실험실 이것이 기본이다 ! 시리즈 1

pH는 실험실에서 가장 간단하게 그리고 빈번하게 측정할 수 있는 분석값으로 화학반응속도, 화학물질의 용

해도, 생물학적 활성 등 시료의 특성을 결정짓는 가장 중요한 factor 중 하나입니다. 또한 일상 생활 속에서

우리가 사용하는 대부분의 것들-수돗물, 종이, 식품, 약 등- 이 pH에 영향을 받습니다. 예로 다양한 색으로 아

름답게 피어나는 수국은 토양의 pH에 따라서 변화합니다. 청색계 품종은 토양의 pH를 낮게 유지시키고, 적

색계 품종은 pH를 높게 유지시켜 발색을 유지합니다. 그리고 우리가 매일 섭취하는 음식의 pH는 건강에 큰

영향을 줍니다.

이렇듯 과학연구실험은 물론 일상 생활 속에서 다양한 역할을 하고 있는

pH는 무엇이고 어떻게 작용하고 있는 지 알아볼까요?

산성토양 파란색 염기성토양 붉은색

pH ?

pH는 물질의 산성, 알칼리성의 정도를 나타내는 수치로, 수소 이온의 해리농도를

로그의 역수를 취해 나타냅니다.

물은 산소원자 하나와 수소원자 두개로 이루어져 있지만 다음과 같이 일부 분해(이온화)

됩니다.

H - O - H H+ + OH-

물분자는 열 에너지에 의해 수소와 산소의 결합이 깨지고 이런 이온 상태를 유지합니다.

왜냐하면, 전기음성도가 다른 수소와 산소로 인해 전하가 비편재화된 물분자들이 새로이

분리된 이온들을 둘러싸 이온들이 재결합하는 것을 방해하기 때문입니다.

H+

H+ H

H

H+

H+

H+

+H+H

+H+H

H

- side+ sideH H

-O-O

-O OO

O-

O-

H+

약 10,000,000개의 물 분자 중 하나는 언제든지 이온으로 분리되어 실온의 순수에서는

약 10-7 M의 H+ 이온이 존재합니다.

중성의 수용액은 약 pH 7(25 ℃, 1atm)의 값을 가집니다. 이는 수소이온의 활동도와 수

산화이온의 활동도가 같다는 의미입니다. 수용액이 아니거나 표준온도압력(STP) 조건이

아닌 경우 중성 용액의 pH는 7이 아닐 수도 있습니다.

pH = 수소이온농도 ?

실제적으로 pH는 H+이온의 활동도를 측정하는 것입니다. 활동도는 자유로운 H+ 이온

을 의미합니다. 예를 들어 0.1 M의 HCl은 pH 1.03 이고, 0.1 M의 Acetic acid는 pH 3

입니다. 같은 0.1 M 농도의 HCl과 Acetic acid의 pH 값은 이렇게 크게 차이가 납니다.

HCl H+ + Cl-

HOAc H+ + OAc-

위 그림에서와 같이 H+이온이 OAc-이온에 결합하여 중성 분자로 존재하려고 하기 때문에

HOAc에서의 수소이온의 활동도는 HCl에 비해서 낮습니다. 같은 농도의 용액이지만 pH

는 크게 다르다는 것을 알 수 있습니다. 결국 pH는 수소이온의 농도가 아니라 수소이온의

활동도인 것입니다. 물 속에 존재하는 총 수소이온의 농도가 아니라 자유롭게 활동할 수

있는 수소이온만의 농도, 즉 수소이온의 활동도가 바로 pH 입니다.

pH의 시조

H+ 이온의 농도를 간단하게 표기하기 위하여 1909년 S.P.L. SØrensen에 의해 pH 개념

이 처음 도입되었습니다. 그리고 맥주의 신(Acidity)정도를 알아보기 위해서 pH를 측정하

였습니다. 알다시피 맥주를 만드는데는 효모가 사용되고 효소를 사용하게 되는데 특정효

소는 특정 pH 에서만 반응을 하기 때문이었습니다.

오래된 저널에서는 PH로 표기된 것도 볼 수 있습니다. pH는 power의 p와 수소의 원소 기

호인 H를 결합한 것으로 수소의 역지수라는 뜻을 가지고 있습니다.

pH가 19라는 말 들어보셨어요 ?

