일단 목차를 소개드리면 순서대로 공통 이온 효과 개념, 완충 용액 개념, 완충 용액 원리, 생체 내 완충 작용, 완충 용액 여러 가지 활용, 약물 & 약품에서의 완충 용액입니다.

첫번째인 공통 이온 효과를 설명드리자면 교과서에서는 공통 이온 효과란 이온화 평형에 참여하는 이온과 공통되는 이온을 수용액에 넣을 때 그 이온의 농도가 감소하는 방향으로 평형이 이동하는 현상이라고 설명하고 있습니다. (조금 더 자세히 말씀드리면 여러 이온이 있는 용액에서 한 이온의 농도가 증가하면 화학 평형과 르샤틀리에 원리에 따라 일어나는 여러 현상을 가리키며 대표적인 공통 이온 효과는 용액에서 한 이온의 농도가 증가하면 과량으로 존재하는 이온 일부가 침전 등으로 용액에서 제거되는 현상입니다. 여분의 이온은 용액 중 이온 농도가 용해도곱으로 주어지는 화학 평형을 이룰 때까지 침전으로 가라앉습니다.)

두번째로는 완충 용액입니다. 완충 용액이란 약산과 그 약산의 짝염기가 섞여있는 용액이나 약염기와 그 약염기의 짝산이 섞여 있는 용액을 뜻합니다.

세번째는 완충 용액의 원리입니다. 완충 용액은 pH가 외부의 산이나 염기가 첨가되어도 큰 변화를 겪지 않는 용액입니다. 이는 용액에 약산과 그 염기, 또는 약염기와 그 염기가 함께 존재하여, pH의 변화를 완화시킬 수 있기 때문입니다.

완충 용액의 원리는 다음과 같습니다:

1.약산과 그 염기 또는 약염기와 그 염기가 혼합된 시스템에서 일어납니다. 예를 들어, 아세트산(약산)과 아세트산 나트륨(염기)이 혼합된 용액이 완충 용액의 예입니다.

2.산(H⁺)이 첨가되면, 그 산은 용액 내의 염기와 반응하여 염기성을 갖는 물질을 형성하고, pH의 급격한 하락을 방지합니다. 예를 들어, 아세트산 나트륨(NaOAc)과 아세트산(CH₃COOH) 혼합물에서, 추가된 H⁺는 아세트산의 염기인 아세트산 이온(CH₃COO⁻)과 결합하여 아세트산을 형성합니다.

3.염기(OH⁻)가 첨가되면, 염기가 용액 내의 산과 반응하여 산을 중화시켜 pH의 급격한 상승을 막습니다. 예를 들어, 추가된 OH⁻는 아세트산(CH₃COOH)과 반응하여 아세트산 이온(CH₃COO⁻)과 물을 형성합니다.

네번째는 생체 내 완충 작용입니다. 혈액은 우리 몸의 pH를 유지하는데 가장 큰 역할을 하는 완충 용액입니다. 혈액의 pH는 7.4정도인데 다양한 화학 물질로 유지된다고 합니다. 그리고 혈액에서는 탄산과 탄산 수소 이온으로 나타나는 완충 작용이 가장 중요하다고 합니다.

다섯번째는 완충 용액의 여러가지 활용입니다.

첫번째는 수영장입니다. 수영장에서는 박테리아의 성장 억제와 풀 안정을 위해 약품을 사용하는데 이 약품은 수영장 물의 pH를 변화시킵니다.

두번째는 의료용 완충 용액입니다. 과도한 운동이나 지나친 육식으로 혈액이 완충 기능을 잃었을 때 사용합니다. 혈액의 pH가 7.4 이하로 떨어지는 산독증 상태, 7.4 보다 높아지는 알칼리독증, 폐기종, 근육경화, 경련 등을 방지하고 원상태로 복귀시키는데 쓰입니다.

세번째는 생리식염수입니다. 실생활에서 쉽게 볼 수 있는 생리식염수와 주사액에도 완충 용액이 이용됩니다.

네번째는 세미케미컬펄프입니다. 활엽수를 사용하여 펄프를 생산할 때 각종 화학 약품이 사용되는데 이때 중성 완충 용액 속에서 공정합니다. 균체의 증식이나 효소 작용을 쉽게 하는 것이 목적입니다.

