개념 한 쪽
완충용액은 약산과 그 짝염기를 섞어 pH 변화를 억제하도록 만든 용액이다. 시험에서 자주 나오는 내용은 어떤 산의 pKa 근처에서 완충능이 최대라는 원리, pH 표준완충액들의 대표값 비교, % 농도(w/v%)를 몰농도(M)로 환산하는 계산, 그리고 흡광광도법에서의 흡수셀 세척법이다.
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출제기준 단원 「완충용액」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 흡수셀 세척 방법 암기 | 1 | 흡광광도법에서 흡수셀을 어떤 용액에 얼마간 처리하는지 규정 문구를 고르기 |
| %농도 → 몰농도 계산 | 1 | w/v% 표기를 몰농도로 바꾸는 계산 절차와 결과를 구하기 |
| %농도 → 몰농도 계산(응용) | 1 | 다른 % 수치에 대한 w/v%→M 환산 절차와 결과를 구하기 |
완충용액은 약산과 그 짝염기(또는 약염기와 그 짝산)를 혼합하여 만든 용액으로, 그 산의 pKa 근처에서 pH가 잘 변하지 않도록 유지하는 역할을 한다. 일반적으로 '완충 pH ≈ 산의 pKa ± 1' 원리를 사용해 문제의 pH에 맞는 산-염 쌍을 선택한다.
대표적인 완충체별 pH 구간을 정리하면 초산염(아세트산-아세트산나트륨)은 pKa ≈ 4.76으로 pH 4~5 부근에서 완충 작용을 하며, 인산염은 중성 부근(약 6.86~6.9), 붕산염은 알칼리성 부근(약 9~9.4)에서 사용한다. 수산염 계열과 수산염·강산성 표준액은 각각의 사용 영역이 다르므로 pH 수치와 산 이름을 매칭하는 유형에서 오답으로 걸러진다.
시험에서 쓰는 pH 표준완충액은 종류마다 고유한 pH값을 가지므로 숫자를 외워 순서를 비교하는 문제가 잦다. 예컨대 프탈산염(약 pH 4), 인산염(약 pH 6.86~6.9), 붕산염(약 pH 9~9.4) 순서로 pH가 커진다. 온도 조건이 제시되면 해당 온도 기준의 대표값을 확인해서 판단해야 한다.
농도 표기 관례도 중요하다. 시험에서 '%'만 표기하면 관례상 W/V%를 의미하여 용액 100 mL당 용질 g수를 뜻한다. 따라서 %표기를 몰농도(M)로 환산할 때는 'g ÷ 분자량 = mol' 후 'mol ÷ 용액 L = M' 순서로 계산한다. 이 순서를 고정하면 2단계 계산 오류를 줄일 수 있다.
흡광광도법 관련 실무 항목으로 흡수셀(큐벳) 세척법이 규정되어 있다. 흡수셀은 탄산나트륨용액(2 W/V%)에 소량의 음이온계면활성제를 가한 용액에 담그고, 필요하면 필요한 경우 섭씨 40~50도 범위에서 약 10분 동안 가온하여 세척하라고 규정한다. 이 절차는 광학면의 손상과 오염을 줄이는 목적이다.
1) % → M 환산 예시 1: 20% NaOH의 몰농도 계산 절차를 보여준다. 20%(w/v)는 용액 100 mL에 NaOH 20 g이 들어 있음을 뜻하므로 몰수 = 20 ÷ 40 = 0.5 mol이다. 부피는 0.1 L이므로 몰농도 = 0.5 ÷ 0.1 = 5 M이다.
2) % → M 환산 예시 2: 30% NaOH의 몰농도는 용액 100 mL에 NaOH 30 g이므로 몰수 = 30 ÷ 40 = 0.75 mol이고, 부피 0.1 L로 나누면 몰농도 = 0.75 ÷ 0.1 = 7.5 M이다.
3) 산-염 매칭 원리 적용 예: pH 4.0 부근에서 조제되는 완충용액은 산의 pKa가 약 4인 계열을 선택하면 된다. 아세트산의 pKa ≈ 4.76이므로 아세트산-아세트산나트륨 계열의 아세트산염 표준액이 pH 4~5 부근에서 완충 작용을 하여 pH 4.0 부근 표준액으로 적합하다.
[ ( ① )에 소량의 ( ② )를 가한 용액에 흡수셀을 담가 놓고 필요하면 40∼50℃로 약 10분간 가열한다.] 위의 내용은 흡광광도법에서 사용되는 흡수셀의 세척방법에 대한 내용이다. ( )안에 알맞는 것은?(단, ① - ② 순서임)
정답 ④ · 흡광광도법에서 사용하는 흡수셀을 세척할 때는 강력한 세정액이 필요합니다. 폐기물 공정시험기준에 따르면 흡수셀 세척 방법은 '탄산나트륨용액(2W/V%)에 소량의 음이온계면활성제를 가한 용액에 흡수셀을 담가 놓고 필요하면 40~50℃로 약 10분간 가열한다'로 규정되어 있습니다.
흡수셀 세척은 탄산나트륨용액(2W/V%)+음이온계면활성제 용액에 담그고 40~50℃ 10분 가열이다.
20% 수산화나트륨(NaOH)은 몇 몰(M)인가? (단, NaOH의 분자량 40)
정답 ④ · 20% 수산화나트륨(NaOH) 용액은 보통 100g의 용액 중 NaOH가 20g 포함되어 있음을 의미합니다. (시험 기준에서 w/v%로 해석하면 100mL 당 20g) 수산화나트륨의 분자량은 40(Na=23, O=16, H=1)이므로, 20g의 NaOH는 20 / 40 = 0.5몰에 해당합니다.
w/v%는 용액 100mL당 용질 g수이므로 20% NaOH는 0.1L에 0.5mol → 5M이다.
30% 수산화나트륨(NaOH)은 몇 몰(M)인가? (단, NaOH의 분자량 40)
정답 ④ · 30% 수산화나트륨 용액의 몰농도를 계산하는 문제이다. 30%는 100mL당 30g에 해당하므로 용질의 몰수는 30 ÷ 40 = 0.75몰이다.
30%(w/v)는 100mL당 30g → 30÷40 mol을 0.1L로 나누면 7.5M이다.
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