다양한 농도의 탄산염 완충액의 pH

이 게시물은 마지막으로 qugd에 의해 2016-9-26 13:49에 수정되었습니다. 탄산염 완충 체계는 전형적인 이원 약산의 알칼리성 범위를 조절하는 완충 체계로, 탄산의 2차 이온화 상수와 농도를 이용해 직접 계산할 수 있습니다. 농도가 그다지 높지 않은 경우, 계산된 값과 실제 값의 차이는 크지 않습니다. 분석화학 책을 찾아서 직접 계산해 보세요.아래는 간단한 이온화 평형과 농도 계산의 기본 내용입니다. 수용액 내에는 복잡한 탄산염과 중탄산염 화합물들의 평형이 존재하는데, 이는 일반적으로 다음과 같은 반응식으로 표시됩니다:
CO2 + H2O → H2CO3
H2CO3 → H+ + HCO3-
HCO3- → H+ + CO32-

위 세 가지 반응식을 종합하면 다음과 같습니다:
CO2 + H2O → (H2CO3) → H+ + HCO3- → H+ + CO32-

한 개의 CO2는 하나의 H2CO3만을 생성할 수 있으며, 하나의 H2CO3는 하나의 HCO3-만을 이온화시킬 수 있고, 하나의 HCO3-도 하나의 CO32-만을 이온화시킬 수 있습니다. 따라서 한 용액 내에서 CO2, HCO3-, CO32-의 농도가 어떻게 변하든, 이 세 물질의 농도의 합은 항상 일정한 상수 C와 같습니다. 즉, [H+] = 1입니다(A).

또한, K1 = [H+][HCO3-]/[CO2]이고(B), K2 = [H+][CO32-]/[HCO3-]입니다(C). 만약 (A)식에 나오는 세 분수를 종속변수로 하고 [H+]를 독립변수로 하여 세 방정식을 풀면, 서로 다른 [H+] 값(또는 pH 값)에 해당하는 용액 내의 CO2, HCO3-, CO32-의 농도를 구할 수 있습니다.25℃에서의 K1(4.45×10⁻⁷)과 K2(4.96×10⁻¹¹)는 이미 알려진 값입니다. 이 값을 세 개의 분수로 표시하고, pH 값을 가로축으로 하여 그래프를 그리면, 그림 1과 같이 25℃ 때 수용액 내의 탄산염 화합물과 pH 값의 관계가 나타납니다.http://www.mining120.com/WebEditor/uploadfile/20100902113400825.jpg
그림 1: 탄산의 이온화와 pH 값의 관계(25℃)
그림 1을 보면, pH가 4.4보다 낮을 때는 용액에 CO2만 존재하며, pH가 8.35보다 높을 때는 수용액에 CO2가 존재하지 않습니다；pH 값이 4.4~12.0일 때에만 중탄산염 이온인 HCO3－가 존재할 수 있습니다. pH 값이 8.35일 때 HCO3－의 함량이 가장 높아, 약 98%를 차지합니다；pH＞8.35일 때에만 수용액에 CO32－가 존재합니다