12. 생물학 개론, 작은 분자 - 물-이온화, pH, 산과 염기

12. 생물학 개론, 작은 분자 - 물-이온화, pH, 산과 염기

목차

12. 생물학 개론, 작은 분자 - 물-이온화, pH, 산과 염기

 

 

물-이온화, pH, 산과 염기

 

   비록 물은 공유결합 분자로 존재하나, 물방울 중 극히 적은 부 분의 물은 가역적으로 수소 이온(HF)과 수산화 이온(OH , hydroxide ion)으로 해리된다. 이와 같은 사실은 물 분자가 쉴 새 없이 수소 결합을 파괴하고 이온을 형성하며 또한 이 이온들은 계속 재결합 하여 다시 중성 분자를 형성함을 의미한다. 물 분자는 5억 5000만 개의 분자당 한 분자 정도가 이온으로 해리된다.

   순수한 물에서 수소 이온의 농도는 1×107 몰이며, 어떤 물질 의 1몰(mole)은 그 물질의 분자량(달톤)을 그램으로 환산한 값과 동일하다. 예를 들어 수소 이온 1몰은 1그램이며, 순수한 물의 수소 이온 농도는 1리터당 1×10 그램 정도이다. 순수한 물의 수산화 이온 농도도 수소 이온의 농도와 동일하다.

   실제로 수소 이온은 전자가 없는 양성자에 해당하며, 이와 같은 수소 이온은 다른 물 분자와 결합하여 옥소늄 이온(oxonium ion, HO)을 형성한다. 일반적으로 우리가 이야기하는 수소 이온은 옥소늄 이온을 지칭하는 것임을 기억해야 한다. 물 분자의 해리와 결합은 아래와 같이 진행된다.

 

 

위의 반응식은 대부분의 물이 물 분자의 상태를 이루고 있음을 의미하며, 일반적으로 다음과 같이 표기하기도 한다.

 

 

   어떤 물질은 물 속에서 상당한 양의 수소 이온을 내놓기도 하는 데, 이러한 물질을 산(acid)이라고 한다. 예를 들어 위산(stomach acid)은 묽은 염산이며, 순수한 염산(HCI)은 기체로서 물에 녹으면 H와 CI의 이온으로 완전히 해리된다.

 

 

   어떠한 산이 얼마나 강한가는 그 물질이 가지고 있는 수소 이온의 농도에 달려 있다. 염산의 분자량은 36이므로 1몰의 염산은 36그램이고, 1리터의 물에 36그램 의 염산이 녹게 되면 리터당 1몰의 농도를 가진 염산 용액이 만들어진다.

   실제로 염산은 완전히 이온화하므로 염소 이온(CT)과 수소 이온(H)의 농도는 각각 1몰이 된다. 이 경우 수소 이온의 농도는 순수한 물의 천만 배에 해당하는 수소 이온을 갖게 된다.

   산성 용액의 세기, 또는 산도(acidity)를 표시하는 간단한 방법은 pH이다. 이 표시법은 용액의 수소 이온 농도를 표시하는 방법이다. 예를 들어 좀 신맛이 있는 레몬 주스의 수소 이온 농도가 0.01 몰이라면, 이를 10-2몰로 표시할 수 있으며, 이는 pH 2에 해당한다. pH로 표시하면 순수한 물은 pH 7이다. pH가 낮을수록 용액의 산도는 증가한다.

염기(base) 또는 알칼리(alkali)는 물에 용해시켰을 때 양성자를 수용하고 수산화 이온(hydroxide ion, OH)을 내놓는 물질을 말한다. 수산화나트륨(NaOH)은 우리 에게 잘 알려진 강염기이며, 또 다른 염기인 암모니아는 수산화 이온을 가지고 있 지 않지만, 물로부터 양성자를 수용하여 암모늄 이온과 수산화 이온을 형성한다.

 

                                                                     NH3  +   H2O   →   NH4+    +    OHT 

                                                                   암모니아       물       암모늄 이온   수산화 이온

 

   용액은 산성, 알칼리성 또는 중성일 수 있으나 산성과 알칼리성의 두 가지 성 길을 동시에 가질 수는 없으며, 이것은 수산화 이온과 수소 이온이 만나는 즉시 결합하여 물을 이루기 때문이다. 중성인 순수한 물의 수소 이온과 수산화 이온은 리터당 각각 10-7 몰이나 수소 이온의 농도가 위산과 같이 10-1몰까지 증가하게 되 면 수산화 이온의 몰 농도는 10-3로 떨어진다. 용액 중의 수소 이온과 수산화 이 온의 몰 농도 지수의 합은 언제나 -14가 된다. 약한 알칼리인 바닷물의 수산화 이온 농도는 10-6이며 수소 이온 농도는 10-8이므로 (6) + (-8) = -14의 지수합 이 가능하고 바닷물의 pH는 8.0이 된다.

   대부분의 생명 현상이 일어나는 화학적 환경의 pH는 6~8에 속한다. 예를 들 어 사람의 혈액의 pH는 약 7.4이며 세포질의 pH는 대부분 중성 부근이다. 예외 는 위액과 귤같이 신 과일의 즙 등이며 식물의 체액은 대개 pH 5~7 정도이다.

읽어보면 좋은 글

• 2020/09/10 - [생물학 정리] - 7. 생물학 개론, 작은 분자 - 개념과 정의
• 2020/09/11 - [생물학 정리] - 8. 생물학 개론, 작은 분자 - 전자와 원소의 화학적 성질
• 2020/09/12 - [생물학 정리] - 9. 생물학 개론, 작은 분자 - 화학 반응
• 2020/09/12 - [생물학 정리] - 10. 생물학 개론, 작은 분자 - 화학결합과 SPONCH 원소
• 2020/09/14 - [생물학 정리] - 11. 생물학 개론, 작은 분자 - 물 분자와 수소결합