우리는 지금까지 pH 측정 범위는 0에서 14까지라고 배워왔고 또 그렇게 믿어왔습니다.

하지만 이것은 순수한 물에서의 pH 측정범위입니다. 실제 pH는 시료의 조건에 따라 마이

너스(-)값도 14 이상도 나올 수 있습니다. 물론 이러한 측정범위를 갖는 pH 미터를 사용

하셔야 합니다. 물은 열에너지에 의해 H+와 OH-로 해리되려는 경향이 있는데 아무리 적

은 시료라 하더라도 여기에는 수없이 많은 물분자가 존재하기 때문에 물 속에 존재하는

[H+]x [OH-]는 항상 일정합니다.

순수의 경우에는 H+와 OH-의 농도가 각 10-7 M으로 평형을 이룹니다. 하지만 유기용매

가 존재할 경우, 이들 유기분자들은 수소이온을 둘러싸 free 이온의 활동을 방해할 뿐만

아니라 수소이온과 결합하려는 힘이 강하기 때문에 물의 해리 상수는 훨씬 작아지게 됩니

다. 예를 들어, 메탄올의 경우 수소는 H+와 CH3O-로 해리되기 보다는 서로 결합된 형태

(CH3OH)로 존재하려는 힘이 크기 때문에 해리상수는 10-4 이하가 됩니다.

그러면 당연히 “free” 한 수소이온은 순수에서 보다 훨씬 감소하게 되고 pH는 증가하여 측

정 가능한 pH는 19.1까지 존재하게 되는 것입니다. 반대로 황산과 같은 극성의 강산이 존

재할 경우, 해리 상수는 커지고 따라서 pH는 -2까지 내려갈 수 있습니다.

pH 측정시, 온도가 왜 중요한가 ?

pH 측정시 대부분의 측정 오차는 온도 때문에 발생합니다.

온도가 pH 측정에 어떠한 영향을 끼치는지에 대해서 살펴보고, 온도변화로 인한 오차를

줄일 수 있는 방법에 대해 알려드리겠습니다.

전극 기울기는 온도에 따라 변합니다.

pH를 측정하는 방법 중 가장 일반적인 방법은 유리전극을 이용한 전위차 측정법입니다.

100~1000 MΩ의 약한 전도성을 갖는 유리 멤브레인 내외부에 전위차가 발생하는데 이

전위차는 유리 내외부의 H+ 활동도 차이에서 기인합니다.

전극의 pH 측정을 Nernst equation으로 아래와 같이 표현할 수 있습니다.

Emeasured = E0 + (2.3 RT/nF) log aH+

Emeasured는 측정전극으로 측정된 전위, E0는 기준 전극의 전위, Nernst 계수 2.3 RT/nF

는 기체상수(R) 페러데이 상수(F), 캘빈온도(K), 그리고 이온의 전하(n)으로 표현됩니다.

pH의 경우 n=1이므로 Nernst 계수는 2.3 RT/F 입니다. Nernst 계수는 전극의 기울기

라고하며, 이 값은 온도에 따라 달라집니다.

이러한 온도에 따른 기울기 변화는 자동온도보상(ATC) probe를 사용해 자동으로 보상되

거나 수동 온도 입력을 통해서 보상될 수 있습니다.

수국의 색도 변화시키는 pH

pH 측정 원리

All that pH

실험실 이것이 기본이다 ! 시리즈 1

“음식 pH는 맛에 따라 결정된다?”

산성 식품 하면 흔히 신맛 나는 음식이라고 생각할 것이고, 알칼리성 식품 하면 쓴 맛 나

는 채소류를 많이 생각하게 됩니다. 하지만 단순히 이러한 맛만을 가지고는 산성식품과

알칼리성 식품을 구분할 수는 없습니다. 그러면 산성 식품과 알칼리성 식품은 어떻게 구

분할까요? 일반적으로 산성음식, 알칼리 음식으로 나누는 기준은 음식 자체의 pH가 아

니라 몸에 흡수되어질 때의 pH를 말하는 것입니다. 예를 들면, 레몬 자체는 산성이지만

알칼리 음식이라고 부릅니다.

