-> 많은 생물은 세포와 그 주변의 수소 이온 농도를 정밀하게 조절하는 기제를 갖추고 있음.

그렇기 때문에 우리 몸에서는 혈액의 수소 이온 농도는 40nmol/L(44~36nmol/L), pH는 7.4 ± 0.05로 항상성을 유지함. 이를 산-염기 항상성이라고 함.

산-염기 항상성 조절

체세포 내에서 만들어진 생리적 범위 내의 산과 알칼리는 세포내액에서 조절됨. 하지만 그 너무 많은 양의 산과 알칼리는 세포 외액으로 유출.

(위 에서 말한 것처럼 혈액 내의 pH는 일정한 범위를 유지해 야 하기 때문에 여러 방법으로 산-염기 농협도를 조절합니다.)

1) 혈액에서의 완충 작용

2) 폐에서의 이산화탄소 배출

3) 신장에서의 산과 알칼리 배설

1) 혈액에서의 완충 작용

완충제(buffer)란 용액에 산 또는 염기를 첨가했을 때 수소 이온을 유리하거나 결합함으로써, 수소 이온 농도의 현저한 변화를 막는 물질.

즉, 용액에 상당한 산 또는 염기의 첨가에도 pH를 비교적 일정 하게 유지시켜주는 물질인데, 약산과 그 염의 혼합물로 구성되어 있다

체액에는 중탄산계, 인산계, 단백질계 세 종류의 완충제가 존재. 이때 중탄산계는 가장 중요한 세포 외 완충계로 작용 하고, 인산계와 단백질계는 주로 세포 내에서 작용.

우선 화학1에 나오는 아직 배우지 않은 개념부터 보자면,

브뢴스테드-로리 산 염기 이론에서

산: 다른 물질에게 수소 이온(H+)을 내놓는 물질

염기: 다른 물질로 부터 수소 이온(H+)을 받는 물질

짝염기: 산이 H+을 내놓아 생성된 물질

짝산: 염기가 H+을 받아 생성된 물질

짝산과 짝염기 사이의 관계: 수소 이온의 이동으로 산과 염기가 되는 한 쌍의 산과 염기

요약하면 이런 화학 반응으로 나타낼수 있어요

산 + 염기 ⇄ 짝염기 + 짝산

정반응에서의 산과 역반응에서의 염기, 정반응에서의 염기와 역반응에서의 산의 관계이다.

정반응: 화학반응식에서 반응물이 생성물로 되는 반응 (오른쪽으로 진행)

역반응: 화학반응식에서 생성물이 반응물로 되는 반응 (왼쪽으로 진행))

혈액이 이산화탄소 기체에 노출되면, 이산화탄소 중 일부기 용해된다. 용해된 이산화탄소(O₂)는 물에 녹아 탄산(H₂CO₃)을 형성

CO2 + H2O <=> H2CO3

탄산은 약산으로, 수소 이온과 중탄산염 이온으로 해리되어 용액의 pH를 변화시킨다.     (해리(dissociation): 용매에 물질이 녹을 때 이온을 발생시키는 것)

H2CO3 <=> HCO3- + H+

정리하면, 이산화탄소(CO2)는 물(H2O)과 반응하여 탄산(H2CO3)을 형성하며 탄산은 빠르게 해리되어 중탄산염 이온(HCO−

3)과 수소 이온(H+)을 만든다. 이 과정을 식을 통해 나타내면 이렇게 표현할 수 있으므로 가역적인 반응이다.

가역반응: 반응 조건에 따라 정반응과 역반응이 모두 일어날 수 있는 반응

CO2 + H2O <=> H2CO3 <=> HCO3- + H+

다른 완충계와 마찬가지로 pH는 약산과 그 짝염기에 의해 균형이 맞추어진다. 즉 완충계로 들어온 과도한 산이나 염기는 중화된다.

혈액에 강산 유입 시

수소이온+ 중탄산이온이 반응하여 탄산이 생성되는 반응이 촉진되어 pH가 일정하게 유지된다.

또한, 탄산의 증가로 인해 탄산이 이산화탄소와 물로 분해되는 반응이 촉진되어 생성된 이산화탄소가 몸 밖으로 배출된다.

