을 의미한다.
1.3. pH와 pOH
물은 수소이온(H+)과 수산화이온(OH-)을 모두 갖고 있는 양쪽성(amphoteric) 물질이다. 물의 자체 이온화 반응에 의해 수소이온(H+)과 수산화이온(OH-)이 생성되는데, 이 반응에 대한 평형상수(Kw)는 상수 값 1.0 x 10-14를 가진다.
pH는 수소이온 농도의 음의 로그값으로 정의되며, pH = -log[H+]이다. 따라서 pH가 낮을수록 수소이온 농도가 높은 산성 용액이고, pH가 높을수록 수소이온 농도가 낮은 염기성 용액이 된다. 중성 용액에서는 pH가 7이다.
pOH는 수산화이온 농도의 음의 로그값으로 정의되며, pOH = -log[OH-]이다. 순수한 물에서는 pH + pOH = 14이므로, pH와 pOH는 항상 역수 관계를 가진다. 즉, 강산성 용액에서는 pH가 낮고 pOH가 높으며, 강염기성 용액에서는 pH가 높고 pOH가 낮다.
이처럼 pH와 pOH는 수소이온 농도와 수산화이온 농도를 나타내는 척도로, 생물체 내부의 pH 조절과 항상성 유지에 매우 중요한 역할을 한다. 생명체는 체내 pH를 7.4 근처로 일정하게 유지하기 위해 다양한 완충 시스템을 갖추고 있으며, 이를 통해 생화학적 반응의 최적화와 세포 활동의 안정성을 도모한다.
1.4. 생물체 내의 완충작용
1.4.1. 완충용액 (buffer)
완충용액(buffer)은 약산과 그 짝염기, 또는 약염기와 그 짝산의 혼합물이다. 완충용액은 수소 이온 농도(pH)의 변화를 최소로 유지시키는 역할을 한다.
생물체 내부에는 pH를 일정하게 유지하는 화학적 체계가 갖추어져 있다. 혈액의 pH는 약 7.4로 유지되는데, 만약 혈액의 pH가 크게 변하면 생명이 위험해질 수 있다. 이처럼 완충용액은 생물체 내부의 항상성을 유지하는 데 매우 중요한 역할을 한다.
완충 작용의 기작은 다음과 같다. 약산과 그 짝염기가 완충용액에 존재할 때, 수산화 이온이 첨가되면 약산이 양성자 주개로 작용하여 수산화 이온이 와 반응한다. 그 결과 수산화 이온이 축적되지 않고 로 대체된다. 따라서 pH가 안정적으로 유지된다. 반대로 수소 이온이 첨가되면 짝염기가 양성자 받개로 작용하여 수소 이온을 제거한다.
완충용액을 선택할 때는 원하는 pH...
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