[생화학] 1.5 : 물의 이온화(ionization) - 1

 

 

이번 포스트부터는 물의 이온화(ionization)에 대해 알아보자.

 

 

 

물은 사실 위와 같이 proton(H+)과 hydroxide ion(OH-)로 나누어질 수 있음.

 

 

다만 상온에서는 위 평형이 H2O쪽으로 잔뜩 치우쳐져 있고, 그 결과 이 반응의 Keq는 매우 적은 값임. (다만 이는 어디까지나 상온에서의 이야기이고, 온도가 달라질 시 위와 같은 dissociation 반응의 평형은 달라질 수 있음)

 

 

 

 

참고로 앞서 반응의 Keq는 위와 같이 표현할 수 있음.

 

 

 

그런데 solution 상에서는 H+가 생성되었다 하더라도, 이대로 계속 존재하지는 않고 거의 모든 경우 H2O에 의해 hydration(수화)되어서 H3O+(hydronium ion) 상태로 존재함.

 

 

 

 

한편 이 때 H3O+ ion은 주변의 물분자에 의해서 solvate된 채로 존재할 수 있음. 그리고 기본적으로 물 분자에서의 hydrogen bond와 covalent bond는 서로 interchangeable하므로 그 결과 위와 같이 H+가 물 분자 하나하나를 거쳐가며 매우 빨리 이동해가는, proton hopping 현상이 일어날 수 있음. 이 경우 마지막 위치에 있는 물 분자가 final proton acceptor가 될 것임.

 

 

 

 

한편, 앞서 살펴봤던 물 분자의 ionization 반응에서의 equilibrium constant를 다시 살펴보자. 일단 25도의 상온 환경에서는 Keq가 대략 1.8 x 10^(-16)M정도가 됨.

 

 

한편 상온에서의 물분자의 농도, 즉 [H2O]의 값은 대략 55.5임.

 

 

 

 

따라서 위와 같이 Keq x [H2O]를 Kw로 정의하게 될 시 이 값은 1 x 10^(-14)M^2이 됨.

 

 

그런데, 실제로 pure water에서는 H+, OH-가 형성된다 하더라도 동일한 양만큼 존재하고 있으므로 결과적으로 [H+], [OH-]는 둘 다 동일하게 10^(-7)M이 됨.

 

 

 

 

한편 pH는 위 그림 맨 위에 나타나 있는 것과 같이 -log[H+]로 정의됨. 그런데, 앞서 언급했듯 상온에서 Kw의 값은 1 x 10^(-14) M^2임. 이에 따르면, 결국 위 그림 맨 아래에 나타나 있는 것과 같이 pH + pOH의 값이 14라는 것을 알 수 있음. 이 식을 이용할 시, pH, pOH중 하나를 알고 있으면 나머지 하나를 계산할 수 있음.

 

 

 

당연히 neutral한 solution에서는 pH = pOH = 7이며, acidic한 경우 pH가 7보다 작은 값, basic한 경우 pH가 7보다 큰 값으로 나타남. 참고로 pH가 음수가 될 수도 있는데, [H+]가 1M보다 커지게 된 경우가 이에 해당함.

 

 

 

 

참고로, 위 표에 나타나 있는 것처럼 pH는 logarithmic한 scale이므로 1 unit이 변할때마다 실제로 [H+]는 10배씩 변화함.

 

 

 

 

 

 

위 그림에는 common한 liquid들의 pH 값이 나타나 있음. 이 중 특히 human blood가 neutral한 pH를 가지고 있는것에 주목하자. 우리 몸은 이렇듯 blood pH를 neutral하게 유지하기 위해 지속적으로 부단한 노력을 하고 있음.

 

 

 

다음 포스트에서는 약전해질(weak elctrolyte)이 물에 용해되는 경우에 대해 알아보자.