3. Making Buffer Solution

금일 포스팅 할 주제는 바로 "Making Buffer solution"입니다.

 

 Buffer는 완충 용액으로도 부르며 일반적으로 산이나 염기를 가해도 그 용액의 pH가 크게 변하지 않는 용액을 의미합니다.

이는 pH를 일정하게 유지해야 하는 다양한 실험에서 사용합니다. 예컨대, 실험 중 용액 내의 pH가 급격하게 변하게 된다면, 실험에서 사용하는 Sample이 파괴되거나 변형이 될 수 있습니다. pH의 변화로 인해 실험이 실패하게 되는 것이죠. 때문에 Buffer solution을 이용하여 실험이 요구하는 pH값에 맞게 pKa 계산을 하고 그에 맞는 Buffer를 제작하여 사용하는 것입니다. 

 

 실험 설명에 앞서 간단하게 Introduction을 설명하고 시작하겠습니다.

용액(solution) - 둘 이상의 물질이 균일하게 섞인 액체를 의미

용매(solvent) - 녹이는 물질 / ex) 소금물에서는 물이 용매입니다! (물로 녹였으니 용매가 물인 수용액 이겠네요!)

용질(solute) - 녹아있는 물질 / ex) 소금물에서는 소금이 용질입니다!

pH척도(pH scale) - 용액의 산성도나 염기성도를 나타낸 것으로 범위는 0~14까지입니다. 0은 가장 강산 / 14는 가장 염기성을 나타냅니다. pH 한 단위는 수소 이온 농도의 10 배수 변화가 있습니다(ex. pH가 1인 용액과 pH가 2인 용액은 10^1배의 수소이온 농도 차이가 있고, pH가 1인 용액과 pH가 3인 용액은 10^2개의 수소이온 농도 차이가 있습니다). 

완충제(buffer solution) - pH변화를 최소화하는 물질. (수소이온이 과다하면 수소이온을 받아들이고, 반대로 부족하면 내놓아서 일정 수준을 유지시켜줍니다.)

 

 

 본 실험은 Buffer solution에 대한 실험으로서, 생명과학 분야 실험에서 많이 이용되고 기본이 되는 개념인 Buffer solution에 대하여 알아보고 이를 통하여 pH 변화 그리고 pKa값을 구하여 보는 것이 실험의 목적입니다.

 

 실험의 순서는 아래와 같습니다.

Experiment 1 - Titration of Vinegar

a. pH미터기를 보정해 주고, pH를 모르는 Vinegar Solution 10ml을 준비합니다.

b. 0.18M의 NaOH 용액을 20ml씩 vinegar solution에 섞어주며 pH 변화를 확인합니다.

(본 실험에서 b 순서 진행 중 40ml 투여 이후에 급격한 pH 변화로 인해 10ml씩 추가 투여로 변경하였습니다!)

c. Vinegar solution에서 NaOH 투여에 따른 pH를 기록하며, buffer range를 벗어났다고 판단될 정도까지 실험을 진행합니다. (buffer range는 완충범위로서, buffer solution이 효과적으로 작용하는 pH 범위를 의미합니다.)

d. 실험 중 얻은 데이터를 기반으로 X축은 첨가한 NaOH의 ml, Y축은 pH미터기로 측정한 pH값으로 그래프를 그려줍니다.

 

 여기까지가 첫 번째 실험인 Titration of Vinegar 실험입니다.

간단하게 데이터부터 확인해 보고 넘어가겠습니다!

첫번째 실험 결과값.

실험 결과로는 위의 표처럼 나왔습니다. 0ml 첨가 시에는 최초 농도를 모르는 아세트산 수용액 10ml의 pH를 확인한 것입니다. 위의 결과를 바탕으로 보았을 때, buffer range는 4.17~5.36 정도로 보입니다. 즉, pKa 값은 (4.17+5.36)/2 = 4.77이 되겠네요! (pKa = 약산의 해리 정도를 나타내는 값 / 산의 크기가 셀수록 pKa값 역시 큰 값을 가집니다.)

실험의 데이터를 기반으로 그려진 그래프

 그래프 상 보이는 완만한 구간이 buffer range로 보입니다. (표로 보는 것보다 그래프로 보는 게 훨씬 가시성이 좋습니다!)

첫 번째 실험에서는 Vinegar solution의 pH는 1.96 정도이며, NaOH는 Total 70ml 투입하였습니다. 

마지막으로 Vinegar solution의 pH 변화가 시작될 때의 수산화이온 농도를 계산해 보자면, 실험에서 buffer range는 pH 4.17에서 4.99까지 라고 할 수 있습니다(pH = 4.99). pOH = -log10 [OH-]이며, pH + pOH = 14이므로 pOH는 9.01이며 [OH-]는 1*10^(-9.01)이라고 할 수 있습니다.

 

 그럼 다음으로 두 번째 실험에 대하여 아래에 순서를 적어보겠습니다.

Experiment 2 - Preparation of Tris buffer.

a'. pH 7.4의 0.4M Tris solution 50ml을 만들기 위하여 Tris의 몰 질량인 121.14g/mol을 이용하여 Tris powder의 투여량을 계산한다. (121.14g/mol*0.4M*0.05L = 2.4228 = 2.4g)

b'. 만들고자 하는 Tris-buffer의 Total volume인 50ml보다 적은 양의 물에 2.4g의 Tris powder를 넣고 잘 섞어준 후, pH 미터기를 이용하여 pH를 측정한다.

c'. b'의 과정에서 측정한 Tris-buffer의 pH가 7.4를 기준으로 더 높으면 HCL solution을, 더 낮으면 NaOH solution을 첨가하여 pH를 7.4로 맞춰준다.

d'. 맞춰진 buffer에 증류수를 첨가하여 Total volume을 50ml로 맞춰준 뒤, pH미터기를 이용하여 pH를 측정한다.

 

 이렇게 하면 두번째 실험인 Preparation of Tris buffer도 끝입니다.

두 번째 실험에서는 실험실에서 자주 이용되는 물질 중 하나인 buffer solution으로 사용되는 Tris-base form을 보고 온도에 따른 pH 변화를 확인해보았습니다(Tris의 경우 온도에 따라 pH 변화가 다르다는 특징이 있습니다).

또한 두번째 실험에서는 Tris powder 2.4g과 Starting volume은 Total volume인 50ml 보다 적은 20~25ml 정도로 시작하였으며, buffer를 만들 때는 20℃의 온도에서 만들었습니다. 마지막으로 완성된 buffer solution을 10분 동안 ice에 넣고 pH와 온도를 측정하였을 때는 4℃의 온도와 pH = 8.3이라는 결과가 나왔습니다! (온도에 따라서 pH가 변하는 것을 확인할 수 있었습니다.)

 

이렇게 buffer solution에 관한 2가지 실험을 진행하였습니다. 거의 모든 생물학적 과정은 pH에 의존하고 있으며 pH의 작은 변화가 과정의 반응속도에 큰 변화를 일으킵니다. 이를 위하여 생물체 내 체액은 대부분 buffer range의 성질을 갖고 있습니다.

 

Reference : 최신분석화학 2판 / 손무정 외 4인 / 신광문화사 / p.74, 87, 107

레닌저 생화학 6판 / 넬슨 / 월드사이언스 / 2014 / p.63

맥키의 생화학 6판 / 맥키 / 사이플러스 / 2019 / p.230