여섯번째는 약물과 약품에서의 완충 용액입니다.

첫번째로 알려드릴 예시는 수액 주입 용액입니다. 흔히 앞서 말씀드린 생리식염수나 링거액을 말합니다. 수액은 체내에서 pH를 일정하게 유지하고 전해질 균형을 맞추는 역할을 합니다. 생리식염수와 링거액은 인체의 혈액과 유사한 pH를 유지하여 수액 치료 시 안정성을 제공합니다.

두번째로는 항생제입니다. 항생제나 진통제 같은 약물은 종종 pH가 조정된 제형으로 제조되어 위장관에서 적절하게 분해되고 흡수됩니다. 예를 들어, 페니실린 제제는 위산에 의해 불안정해질 수 있기 때문에 pH가 조절된 제형으로 제공되기도 합니다.

세번째로는 인공눈물입니다. 인공눈물은 눈의 건조함을 해소하는 제품으로, pH가 눈물과 유사한 약 7.4로 조정된 완충용액이 포함되어 있습니다. 이를 통해 장시간 눈에 사용해도 자극이 없도록 설계됩니다.

네번째로는 흡입형 스테로이드입니다. 흡입용 스테로이드 제제에는 완충용액이 포함되어 약물이 기도를 자극하지 않도록 pH가 맞춰집니다. 또한 약물이 폐에 효율적으로 전달되도록 돕습니다.

마지막으로는 여드름 치료제입니다. 여드름 치료제의 경우, 약물이 피부에 자극을 최소화하도록 pH가 조정되며, 종종 완충용액을 사용하여 제형을 안정화합니다.

제가 준비한 내용은 여기까지입니다. 발표를 들어주셔서 감사합니다.

안녕하세요 석승현입니다. 저는 완충용액에대해 발표하겠습니다.

완충은 외부의 충격에도 충격을 잘 흡수하여 보호할 수 있다는 뜻으로, 완충용액이란 산이나 염기를 소량 가해도 pH가크게 변하지 않는 용액을 말합니다. 이는 약산과 그 약산의 짝염기로 된 염, 또는 약염기와 그 약염기의 짝산으로 된 염이함께 존재함으로써 수소 이온 농도의 변화를 억제하기 때문입니다. 그 예시로 약산인 아세트산과 그 짝염기인 아세트산이온, 약염기인 암모니아와 그 짝산인 암모늄이온 등이 완충용액을 구성할 수 있습니다.

완충용액의 원리는 수용액에 포함된 이온과 같은 종류의 이온을 가하면, 그 이온의 농도가 감소하는 방향으로 반응이 진행하는 평형 이동 현상으로 설명할 수 있습니다. 이러한 현상을 공통이온효과라고합니다. 아세트산과 아세트산 이온으로이루어진 완충용액의 예시를 보면 용액에 약산인 아세트산과 그 짝염기인 아세트산 이온이 있을때 소량의 산을 가하면수소이온이 수용액에 있는 아세트산이온과 반응하여 아세트산이 되므로 수소이온의 농도가 크게 증가하지 못합니다. 반대로 소량의 염기를 가했을때 수산화이온이 아세트산과 반응하므로 수산화이온의 농도가 크게 증가하지 못합니다. 따라서 산이나 염기를 소량 가해주도라도 pH가 거의 변하지 않는다는것을 알수 있습니다.

그 다음으로 생체 내에서 완충작용입니다. 우리 몸의 혈액은 정상적으로 약 pH 7.4를 유지해야 하며, 이를 위해 여러 완충용액이 작용합니다. 대표적인 것은 탄산과 탄산수소 이온이 짝을 이루어 pH 변화를 억제하는 완충용액입니다. 예를 들어 산성 물질이 들어오면 HCO₃⁻가 H⁺와 반응하고, 염기성일 때는 반대로 작동합니다. 또 다른 완충계는 인산 완충계로, 인산수소 이온과 인산이수소 이온이 pH 조절에 기여합니다. 특히 인산 완충계는 세포 내액이나 소변 내에서 중요한 역할을 합니다.

