완충액은 소량의 산 또는 염기가 첨가될 때 pH의 변화에 저항하는 수성 시스템이며 약산과 그 공액 염기로 구성됩니다. 버퍼는 반응 중에 방출되는 양성자를 흡수하거나 반응에 의해 소비될 때 양성자를 방출하여 용액의 pH를 일정하게 유지합니다. 약산 또는 염기의 부분적으로 중화된 용액이 소량의 강산 또는 염기를 첨가할 때 pH 변화에 내성이 있다는 발견은 '완충액'의 개념으로 이어졌습니다.

켤레 염기는 양성자를 잃은 산입니다.
HA  ↔  H⁺ + A^-
산성  ↔  양성자 + 켤레 염기

공액산(conjugate acid)은 양성자(proton)를 얻은 염기입니다.
ᅡ + H⁺  ↔  H⁺ᅡ
염기 + 양성자  ↔  접합체 산

해리된 형태와 해리되지 않은 형태 사이의 평형이 확립됩니다.
예를 들어, 약한 아세트산은 물에서 부분적으로 해리되어 아세테이트 이온을 생성합니다.
채널₃COOH  ↔  H⁺ + 채널₃COO^-
해리되지 않은 아세트산, 수소 이온 및 해리된 이온은 용액에서 평형 상태로 존재합니다.

아세트산 나트륨은 또한 물에서 해리되어 동일한 아세테이트 이온을 생성합니다.
채널₃쿤나  ↔  Na⁺ + 채널₃COO^-
해리되지 않은 아세트산 나트륨과 나트륨 및 아세테이트 이온은 용액에서 평형 상태로 존재합니다.

따라서 아세트산과 아세트산 나트륨 혼합물의 수용액은 수소 이온과 아세테이트 염기의 결합을 통해 산의 첨가로부터 H ⁺ 이온을 흡수하여 아세트산을 생성 할 수 있습니다. 또한, OH^- 이온이 알칼리의 첨가를 통해 용액에 도입되면 산 분자 (H ⁺)와 결합하여 물을 생성합니다. 이러한 방식으로 시스템이 평형을 복원하려고 시도할 때 용액은 pH 값의 변화에 저항합니다. 이것이 버퍼 솔루션이 작동하는 방식입니다.

버퍼에 산을 추가하면 어떻게 됩니까?

약산과 그 켤레 염기의 평형 혼합물에 약간의 강산(더 많은 H+)이 첨가되면 평형은 Le Chatelier의 원리에 따라 왼쪽으로 이동합니다.

버퍼에 베이스를 추가하면 어떻게 됩니까?

유사하게, 혼합물에 강한 염기가 첨가되면 수소 이온 농도는 첨가된 염기의 양에 대해 예상되는 양보다 적게 감소합니다. 이는 염기와의 반응에서 H⁺ 의 손실을 수용하기 위해 반응이 오른쪽으로 이동하기 때문입니다.

약산과 그 켤레 염기로 구성된 완충 용액은 산성 완충액으로 알려져 있으며 pH < 7을 갖습니다. 아세트산(약산)과 아세트산나트륨(공액염기)으로 만든 완충액은 산성 완충액이며 pH는 약 4.75입니다.
약한 염기와 그 공액산으로 구성된 완충 용액은 알칼리 완충액으로 알려져 있으며 pH > 7을 갖습니다. 알칼리성 완충액의 예로는 pH가 9.25인 수산화암모늄(약염기)과 염화암모늄(공액산)의 수용액이 있습니다.

완충 용액은 pH가 조사 중인 시스템 또는 용액의 pH와 유사할 때 가장 잘 작동합니다. 인간 생물학에서 효소를 연구하려면 혈액의 pH, 즉 7.35에서 7.45와 일치하는 시스템이 필요하며, 그렇지 않으면 효소가 올바르게 작동하지 않습니다. 버퍼 시스템의 pH가 원하는 범위를 벗어나면 분석에도 부정적인 영향을 미칩니다.

따라서 특정 pH의 완충 용액을 준비할 수 있어야 하며 이는 다양한 방법으로 수행할 수 있습니다.

• pH 조정
  결정성 산 또는 염기는 먼저 최종 필요한 완충 용액 부피의 약 60-70%에 해당하는 부피의 물에 용해됩니다. pH를 테스트한 다음 조정합니다. 결정산을 사용하는 경우 조사 중인 시스템을 방해할 수 있는 이온을 생성하지 않는 염기를 사용하여 pH를 조정합니다. 결정성 염기를 사용하는 경우 적절한 산을 사용하여 pH를 조정합니다. 원하는 pH에 도달하면 버퍼 용액의 부피에 물을 채워 필요한 부피를 얻을 수 있습니다.
  