산성음식과 알칼리 음식

우리가 먹는 음식에서 생기는 산성 노폐물에는 두 가지가 있습니다. 첫째는 무기 산성

노폐물이고, 둘째는 유기 산성 노폐물입니다. 우리 몸 속에 장기적으로 저축되는 것이

무기 산성 노폐물입니다. 이 노폐물들은 알칼리 광물들이 들어가서 중화시켜주어야 밖

으로 나올 수 있습니다. 이들의 예가 요산염, 황산, 아인산, 아인산염, 기타 여러 가지 염

화물들입니다. 이 무기 산성 노폐물들은 주로 질소, 유황, 인, 염소 등 음식에서 따라 들

어오는 무기광물을 위한 것입니다. 음식에 이런 무기 광물들이 많이 있는 음식을 소위

산성 음식이라고 합니다.

■ 강한 산성의 순으로 산성 음식의 예를 말씀드리자면, 쌀, 쌀겨, 계란 노른자, 오

트밀, 현미, 삼치, 닭고기, 잉어, 도미, 굴, 연어, 밀가루, 조개, 조갯살, 돼지고기, 땅

콩, 청어알, 쇠고기, 치즈, 보리, 새우, 완두콩, 맥주, 빵, 버터 등이 있습니다. 산성 순

위로 보면 닭고기나 생선들이 쇠고기보다 더 산성입니다.

■ 무기 알칼리 광물이 들어 있는 알칼리 음식들은 다음과 같습니다. 알칼리 광

물이 많은 순서로 굵은 미역, 생강, 강낭콩, 시금치, 된장콩, 바나나, 밤, 홍당무, 버

섯, 딸기, 감자, 배추, 무, 호박, 죽순, 고구마, 사과, 계란 흰자, 배, 포도 주스, 오이,

수박, 오렌지 주스, 가지, 커피, 양파, 깍지 완두, 사람의 젓, 홍차, 우유, 두부 등입

니다

“산성 식품은 몸에 좋지 않다?”

하지만 산성 음식을 지속적으로 많이 먹게 된다면 산성 노폐물이 증가할 뿐만 아니라 혈

관 속에서 지방과 적혈구가 결합하여 피를 끈적끈적하게 만들고, 이는 비좁은 모세혈관

을 통과하기 어렵게 만들어 체내에 산성 노폐물이 서서히 축적됩니다. 그래서 고혈압이

되고, 췌장에 쌓여 당뇨병이 되며, 몸 속 어느 부위에 쌓여 산소공급이 안되면 산소 없이

도 살아가는 암세포의 생성여건이 조성되기도 합니다. 또한 몸이 산성으로 변할 때 몸은

알칼리로 바꾸기 위해 몸의 많은 칼슘이온을 가져오게 됩니다. 대부분은 뼈에 있으니 골

다공증이나 골절증 등이 쉽게 생각 날수도 있습니다. 더불어 칼슘이온은 혈액으로 많이

빠져 나와 몸이 전체적으로 무기력하게 만들고, 여기저기 결석을 만드는 역할을 합니다.

그러나 이런 음식들을 안 먹고 산다는 것은 불가능 합니다. 일반적으로 산성 식품의 대

부분은 열량이 높고, 단백질이 풍부하며, 비타민 A, B1, B2 같은 중요한 영양소를 가지

고 있고, 알칼리성 식품은 칼슘이나 칼륨 등의 미네랄이나 여러 효소를 함유해서 건강을

유지하는데 없어서는 안됩니다. 따라서 식사 패턴이 한쪽으로 기울어지는 것은 건강에

좋지 않은 영향을 미치게 됩니다.

우리몸의 완충작용

우리 몸의 pH는 조금이라도 변하면

생명에 지장을 줄 수 있어 위험합니다.

pH가 낮아진다는 것은 세포 안에 수소 이온이

많아진다는 것을 의미하며, 수소 이온이

많아져서 항상성이 깨지면 세포가

죽음에 이르기 때문입니다. 그래서

pH를 유지하는 것은 중요하며, 이런 역할을 하는 것이 완충용액 입니다.