마지막으로 우리 치아에서 완충용액이 작용하는 예시입니다. 식사 직후나 탄산음료같은 산성음료를 마시고 나면 치아 표면의 pH가 5.5 이하로 떨어져 법랑질이 탈회되는 현상이 생길 수 있는데, 법랑질이란 치아의 가장 바깥쪽을 덮고 있는단단한 층입니다. 법랑질은 한번 탈회되면 재생시킬수 없기때문에, 충치나 치아 마모의 주요 원인이 됩니다. 여기서 타액은 구강 내에서 법랑질 탈회를 막는 완충작용을 합니다. 수소이온이 타액 속 탄산이온과 만나면 완충작용이 일어나 탄산이 되어 이산화탄소와 물로 분해되어 제거됩니다.

먼저 물질의 세 가지 상태인 기체, 액체, 고체를 상이라고 하고, 한물질의 여러 상들이 동적평형을 이루고 있는 상태를 상평형 이라고 합니다. 물질은 온도에 따라서 또는 압력에 따라서 상태가 변합니다. 또한 물질은 적절한 온도와 압력에서 고체와 액체, 액체와 기체, 고체와 기체가 평형을 이룰 수도 있습니다. 이 사진은 물질의 상태와 온도, 압력의 관계를 그래프로 나타낸 것인데 이것을 상평형 그림이라고 합니다. 상평형 그림은 이 사진처럼 세 개의 곡선으로 이루어져 있고, 나누어진 각각의 영역은 고체,액체,기체 상태로 존재할 수 있는 조건을 나타냅니다. 이 물질은 a의 온도와 압력에서는 고체 상태로, b의 온도와 압력에서는 액체로 존재한다는 것을 의미합니다. 곡선 TA는 액체와 기체가 평형을 이루는 온도와 압력을 나타내는 증기 압력 곡선이라고 하고, 곡선 TB는 고체와 액체가 평형을 이루는 온도와 압력을 나타내는 융해 곡선, 곡선 TC는 고체와 기체가 평형을 이루는 온도와 압력을 나타내는 승화곡선 입니다. 세곡선이 만나는 점인 T는 세 가지 상태가 평형을 이루어 함께 존재할 수 있는 온도와 압력 조건으로, 3중점이라고 합니다.

이 사진은 물의 상평형 그림입니다. 초기 상태가 a인 얼음을 일정한 압력인 P에서 가열한다고 생각해보면 얼음은 융해곡선과 만나는 점인 b의 온도에서 녹기 시작합니다. 이점에서는 얼음과 물이 함께 존재하고 얼음이 다 녹을 때까지 온도는 일정하게 유지 됩니다. 얼음이 다 녹으면 물의 온도는 다시 높아지며, 증기 압력 곡선과 만나는 점인 d의 온도에서 물은 끓기 시작합니다. 물이 끓는 동안에도 온도는 일정하게 유지되며 물이 모두 수증기로 변하면 수증기의 온도는 다시 높아집니다. 만약 압력을 변화시킨다고 가정한 상태도 설명해보자면 초기 상태가 c인 물을 일정한 온도에서 압력을 낮추면 증기 압력 곡선과 만나는 점인 e의 압력에서 끓기 시작하여 수증기로 변합니다. 그리고 점 f를 보면 3중점 이하의 압력에서 고체를 가열하면 액체 상태를 거치지 않고 기체로 승화한다는 것을 알 수 있습니다.

이 두 사진은 각각 물과 이산화탄소의 상평형 그림 입니다. 이산화탄소는 고체 상태에서 드라이아이스로 존재합니다. 우리 대부분은 드라이 아이스가 승화 한다고 알고 있는데 그 이유는 이 그림에서 보시다시피 우리가 살고 있는 1기압 조건에서 이산화탄소가 고체에서 기체로 넘어가고 있는 상태이기 때문입니다. 그리고 5.1기압 이상에서 온도를 변화시키게 된다면 액체 상태의 이산화탄소도 볼 수 있습니다. 그리고 물과 이산화탄소의 상평형 그림의 차이점이 하나 있는데 그 차이점은 이 TB곡선인 융해곡선의 기울기 입니다. 물의 TB곡선은 음의 값을 갖는 반면에 이산화 탄소의 TB그래프는 양의 기울기를 갖습니다. 이것으로 인해 물은 고체상태에서 압력을 높이게 되면 물의 액체 상태로 변화하고, 반대로 이산화탄소는 액체상태에서 압력을 높이게 되면 고체상태로 변화한다는 것을 알 수 있습니다.