  
• 산 용액과 염기 용액 혼합
  이 방법에서는 산 또는 염기의 용액이 관련 염의 용액과 혼합됩니다. 소스 용액의 농도는 필요한 완충 용액과 동일해야 합니다. 용액은 최종 완충 용액에서 다른 pH 값을 얻기 위해 다양한 비율로 혼합될 수 있습니다. 또는 한 용액을 다른 용액에 추가하는 동안 pH를 모니터링할 수 있습니다.
  
  
• Henderson-Hasselbach 방정식 사용
  Henderson-Hasselbach 방정식은 해리 상수 pK a를 사용하여 완충 용액의 pH를 추정하는 데 사용할 수_있습니다. 약산(HA)이 용액에 있고 수소 이온(H⁺)과 그 켤레 염기(A^-)로의 해리가 평형 상태에 있을 때 해리 상수는 이 평형점에서 산의 강도를 측정한 것입니다. Henderson-Hasselbach 방정식은 다음과 같습니다. 



여기서, pKa는 약산의 해리 상수입니다.
[A-]는 평형에서 켤레 염기의 농도입니다
[HA]는 평형 상태의 산 농도입니다.

켤레 염기와 산의 평형 농도가 동일한 경우, pH는 해리 상수와 동일해집니다. 이 시점에서 버퍼 솔루션은 최대 버퍼링 기능을 제공합니다.
Henderson-Hasselbach 방정식은 pH를 직접 측정하여 약산의 해리 상수를 측정하는 데에도 사용됩니다

범용 완충액은 여러 산-염기 쌍의 조합으로 구성됩니다. 이를 통해 범용 버퍼는 더 넓은 범위에서 용액의 pH 값을 유지할 수 있으므로 더 많은 응용 분야에서 사용할 수 있습니다.

• 버퍼 준비 SOP 생성
  버퍼 준비 프로세스를 문서화하고 일관성과 재현성을 보장하기 위해 모든 사람이 동일한 절차를 따르도록 하는 것이 좋습니다. SOP에는 사용된 재료에 대한 세부 정보와 성분을 추가하고 pH를 측정하는 시기와 방법에 대한 정확한 단계가 포함되어야 합니다. SOP에는 아래에 언급된 많은 사항이 포함될 수도 있습니다.
  
  
• 보호복을 착용하십시오
  예를 들어 보호 안경 및 의복과 같은 적절한 개인 보호 장비(PPE)를 착용해야 하며, 특히 강산 또는 염기로 작업할 때는 더욱 그렇습니다.
  
  
• 미생물 오염 확인(특히 생물학적 응용 분야에서)
  버퍼를 사용하기 전에 용기에 미생물 오염이 있는지 확인하십시오. pH가 중성에 가까운 완충 용액은 특히 오염에 취약합니다. 용액에 약간의 탁함이 보이거나 바닥에 가라앉은 오염 물질이 보일 수 있습니다.
  
  
• pH 측정기를 올바르게 사용하십시오.
  정확한 pH 측정을 보장하기 위해 pH 측정기를 정기적으로 교정하고 유지보수해야 합니다. 전극은 사용하기 전에 적절하게 준비되어야 하며 전극 접합부가 올바르게 잠기도록 충분한 완충 용액을 사용해야 합니다. 판독하기 전에 pH 값이 안정될 때까지 기다렸다가 나중에 증류수로 전극을 헹굽니다. pH 측정기를 주변 온도에서 사용하거나 온도 프로브가 통합된 전극을 사용하십시오.
  
  
• 온도에 주의하십시오
  해리의 양은 온도에 따라 달라질 수 있습니다. 따라서 버퍼 용액은 분석을 수행할 때와 동일한 온도에서 준비해야 합니다. 또한 전극을 교정하는 온도가 측정하는 온도와 동일한지 확인하십시오.
  
  
• 농도에 주의하십시오
  원료 완충액을 분석에 사용하기 위해 필요한 농도로 희석하는 것이 일반적입니다. 그러나 농도를 변경하면 해리의 양에 영향을 줄 수 있습니다. pH는 수소 이온(H⁺⁾의 척도이므로 해리의 변화로 인해 pH가 변할 수 있습니다. 희석 후 버퍼를 사용하기 전에 pH를 다시 확인해야 합니다.