완충용액은 일반적으로 산이나 염기를 가해도 공통 이온 효과에 의해 그 용액

의 수소 이온 농도(pH)가 크게 변하지 않는 용액을 말합니다. 이는 pH를 일정

하게 유지시켜 주려는 성질 때문에 용액에서 이온의 용해도를 조절하거나, 생

화학적·생리적 과정에서 pH를 일정하게 유지시켜 주는 역할을 합니다.

이러한 완충용액의 기능은 우리 몸의 곳곳에서 일어나고 있습니다. 우리 몸의

구성 성분인 단백질도 수용액의 액성에 따라 다양한 형태로 변하면서, 세포의

안팎에서 일정한 농도를 유지하게 하는 완충제 역할을 하고 있습니다. 또한,

심한운동으로 인해 pH가 낮아지는 것을 방지하기도 합니다.

심한 운동으로 유기산인 젖산이 생성되면 젖산의 수소 이온(H+)이 혈액 속

에 녹아 들어가 pH가 낮아지게 됩니다. 하지만 이어 수소 이온이 탄산 이온

(CO32-)과 반응해 약한 산인 탄산수소 이온을 생성하므로 혈액 속의 수소 이온

농도는 감소하게 되는 것입니다. 따라서 젖산이 생겨서 혈액 속에 녹아 들어가

더라도 혈액의 pH는 거의 변하지 않게 됩니다.

또한 혈액 속 수산화 이온(OH-)의 농도가 증가하면 탄산수소 이온이 해리(解

離)하여 옥소늄 이온을 생성시켜 pH가 일정하게 유지됩니다. 결국 우리 몸은

이와 같은 반응을 통해 증가하는 수소 이온과 수산화 이온을 곧바로 제거함으

로써 완충작용을 하게 되는 것입니다.

이렇듯 정상적인 성인의 경우 4.5ℓ 정도의 혈액은 스스로 완충용액의 기능

을 유지하여 항상 pH를 7.35~7.45 정도의 약한 알칼리성을 유지하도록 합

생활 속의 pH

음식과 pH

우리 몸의 pH

니다. 만약 적정 pH 값이 ±0.2 이상 변한다면 사람은 생명을 잃을 수도 있습

니다.

세포에서 산화반응의 결과로 만들어지는 탄산수소 이온(HCO3-)은 다음과 같

은 평형을 이루게 됩니다.

HCO3- + H2O CO3

2- + H3O+

**완충용액의 원리

약한 산에 그 짝염기를 넣거나 반대로 약한 염기에 그 짝산을 넣어 중화시키는 것입니

다. 예컨대 약한 산인 아세트산(CH3COOH)과 그 짝염기인 아세트산 이온(CH3COO-)

을 넣은 수용액에서는 다음과 같은 평형 상태를 유지하게 됩니다.

CH3COOH + H2O CH3COO- + H3O+

이러한 완충용액에 산을 넣어주면 새로 생긴 옥소늄 이온(H3O+)이 용액 속에서 아세트

산 이온과 반응하여 아세트산으로 되기 때문에 pH가 낮아지지 않습니다. 반대로 염기를

넣어주면 아세트산과 반응하여 옥소늄 이온을 내놓기 때문에 pH가 높아지지 않습니다.

우리가 사용하는 세제나 비누는 약 알칼리성이 지극히 정상입니다. 즉 pH

8~9.5 정도면 비누로서 가장 이상적인 수치입니다. 비누는 약 알칼리인 pH

9.5 안 밖이고, 우리 피부는 보통 약산성입니다. 실상은 pH 10정도까지의 지

수는 피부에 크게 자극이 되지 않는 정도의 약 알칼리성입니다. 비누의 1차적

인 목적은 때를 제거하는 것입니다. 알칼리성이 강할수록 (즉 pH가 높을수록)

세정력이 높아지지만 강알칼리성이 된다면 피부에 자극이 됩니다. 피부자극에

큰 문제가 없고 세정력을 고려한 이상적인 수치가 현재 우리가 사용하는 일반

적인 약 알칼리성 비누(pH 9~10) 입니다.

pH 별 비누의 효과강알칼리 비누 : 세정력이 강해서 피부자극이 심하고 세안 후 피부건조가 심함

약알칼리 비누 : 세정력이 적당하고 보습력은 좋으나 피부자극이 다소 있음

중성 비누 : 피부자극은 적으나 세정력이 부족해 중복사용 할 필요가 있음

약산성 비누 : 피부자극이 없고 세정력도 우수하며 보습력도 좋으나, 잘 물러

지므로 보관시 주의 해야함

전극에 하얗게 이물질이...놀라지 마세요~KCl (염화 칼륨)이 석출되었을 뿐입니다.전극 내부는 3~4M KCl로 된 충진 용액이 채워져 있어 운송, 보관되

는 과정에서 새어 나와 하얗게 석출될 수 있습니다. 이럴 때는 전극 외

벽의 염화 칼륨을 증류수로 세척해 주시면 됩니다.

