[과학의 법칙] pH 계산 원리 알아보기

안녕하세요, 블로그 지기입니다. 맛있는 회를 먹을 때 레몬즙을 뿌리는 이유! 혹시 알고 계시나요? 바로 산성인 레몬이 염기성을 띄는 회의 비린내를 잡아주기 때문인데요. 우리는 이처럼 일상에서 산성과 염기성을 활용하며 살아가고 있습니다.

오늘은 산성과 염기성의 정도를 나타내는 수치인 pH와 관련된 모든 것을 알아볼까요?

 

 

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먼저 알아보기, 이온(Ion)

   

 

pH에 대해 알아보기 이전에 기본적으로 알아 두어야 할 것이 있습니다. 바로, 이온(Ion)인데요! 이온은 전기적으로 중성인 원자나 원자단이 전자를 잃거나 혹은 얻어서 전기를 띠는 입자를 뜻합니다.

보다 자세히 설명하자면 원자는 중심에 양전하를 띠는 양성자의 원자핵과 그 주위에 전기적으로 음전하를 띠는 전자로 이루어져 있는데요. 여기서 원자의 양성자와 전자는 그 수가 같기 때문에 원자는 전기적으로 중성입니다. 여기서 원자가 전자를 잃으면 양전하가 많아져 ‘양이온’이 되고 그 반대로 전자를 얻으면 음전하가 많아져 ‘음이온’이라고 합니다.

이온을 나타낼 때에는 원소 기호의 오른쪽 위에 표기하는데요. 전자를 n만큼 잃은 경우에는 n+라고 표기하고, n만큼 얻으면 n-로 표 표기합니다. 이때 n이 1인 경우에는 표기를 생략합니다. 예를 들어, 양이온인 암모늄 이온은 NH4+, 음이온인 염화 이온은 Cl-로 나타낸답니다.

 

 

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pH 7이 기준이 되는 이유

 

  

 

pH는 용매를 물로 하여 만들어진 용액인 수용액의 산성이나 염기성(알칼리성)의 정도를 나타내는 수치로 수소 이온 농도의 지수입니다. 수용액은 수소 이온(H+)과 수산 이온(OH-)이 공존하는데요. 이 둘의 농도가 같으면 중성, H+가 더 많으면 산성, OH-가 더 많으면 염기성이라고 합니다.

pH는 수소 이온의 농도에 음의 로그값  pH = - log[H+] 을 취한 것입니다. 보통 용액의 수소이온농도는 아주 작은 값이어서 다루기가 불편합니다. 이 불편함을 해결하기 위해 우리는 pH 지수를 도입하여 간단한 숫자로 용액의 산성도를 나타내는데요. 순수한 물의 경우 1기압 25℃에서 계산 값이 7이 나옵니다. 따라서 7을 중심으로 수용액의 pH가 7보다 작으면 산성, 7보다 크면 염기성입니다.

여기서 잠깐! pH의 값은 온도에 따라서 변하기 때문에, 25℃를 기준으로 측정한답니다.

 

 

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pH를 시각화하다, 리트머스 종이

   

 

이 세상에는 여러 수용액들이 존재하는데요, 각 용액이 산성인지 염기성인지 보다 간편히 구분하기 위해 우리는 지시약을 사용합니다. 지시약은 용액이 지니고 있는 산의 세기에 따라 색이 바뀌기 때문에 그 용액의 산도를 알려줍니다.

우리에게 가장 친숙한 지시약 중 하나는 리트머스 종이입니다. 약산성을 띄는 리트머스는 수용액 속에서 H+를 만듭니다. 산성 용액 속에는 더 많은 양의 H+가 존재하기 때문에 리트머스는 H+를 내놓지 못하고 H가 붙어있는 구조가 됩니다. H가 붙어있는 리트머스는 녹색 파장대의 빛을 주로 흡수하기 때문에 그 보색인 붉은색으로 나타나게 됩니다. 염기성 용액의 경우에는 그 반대로 H들이 H+로 해리되어 붉은 파장대의 빛을 주로 흡수하기 때문에 그 보색인 청색으로 나타나게 되는 것입니다.

리트머스 종이는 pH가 4.5 이하인 경우 붉은색, pH가 8.3 이상인 경우 파란색, 그리고 그 사이의 범위에서는 보라색을 나타냅니다. 빠르고 간단한 방법으로 산도를 알 수 있다는 장점이 있지만 정확한 pH 지수를 알지 못한다는 점이 다소 아쉽습니다. 

 

 

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더 넓은 범위를 나타내는 만능 지시약

   

 

앞서 설명한 리트머스 종이는 세부적인 pH 농도를 알기에는 무리가 있습니다. 이를 보완해 주는 것이 바로 만능 지시약인데요. 만능 지시약은 넓은 pH 범위에서 각 pH에 따라 다른 색으로 나타납니다.

만능 지시약은 산성을 나타내는 메틸레드와 BTB, 염기성을 나타내는 티몰블루와 페놀프탈레인 등의 여러 지시약들을 혼합 사용하여 제작되는데요. 여러 가지 지시약의 변색 범위를 이용하여 용액의 pH 범위를 나타내기 때문에 수용액의 대략적인 pH를 가늠하도록 도와줍니다.


오늘은 이온에서부터 pH와 pH의 복잡한 계산 원리, 그리고 지시약까지! 마치 만능 지시약처럼 넓은 범위의 지식을 다루어 보았습니다. 다소 어려울 수 있는 과학의 법칙을 리트머스 종이처럼 간단하게 설명해드렸는데 어떠셨나요? 한화토탈과 함께 알찬 시간이었기를 바라봅니다!

 

 

 

 

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