실험실 이것이 기본이다 ! 시리즈 1 pH는 실험실에서 가장 간단하게 그리고 빈번하게 측정할 수 있는 분석값으로 화학반응속도, 화학물질의 용 해도, 생물학적 활성 등 시료의 특성을 결정짓는 가장 중요한 factor 중 하나입니다. 또한 일상 생활 속에서 우리가 사용하는 대부분의 것들-수돗물, 종이, 식품, 약 등- 이 pH에 영향을 받습니다. 예로 다양한 색으로 아 름답게 피어나는 수국은 토양의 pH에 따라서 변화합니다. 청색계 품종은 토양의 pH를 낮게 유지시키고, 적 색계 품종은 pH를 높게 유지시켜 발색을 유지합니다. 그리고 우리가 매일 섭취하는 음식의 pH는 건강에 큰 영향을 줍니다. 이렇듯 과학연구실험은 물론 일상 생활 속에서 다양한 역할을 하고 있는 pH는 무엇이고 어떻게 작용하고 있는 지 알아볼까요? 산성토양 파란색 염기성토양 붉은색 pH ? pH 는 물질의 산성, 알칼리성의 정도를 나타내는 수치로, 수소 이온의 해리농도를 로그의 역수를 취해 나타냅니다. 물은 산소원자 하나와 수소원자 두개로 이루어져 있지만 다음과 같이 일부 분해(이온화) 됩니다. H - O - H H + + OH - 물분자는 열 에너지에 의해 수소와 산소의 결합이 깨지고 이런 이온 상태를 유지합니다. 왜냐하면, 전기음성도가 다른 수소와 산소로 인해 전하가 비편재화된 물분자들이 새로이 분리된 이온들을 둘러싸 이온들이 재결합하는 것을 방해하기 때문입니다. H + H + H H H + H + H + + H + H + H + H H - side + side H H - O - O - O O O O - O - H + 약 10,000,000개의 물 분자 중 하나는 언제든지 이온으로 분리되어 실온의 순수에서는 약 10 -7 M의 H + 이온이 존재합니다. 중성의 수용액은 약 pH 7(25 ℃, 1atm)의 값을 가집니다. 이는 수소이온의 활동도와 수 산화이온의 활동도가 같다는 의미입니다. 수용액이 아니거나 표준온도압력(STP) 조건이 아닌 경우 중성 용액의 pH는 7이 아닐 수도 있습니다. pH = 수소이온농도 ? 실제적으로 pH는 H + 이온의 활동도를 측정하는 것입니다. 활동도는 자유로운 H + 이온 을 의미합니다. 예를 들어 0.1 M의 HCl은 pH 1.03 이고, 0.1 M의 Acetic acid는 pH 3 입니다. 같은 0.1 M 농도의 HCl과 Acetic acid의 pH 값은 이렇게 크게 차이가 납니다. HCl H + + Cl - HOAc H + + OAc - 위 그림에서와 같이 H + 이온이 OAc - 이온에 결합하여 중성 분자로 존재하려고 하기 때문에 HOAc에서의 수소이온의 활동도는 HCl에 비해서 낮습니다. 같은 농도의 용액이지만 pH 는 크게 다르다는 것을 알 수 있습니다. 결국 pH는 수소이온의 농도가 아니라 수소이온의 활동도인 것입니다. 물 속에 존재하는 총 수소이온의 농도가 아니라 자유롭게 활동할 수 있는 수소이온만의 농도, 즉 수소이온의 활동도가 바로 pH 입니다. pH의 시조 H + 이온의 농도를 간단하게 표기하기 위하여 1909년 S.P.L. S Ørensen 에 의해 pH 개념 이 처음 도입되었습니다. 그리고 맥주의 신(Acidity)정도를 알아보기 위해서 pH를 측정하 였습니다. 알다시피 맥주를 만드는데는 효모가 사용되고 효소를 사용하게 되는데 특정효 소는 특정 pH 에서만 반응을 하기 때문이었습니다. 오래된 저널에서는 PH로 표기된 것도 볼 수 있습니다. pH는 power의 p와 수소의 원소 기 호인 H를 결합한 것으로 수소의 역지수라는 뜻을 가지고 있습니다. pH가 19라는 말 들어보셨어요 ? 우리는 지금까지 pH 측정 범위는 0에서 14까지라고 배워왔고 또 그렇게 믿어왔습니다. 하지만 이것은 순수한 물에서의 pH 측정범위입니다. 실제 pH는 시료의 조건에 따라 마이 너스(-)값도 14 이상도 나올 수 있습니다. 물론 이러한 측정범위를 갖는 pH 미터를 사용 하셔야 합니다. 