전극 준비① 전극 보호캡을 제거하고 전극 외부에 석출된 염을 증류수로 세척

② 전극 옆면의 filling hole을 열고 전극 충진용액을 채워주십시오.

충진용액은 hole 근처까지 채워두기

측정 중에는 hole 열어두기, 보관 중에는 닫아두기

③ 전극을 처음 사용하신다면, 전극을 전극보관용액(P/N 910001

또는 810001)에 1시간 정도 담가두어 전극을 워밍업 시켜줍니다.

전극 세척전극 외부에 염 석출물과 오염물이 묻어있으면 곧바로 실험용 순수로

세척합니다. 또한 주기적으로 전극에 채워진 충진 용액을 완전히 빼내

고, 새로운 충진 용액을 채워줍니다.

● 전극 세척 방법 : 일반적으로 실험용 순수로 전극을 세척해줍니다.

간혹 전극의 감응이 떨어질 때는 약 10분 동안 0.1M HCl 또는

HNO3 용액에 담근 후, 전극보관용액에 1시간 이상 담가둡니다.

● 전극막/Junction 부위 침전물 세척 방법

- 단백질 : 0.1M HCl 중의 1% 펩신 용액에 15분 동안 담가둡니다.

- 무기물 : 0.1M tetrasodium EDTA 용액에 15분 동안 담가둡니다.

- 기름 : 부드러운 세제 또는 메탄올 용액으로 세척합니다.

이 과정이 끝나면 전극 충진용액을 신선한 용액으로 교체하고 전극보

관용액에 최소한 1시간 이상 담가둡니다.

전극 보관전극 세척이 끝나면 반드시 전극 충진용액을 신선한 용액으로 교체하

고 전극보관용액에 최소한 1시간 이상 담가둡니다. (잦은 세척은 전

극 수명 단축에 영향을 끼칠 수 있으니 이점 유의하시기 바랍니다.)

전극은 마른 상태로 보관하지 마십시오.

반드시 전극 보관용액에 보관해 주셔야 합니다.

● 단기간 보관 (일주일 이내) : pH 전극을 전극보관용액 (P/N

910001 또는 810001)에 담가서 보관. 만약 전극보관용액이 없

다면, pH 7 버퍼 200mL에 1g KCl을 녹인 용액을 사용.

● 장기간 보관 (일주일 이상) : 전극 보호 캡에 전극보관용액을 채워

전극 센서에 끼워서 보관합니다. 전극 내부에 충진 용액이 채워진

채로 보관해야 하고 filling hole 부분을 막아둡니다.

빠르고 정확한 측정을 위한

STORAGE

STORAGE

STORAGE

STORAGE

전극 관리

비누의 pH

(153-788) 서울 금천구 가산동 60-73 벽산디지털밸리 5차 11층

대표전화 : 1588-3180 • FAX : 02-2140-3310 www.younginfrontier.com■제품상담 : 마케팅팀 (02)2140-3349

실험실 이것이 기본이다 ! 시리즈 1

왜 Orion ROSS 전극이어야 하는가?

pH 미터는 Orion 3-Star pH 미터

기준전극 종류에 따라 온도에 의한 영향이 다르다pH 측정에 사용되는 기준전극은 일반적으로 칼로열(Hg2, Cl2) 또는 염화은(AgCl)을

사용하는데, Ag/AgCl 기준전극 시스템이 주로 사용되고 있습니다. 그러나 이러한 기

준전극 시스템은 온도에 따라 전극 내외 AgCl의 용해도가 달라지기 때문에 기준전극

에 의해 측정되는 전위값(E0)이 변하게 됩니다.

