pKa에서 가장 이온화를 잘하는 이유는 무엇인가요?

Question

안녕하세요. 화학반응 중에서 산염기 반응이 나타날 때 pH가 pKa값일 때 가장 잘 일어난다고 하던데 그 이유가 무엇인지 궁금합니다.

Answer 1

안녕하세요.

질문해주신 것처럼 산-염기 반응에서 pH = pKa일 때 해당 화합물이 가장 잘 이온화된다는 말은, 산성 상태와 염기성 상태가 50:50으로 공존하기 때문에 산-염기 반응이 가장 활발히 일어나고, 완충 작용도 가장 커진다는 의미인데요, 어떤 산의 HA ↔ H⁺ + A⁻ 반응에서 pKa = -log Ka이며 즉, pH = pKa일 때 [HA] = [A⁻], 양성자화된 상태와 탈양성자화된 상태가 동일 농도로 존재합니다. pH = pKa일 때 이온화가 활발한 이유는 이온화 평형의 민감도 최대이기 때문인데요, Henderson–Hasselbalch 식에서 산-염기 반응이 일어날 때 양쪽으로 이동할 가능성이 똑같기 때문에 미세한 pH 변화에도 가장 큰 이온화 비율 변화가 나타납니다. 즉 [HA]도 많고 [A⁻]도 많기 때문에, H⁺를 주고받는 반응이 가장 빈번하게 일어나며 반대로 pH < pKa라면 대부분 HA 상태, pH ≫ pKa라면 대부분 A⁻ 상태라서 반응성이 낮습니다. 또한 산과 짝염기가 모두 충분히 존재해야 외부에서 산(H⁺)이나 염기(OH⁻)가 들어와도 잘 중화할 수 있으며 따라서 pH = pKa 부근에서 용액의 완충 효과가 가장 큰 것입니다. 감사합니다.