혈액에 강염기 유입 시

수산화이온가 수소와 반응하여 물이 생성되어 수소인온이 감소한다.  따라서, 탄산이 수소이온과 중탄산염이온으로의 분해가 촉진되어 pH가 일정하게 유지된다.

또한, 탄산의 감소로 인해 이산화탄소 + 물이 반응하여 탄산이 되는 반응이 촉진되어 체내 이산화탄소가가 줄 어든다.

이 방정식을 사용하면 완충 용액의 pH를 정량적으로 계산 가능

pKa: 약산의 산성도. 탄산의 경우 6.1

약산 짝염기

약산

즉 산 분에 염기는 약산과 염기의 농도 비이고 약산과 염기의 비에 따라 pH가 조절된다.

중탄산이온:탄산 = 20:1일 때  정상 pH 농도인 7.4에 가까운 값을 얻을 수 있다.

(((((방정식을 통해 완충 작용으로 어떻게 pH가 조절 되는지 더 잘 이해 가능)))

또한 이 방정식은 산과 염기의 농도 비율을 통해 용액의 pH를 계산할 수 있게 해줍니다.

짝염기의 농도가 약산 보다 ㅋ

로그 값이 양수니까

→ pH는 pKa보다 더 커짐

pKa가 6.1이라면, pH = 7.1

염기성 쪽으로 기운 상태라는 것을 알 수 있다.

약산의 농도가 짝염기의 농도 보다 높을 때

→ 로그 값이 음수니까

→ pH는 pKa보다 작아짐

pKa가 6.1이라면, pH = 5.1

산성 쪽으로 기운 상태라는 것을 알 수 있다.

헨더슨-하셀바흐 방정식을 통해

완충 용액이 어느 쪽으로 기울었는지 수학적으로 판단할 수 있고 pH 변화 방향과 크기를 예측할 수 있다.

결과적으로 체내이서 이 비율을 조절함으로 건강한 7.4 정도의 pH를 유지할 수 있다는 것이 과학적으로 설명된다.

2.내용(대본)

3.느낀 점

-화학결합

최외각 원자가전자의 '만남'으로 이루어짐

공유결합을 하는 수소의 결합을 살펴보면 수소 원자 간의 오비탈이 서로 겹쳐있음

공유결합은 원자 간 오비탈의 겹칩, 즉 만남을 통해 발생함 -> 두 원자가 전자를 공유하려면 서로 가까운 거리여야 하기 때문에 이런 현상이 발생함

-메테인

탄소를 중심으로 하여 네 개의 수소가 '정사면체' 형태로 존재

정사면체 형태 -> 모든 수소가 탄소에 똑같은 결합길이와 결합각으로 존재

탄소의 원자가전자 4개로 1개의 2s, 2개의 2p오비탈 존재함

수소의 원자가전자는 1개로 1개의 1s 오비탈이 존재함

원자가전자의 결합이 이루어지려면

수소는 자신의 원자가전자가 있는 1s 오비탈을 내세워 결합을 진행할 것

(탄소 원자가전자 4개에 수소가 각각 한 개씩 결합  진행)

하지만, 탄소의 2s 오비탈에는 이미 두 개의 전자가 서로 쌍을 이루고 있음

-> 수소의 원자가전자가 결합을 이루기 힘듦

-> 탄소 2s 오비탈에 있는 전자 한 개가 약간의 에너지를 얻어 2p 오비탈로 이동

-> 들뜬 상태가 되면서 2s오비탈에 전자 1개, 3개의 2p오비탈에 각각 전자 1개씩 위치

-> 수소가 탄소와 결합을 이루기 쉬워짐

그렇지만, 이렇게 결합을 이루게 되면 메테인의 정사면체 구조는 말이 안됨!

왜냐하면?