물은 열에너지에 의해 H + 와 OH - 로 해리되려는 경향이 있는데 아무리 적 은 시료라 하더라도 여기에는 수없이 많은 물분자가 존재하기 때문에 물 속에 존재하는 [H + ]x [OH - ]는 항상 일정합니다. 순수의 경우에는 H + 와 OH - 의 농도가 각 10 -7 M으로 평형을 이룹니다. 하지만 유기용매 가 존재할 경우, 이들 유기분자들은 수소이온을 둘러싸 free 이온의 활동을 방해할 뿐만 아니라 수소이온과 결합하려는 힘이 강하기 때문에 물의 해리 상수는 훨씬 작아지게 됩니 다. 예를 들어, 메탄올의 경우 수소는 H + 와 CH3O - 로 해리되기 보다는 서로 결합된 형태 (CH3OH)로 존재하려는 힘이 크기 때문에 해리상수는 10 -4 이하가 됩니다. 그러면 당연히 “free” 한 수소이온은 순수에서 보다 훨씬 감소하게 되고 pH는 증가하여 측 정 가능한 pH는 19.1까지 존재하게 되는 것입니다. 반대로 황산과 같은 극성의 강산이 존 재할 경우, 해리 상수는 커지고 따라서 pH는 -2까지 내려갈 수 있습니다. pH 측정시, 온도가 왜 중요한가 ? pH 측정시 대부분의 측정 오차는 온도 때문에 발생합니다. 온도가 pH 측정에 어떠한 영향을 끼치는지에 대해서 살펴보고, 온도변화로 인한 오차를 줄일 수 있는 방법에 대해 알려드리겠습니다. 전극 기울기는 온도에 따라 변합니다. pH를 측정하는 방법 중 가장 일반적인 방법은 유리전극을 이용한 전위차 측정법입니다. 100~1000 MΩ의 약한 전도성을 갖는 유리 멤브레인 내외부에 전위차가 발생하는데 이 전위차는 유리 내외부의 H + 활동도 차이에서 기인합니다. 전극의 pH 측정을 Nernst equation으로 아래와 같이 표현할 수 있습니다. Emeasured = E0 + (2.3 RT/nF) log a H + Emeasured는 측정전극으로 측정된 전위, E0는 기준 전극의 전위, Nernst 계수 2.3 RT/nF 는 기체상수(R) 페러데이 상수(F), 캘빈온도(K), 그리고 이온의 전하(n)으로 표현됩니다. pH의 경우 n=1이므로 Nernst 계수는 2.3 RT/F 입니다. Nernst 계수는 전극의 기울기 라고하며, 이 값은 온도에 따라 달라집니다. 이러한 온도에 따른 기울기 변화는 자동온도보상(ATC) probe를 사용해 자동으로 보상되 거나 수동 온도 입력을 통해서 보상될 수 있습니다. 수국의 색도 변화 시키는 pH pH 측정 원리 All that pH
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All that pH - Young In수박, 오렌지 주스, 가지, 커피, 양파, 깍지 완두, 사람의 젓, 홍차, 우유, 두부 등입 니다 “산성 식품은 몸에 좋지 않다?”
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실험실 이것이 기본이다 ! 시리즈 1
pH는 실험실에서 가장 간단하게 그리고 빈번하게 측정할 수 있는 분석값으로 화학반응속도, 화학물질의 용
해도, 생물학적 활성 등 시료의 특성을 결정짓는 가장 중요한 factor 중 하나입니다. 또한 일상 생활 속에서
우리가 사용하는 대부분의 것들-수돗물, 종이, 식품, 약 등- 이 pH에 영향을 받습니다. 예로 다양한 색으로 아
름답게 피어나는 수국은 토양의 pH에 따라서 변화합니다. 청색계 품종은 토양의 pH를 낮게 유지시키고, 적
색계 품종은 pH를 높게 유지시켜 발색을 유지합니다. 그리고 우리가 매일 섭취하는 음식의 pH는 건강에 큰
영향을 줍니다.
이렇듯 과학연구실험은 물론 일상 생활 속에서 다양한 역할을 하고 있는
pH는 무엇이고 어떻게 작용하고 있는 지 알아볼까요?
산성토양 파란색 염기성토양 붉은색
pH ?
pH는 물질의 산성, 알칼리성의 정도를 나타내는 수치로, 수소 이온의 해리농도를
로그의 역수를 취해 나타냅니다.
