핵심 해설
이 문제는
산-염기 평형(Acid-Base Balance)의 기본 개념과
물의 이온곱(Kw, Ion Product of Water)을 이해하고, 주어진 pH에서
수소이온 농도([H+])와
수산화이온 농도([OH-])를 계산할 수 있는지를 묻는 기초 화학 문제예요. 약학에서 체액의 pH와 완충계(Buffer System)는 약물의 흡수, 분포, 대사, 배설(ADME) 및 안정성에 직접적인 영향을 미치는 매우 중요한 개념이에요.
핵심 개념 분석 (Key Concept)
1.
pH의 정의: pH = -log₁₀[H⁺]입니다. 따라서 [H⁺] = 10⁻ᵖᴴ 로 계산할 수 있어요.
2.
물의 이온곱(Kw): 순수한 물에서 [H⁺]와 [OH⁻]의 농도곱은 일정합니다. 25°C에서 Kw = [H⁺][OH⁻] = 1.0 × 10⁻¹⁴ 이라는 점이 핵심이에요.
3.
중성, 산성, 염기성 판단:
* 중성(pH 7.0): [H⁺] = [OH⁻] = 1.0 × 10⁻⁷ M
* 산성(pH < 7.0): [H⁺] > [OH⁻]
* 염기성(pH > 7.0): [H⁺] < [OH⁻]
정답 근거 (Answer Rationale)
주어진 조건은 pH 7.4, Kw = 1.0 × 10⁻¹⁴ 입니다.
1. [H⁺] 계산: [H⁺] = 10⁻⁷·⁴ ≈ 4.0 × 10⁻⁸ M
2. [OH⁻] 계산: Kw = [H⁺][OH⁻] = 1.0 × 10⁻¹⁴ 이므로, [OH⁻] = (1.0 × 10⁻¹⁴) / (4.0 × 10⁻⁸) = 2.5 × 10⁻⁷ M
3. 비교: [H⁺] (4.0 × 10⁻⁸ M) < [OH⁻] (2.5 × 10⁻⁷ M)
* [OH⁻]는 [H⁺]보다 약 6.25배(2.5 × 10⁻⁷ / 4.0 × 10⁻⁸) 큽니다. "100배 이상"이라는 표현(⑤번)은 틀려요.
따라서 "
핵심! [H⁺] < [OH⁻]이고 [OH⁻] ≈ 2.5 × 10⁻⁷ M이다"라는 ③번 진술이 정확합니다.
오답 분석 (Distractor Analysis)
*
혼동 주의! ①번 "[H⁺] > [OH⁻]": pH 7.4는 중성(pH 7)보다 염기성이므로 [H⁺]가 [OH⁻]보다 작아야 합니다. [H⁺] 값(4.0 × 10⁻⁸ M)은 맞지만 관계가 반대로 되어 있어요.
* ②번 "[H⁺] × [OH⁻] = 7.4 × 10⁻¹⁴": 물의 이온곱(Kw)은 온도에 의존하는 상수입니다. pH 값이 7.4라고 해서 Kw가 변하는 것이 아니에요. 25°C에서는 항상 1.0 × 10⁻¹⁴로 고정되어 있어요.
* ④번 "[H⁺] = [OH⁻]": 이 관계는 중성(pH 7.0)일 때만 성립합니다. pH 7.4는 중성이 아니므로 성립하지 않아요.
* ⑤번 "[OH⁻]는 [H⁺]보다 100배 이상 크다": 실제 계산 결과 약 6.25배이므로, "100배 이상"이라는 표현은 과장된 거예요.
연관 개념 정리 (Related Concepts)
*
생리적 pH: 정상 혈액의 pH는 매우 좁은 범위인 7.35~7.45로 엄격하게 조절됩니다. 이는 효소 기능, 단백질 구조, 약물의 이온화 정도에 결정적 영향을 미쳐요.
*
헨더슨-하셀바흐 방정식(Henderson-Hasselbalch Equation): pH = pKa + log([염기]/[산]). 이 방정식은 약물의 이온화 정도를 예측하고, 완충 용액을 이해하는 데 필수적이에요. 특히 약물의
생체이용률(Bioavailability)과
분포용적(Volume of Distribution)을 이해하는 데 활용됩니다.
개념 정리
| 상태 | pH 조건 | [H⁺] vs [OH⁻] 관계 | 혈액의 예 (pH 7.4) |
|---|
| 중성 | pH = 7.0 | [H⁺] = [OH⁻] = 1.0 × 10⁻⁷ M | - |
| 산성 | pH < 7.0 | [H⁺] > [OH⁻] | 산증(Acidosis, pH < 7.35) |
| 염기성 | pH > 7.0 | [H⁺] < [OH⁻] | 정상 혈액 / 알칼리증(Alkalosis, pH > 7.45) |
한눈에 비교!
| 용어 | 의미 | 관계식/값 (25°C) |
|---|
| pH | 수소이온 농도의 음의 로그값 | pH = -log₁₀[H⁺] |
| pOH | 수산화이온 농도의 음의 로그값 | pOH = -log₁₀[OH⁻] |
| Kw (물의 이온곱) | [H⁺]와 [OH⁻]의 농도곱 | Kw = [H⁺][OH⁻] = 1.0 × 10⁻¹⁴ |
| pH + pOH | pH와 pOH의 합 | pH + pOH = 14 (25°C에서) |
암기 팁
* "pH 7은 중성, 7보다 크면 염기성(알칼리), 7보다 작으면 산성"이라고 외우세요.
* Kw = 10⁻¹⁴ 이므로, pH와 pOH는 항상 14를 만들어요. pH 7.4라면 pOH = 14 - 7.4 = 6.6 이고, [OH⁻] = 10⁻⁶·⁶ ≈ 2.5 × 10⁻⁷ M으로 바로 계산할 수도 있어요.
국시 빈출 포인트
* 물의 이온곱(Kw)과 pH/pOH 관계는 기초 화학 파트에서 단순 계산형으로 자주 출제됩니다.
* 더 중요한 것은 이 개념이
약물의 이온화와 연결된다는 점이에요. 약물의 pKa와 체액의 pH에 따라 약물의 비이온화형/이온화형 비율이 결정되고, 이는 약물의
막 투과성(Membrane Permeability)과 직접 관련이 있어요.