1. 2s오비탈은 2p오비탈보다 에너지 준위가 적어 2p오비탈과 결합한 수소들보다 결합 길이가 짧음

2.2p 오비탈은 각각 x축, y축, z축에 존재하게 되는데 이들은 90도의 차이를 가지기 때문에 정사면체의 결합각인 109.5도가 성립되지 않음

이와 같은 문제를 해결하기 위해 오비탈 혼성화 사용

오비탈 혼성화란? 결합을 형성하기 위해 s오비탈과 p오비탈을 섞어 에너지 준위가 기존의 s오비탈과 p오비탈 사이에 있는 새로운 오비탈을 형성하는 것

탄소의 2s오비탈 1개와 2p오비탈 3개를 섞어 sp3 오비탈 4개를 형성함

그러면 똑같은 오비탈이 4개가 생기는 것이므로 수소의 1s오비탈이 각각 결합을 형성하면 똑같은 결합길이와 결합각으로 결합되어 완벽한 정사면체 구조를 이루게 됨

발표

실험 참여, 결과 도출, PPT 제작, 후속 활동 제시

[느낀점]

이번 DPPH 항산화 실험을 통해 항산화 효과가 단순한 개념이 아니라, 자유 라디칼과의 화학적 반응을 통해 정량적으로 분석될 수 있는 과학적 지표임을 이해하게 되었다. 보라색을 띠는 DPPH 용액이 시료에 따라 색이 옅어지는 정도가 달라지는 것을 관찰하며, 항산화 물질이 전자를 제공해 자유 라디칼을 안정화시키는 과정을 직접 확인할 수 있었다.

특히 시료의 종류에 따라 흡광도 감소율이 다르게 나타난 점이 인상 깊었고, 이 실험은 교과서에서 배운 산화·환원 개념을 실험에 어떻게 적용되는지를 체감할 수 있는 계기가 되었다.

또한 실험 과정에서 시료 농도 조절, 반응 시간 통제, 측정 오차 최소화의 중요성을 느끼며 정확한 실험 설계가 결과의 신뢰도를 좌우한다는 점을 배웠다. 단순히 결과를 얻는 데서 그치지 않고, 오차 원인을 분석하고 후속 실험을 구상하는 과정에서 연구자의 시각으로 실험을 바라보게 되었다.

이번 실험을 통해 항산화 연구가 노화 방지, 질병 예방, 기능성 식품 및 화장품 개발과 직접적으로 연결되어 있음을 이해하게 되어 매우 의미있는 실험을 진행하였다고 생각한다.

또한 사카린 합성 과정에서 반응 조건과 순도가 결과에 큰 영향을 미친다는 점을 통해, 의약품이나 생체에 사용되는 물질의 합성이 얼마나 정밀해야 하는지도 알게 되었다. 신약 개발이나 생명연구에서도 매우작은 화학적 차이가 인체에는 큰 생물학적 차이를 만들어낼 수 있다는 점을 다시한번 느끼게하였다.

사카린 합성 실험은 단순한 인공감미료 제조를 넘어,물질의 구조와 생명 현상의 관계를 고민해 볼 수 있는 의미 있는 경험이었다.

최혜인 느낀점:

사카린 합성 실험을 통해 일상에서 흔히 접하는 인공감미료가 단순한 물질이 아니라, 여러 단계의 유기화학 반응과 정제 과정을 거쳐 합성된다는 점을 이해하게 되었다. 특히 반응 조건에 따라 생성물의 수득률과 순도가 크게 달라진다는 사실을 실험을 통해 직접 확인할 수 있었으며, 이는 이론으로 배운 반응 메커니즘의 중요성을 체감하는 계기가 되었다.

시약의 양 조절과 온도 관리가 미흡할 경우 부반응이 발생하거나 생성물이 손실될 수 있음을 알게 되었다. 이를 통해 유기 합성에서 정량적 계산뿐만 아니라 실험 조작의 정확성과 관찰 능력이 결과에 큰 영향을 미친다는 점을 깨달았다.

Ppt제작 최혜인 발표 강다현

아민화반응- 아민화 반응은

물질에 아민기(–NH₂ 같은 질소가 들어간 부분)를 붙이거나 바꾸는 화학 반응

1.삼각플라스크에 오쏘톨루엔설폰아마이드 넣고 물과 수산화 나트륨을 넣어서 녹인다

젛어주먼서 중탕한다

1. 과망가니즈산을 조금씩 넣어주는데 중탕을 35도가 되게 유지해야하는데 이유은 과망가니즈산칼륨의 특성상 온도를 너무 높이면 산소가 발생하여 망간산칼륨과 이산화망간으로 분해될수있으므로 유지해야함

2. 냉각해주고 거름종이에 걸러주기

3. 무게측정하기

ppt 제작: 전서연

ppt 제출합니다.