그리고 저는 이것과 관련하여 동결건조에 대해 소개해보도록 하겠습니다. 동결건조란 얼음을 승화시켜 수분을 제거하여 건조물을 얻는 방법입니다. 동결건조 식품은 물의 삼중점과 승화 원리를 이용하여 만듭니다. 먼저 -40도 이하로 동결 시킨 후, 삼중점 안으로 압력을 낮추고 얼음을 바로 수증기로 승화시켜 수분이 없는 상태로 만듭니다. 식품 내 얼음이 승화되면 얼음 결정이 있던 자리에 미세한 구멍들이 남는데요, 이러한 다공성 구조 덕분에 물만 부으면 원래 상태로 쉽게 돌아올 수 있습니다. 우리가 흔히 먹는 라면의 야채 건더기나 조리가 불가능한 우주공간에서 간편하게 물만 부어서 먹을 수 있는 우주식량등이 대표적인 예 입니다. 이러한 동결건조의 원리는 물리적 화학적 변질 없이 장기간 보관을 할 수 있다는 특성으로 식품 업계에서 유용하게 쓰이고 있다고 합니다.

감사합니다.

목차는 연료전지와 바이오 연료 전지, 그리고 화학반응 속도 순서로 발표를 하도록 하겠습니다.

우선 연료전지란 말 그대로 연료를 사용해 전기를 만들어 내는 발전기의 일종으로 연료와 산화제를 전기화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키는 장치입니다. 이 화학 반응은 촉매층내에서 촉매에 의하여 이루어지며 일반적으로 연료가 계속적으로 공급되는 한 지속적으로 발전이 가능하다고 합니다.

연료 전지의 기본적 원리에 대해 간단히 설명해보자면, 우선 연료전지는 양극, 음극, 전해질로 구성이 되어있습니다. 기본적으로 전기에너지를 만들기 위해서는 전자의 이동을 필요로 하는데, 그래서 두개의 전극이 있을 때 한쪽에서는 전자를 방출하고 반대쪽에서는 그 전자를 사용해 전자가 계속 흐르게하여 전류를 발생시키는 것이 기본 작동 원리입니다.

여기에서 일반 전지와는 달리 효소나 전기를 생성시킬 수 있는 미생물을 바이오 촉매로 사용하는 것이 바로 바이오 연료 전지입니다.

연료 전지에서 생성되는 전자의 속도는 반응 속도와 관련이 있다고 볼 수 있는데요, 그래서 반응 속도가 빠를수록 더 많은 전자가 더 짧은 시간에 생성되고, 이는 결과적으로 전류량 증가로 이어질 수 있습니다.

여기서 반응 속도란 화학 반응에서 반응물이 생성물로 변하는 속도를 말하는 것입니다. 반응 속도는 반응시간 분의 감소된 반응 물질의 몰농도, 반응 시간 분의 증가된 생성물질의 몰 농도로 나타낼 수 있습니다.

그리고 반응 속도는 반응물의 농도, 온도, 촉매, 반응물의 표면적, 압력과 같은 요인에 영향을 받습니다.

그래서 바이오 연료 전지는 사용한 촉매에 따라 반응 속도에 차이가 있습니다. 효소를 촉매로 사용한 연료 전지는 반응 속도가 빠르고 미생물을 촉매로 사용한 연료 전지는 반응 속도가 느립니다. 그 이유는 효소는 특정 기질과 직접 반응하여 반응 단계가 비교적 간단하고 미생물은 기질을 대사과정으로 분해해 반응 단계가 복잡하기 때문이죠. 그래서 같은 기질을 사용하더라도 효소를 촉매로 사용한 연료 전지는 짧은 시간 동안 고출력이 가능하고, 미생물을 촉매로 사용한 연료전지는 느리지만 지속적으로 출력이 가능하다고 합니다.

이상으로 발표를 마치겠습니다.