온도 (℃) 대략적인 용해도(mg/L) 측정된 전위(E0) mV

10 1 231.4

30 2.1 219.0

50 5 204.5

70 10 187.9

90 17 169.5

표에서 볼 수 있듯이 Ag/AgCl 기준전극에 측정되는 전위값(E0)은 온도에 따라 크게

는 약 60 mV 까지 변동될 수 있습니다. 이는 1 pH 단위에 해당되는 값입니다.

또한 온도에 따라 기준전극 내부에 침전물이 용해되거나 또는 용액 밖으로 용출되어

새로운 평형에 도달하기 때문에 측정값이 흔들릴 수 있습니다.

이러한 Ag/AgCl 기준전극의 문제점을 보완하기 위해 Orion에서는 ROSS 기준

전극을 개발하였습니다.

온도 변화가 심한 시료에서도 빠르고 정확하게 감응하는

Orion ROSS pH 전극

pH 측정에 있어서

가장 중요한 부분은

전극입니다.

전극의 성능에 따라 pH 측

정의 정확성과 신뢰도가 달

라집니다. pH를 측정하면

서 느린 감응속도, 측정할

때마다 바뀌는 pH값, 온도

변화가 심한 시료, 전극 내

부에서 빠져나오는 Ag 금

속으로 인한 시료의 오염 등

의 문제들로 고생하신 분들

에게 Orion ROSS pH 전

극을 추천합니다.

샘플이 오염되지 않음

기존의 전극들은 금속이온이

충진용액을 통과해서 시료로

빠져 나올 수 있습니다. 그러

나 ROSS 전극은 시료와 반응

할 수 있는 은이나 수은이 들어

있지 않고, 이러한 금속에 의해

Junction이 막히지 않아 생물

학적 배지, 식품, 의약품과 같

이 금속이온이 조금이라도 있

으면 안 되는 시료에도 사용할

수 있습니다.

ROSS 전극은 수 차례의 급격한 온도 변화

후에도 신속, 정확하고 재현성 있게 측정

+4

+3

+2

+1

0

-1

-2

-3

-4

0 10 20 30 40 50 60 70 80

pH BUFFER

REDOX COUPLE

TEMP.(°C)

(mV)

+4

+3

+2

+1

0

-1

-2

-3

-4

0 10 20 30 40 50 60 70 80TEMP.(°C)

(mV)

MATCHING TEMPERATURE COEFFICIENTS FOR A pH/ELECTROLYTE MIX

ROSS 전극에서는 I2 + I- 의 특이한 결합으로 온도변화에 따라 영향을 받지 않습니

다. 보다 자세히 설명을 하자면, pH 전극은 전극 내부에 버퍼 용액을 사용하여 전극

내부의 H- 활동도를 고정시키게 되는데, 아래 그림과 같이 온도에 대한 ROSS 기준

전극과 버퍼의 반응이 상쇄되어 일정한 기준전위를 제공할 수 있는 것입니다. 따라서

Orion ROSS pH 전극을 사용하면 온도에 의한 오차를 줄일 수 있습니다.

ROSS 기준 전극 시스템은 완전하게 용해되는

가역 산화, 환원쌍을 사용합니다.

2e + I2 2I- (Pt로 측정)

Platinum Internal

Reference

SolutionKI, l2

3M KCl

ROSS pH 기준전극 시스템

역시

pH

4.19

4.13

4.07

4.01

Minutes 1 2 3 4 5 6 7

Conventional Electrode @ 75˚C

25˚C

ROSS Electrode

Theoretical Response

� 분해 능: 0.001 까지 가능

� 보정 점: 1~5점

� 버퍼자동 인식: USA/NIST, DIN 타입

버퍼 자동 인식

� 독특한 기준전극 시스템으로 Ag/AgCl

전극보다 빠르고 정확한 측정 가능

� 2년 품질 보증

� 측정에 필요한 버퍼, 전극을 패키지로

제공하여 편리하게 사용할 수 있음

pH 측정 시 확인해야 할 사양 특허 받은 Orion ROSS pH 전극 pH 측정에 필요한 Full package 제공

Orion 3-Star pH 미터실험실에서 가장 많이 사용되고 있는 pH 미터는 Orion 3-Star pH 미터 입니다.

왜 Orion 3-Star pH 미터 일까요?