물은 산소원자 하나와 수소원자 두개로 이루어져 있지만 다음과 같이 일부 분해(이온화)
됩니다.
H - O - H H+ + OH-
물분자는 열 에너지에 의해 수소와 산소의 결합이 깨지고 이런 이온 상태를 유지합니다.
왜냐하면, 전기음성도가 다른 수소와 산소로 인해 전하가 비편재화된 물분자들이 새로이
분리된 이온들을 둘러싸 이온들이 재결합하는 것을 방해하기 때문입니다.
H+
H+ H
H
H+
H+
H+
+H+H
+H+H
H
- side+ sideH H
-O-O
-O OO
O-
O-
H+
약 10,000,000개의 물 분자 중 하나는 언제든지 이온으로 분리되어 실온의 순수에서는
약 10-7 M의 H+ 이온이 존재합니다.
중성의 수용액은 약 pH 7(25 ℃, 1atm)의 값을 가집니다. 이는 수소이온의 활동도와 수
산화이온의 활동도가 같다는 의미입니다. 수용액이 아니거나 표준온도압력(STP) 조건이
아닌 경우 중성 용액의 pH는 7이 아닐 수도 있습니다.
pH = 수소이온농도 ?
실제적으로 pH는 H+이온의 활동도를 측정하는 것입니다. 활동도는 자유로운 H+ 이온
을 의미합니다. 예를 들어 0.1 M의 HCl은 pH 1.03 이고, 0.1 M의 Acetic acid는 pH 3
입니다. 같은 0.1 M 농도의 HCl과 Acetic acid의 pH 값은 이렇게 크게 차이가 납니다.
HCl H+ + Cl-
HOAc H+ + OAc-
위 그림에서와 같이 H+이온이 OAc-이온에 결합하여 중성 분자로 존재하려고 하기 때문에
HOAc에서의 수소이온의 활동도는 HCl에 비해서 낮습니다. 같은 농도의 용액이지만 pH
는 크게 다르다는 것을 알 수 있습니다. 결국 pH는 수소이온의 농도가 아니라 수소이온의
활동도인 것입니다. 물 속에 존재하는 총 수소이온의 농도가 아니라 자유롭게 활동할 수
있는 수소이온만의 농도, 즉 수소이온의 활동도가 바로 pH 입니다.
pH의 시조
H+ 이온의 농도를 간단하게 표기하기 위하여 1909년 S.P.L. SØrensen에 의해 pH 개념
이 처음 도입되었습니다. 그리고 맥주의 신(Acidity)정도를 알아보기 위해서 pH를 측정하
였습니다. 알다시피 맥주를 만드는데는 효모가 사용되고 효소를 사용하게 되는데 특정효
소는 특정 pH 에서만 반응을 하기 때문이었습니다.
오래된 저널에서는 PH로 표기된 것도 볼 수 있습니다. pH는 power의 p와 수소의 원소 기
호인 H를 결합한 것으로 수소의 역지수라는 뜻을 가지고 있습니다.
pH가 19라는 말 들어보셨어요 ?
우리는 지금까지 pH 측정 범위는 0에서 14까지라고 배워왔고 또 그렇게 믿어왔습니다.
하지만 이것은 순수한 물에서의 pH 측정범위입니다. 실제 pH는 시료의 조건에 따라 마이
너스(-)값도 14 이상도 나올 수 있습니다. 물론 이러한 측정범위를 갖는 pH 미터를 사용
하셔야 합니다. 물은 열에너지에 의해 H+와 OH-로 해리되려는 경향이 있는데 아무리 적
은 시료라 하더라도 여기에는 수없이 많은 물분자가 존재하기 때문에 물 속에 존재하는
[H+]x [OH-]는 항상 일정합니다.
순수의 경우에는 H+와 OH-의 농도가 각 10-7 M으로 평형을 이룹니다. 하지만 유기용매
가 존재할 경우, 이들 유기분자들은 수소이온을 둘러싸 free 이온의 활동을 방해할 뿐만
아니라 수소이온과 결합하려는 힘이 강하기 때문에 물의 해리 상수는 훨씬 작아지게 됩니
다. 예를 들어, 메탄올의 경우 수소는 H+와 CH3O-로 해리되기 보다는 서로 결합된 형태
(CH3OH)로 존재하려는 힘이 크기 때문에 해리상수는 10-4 이하가 됩니다.
그러면 당연히 “free” 한 수소이온은 순수에서 보다 훨씬 감소하게 되고 pH는 증가하여 측
정 가능한 pH는 19.1까지 존재하게 되는 것입니다. 반대로 황산과 같은 극성의 강산이 존