물의 이온곱 상수와 온도 : pH 변화

물의 이온곱 상수 (Kw​)는 물이 스스로 이온화하여 수소 이온 (H+)과 수산화 이온 (OH−)을 생성하는 반응에서 중요한 역할을 합니다. 이 값은 온도에 따라 변하며, 표준용액의 pH 값 변화의 핵심 원인입니다. 이번 포스팅에서는 Kw​가 온도에 따라 어떻게 변화하며, 이로 인해 표준 pH 값이 달라지는 이유를 쉽게 풀어보겠습니다

1. 물의 이온곱 상수

• 물을 단순한 액체로 생각하기 쉽지만, 물은 다음과 같이 자동 이온화라는 흥미로운 반응을 일으킵니다.
• 이 반응에서 생성된 H+와 OH−의 농도를 곱한 값이 바로 이온곱 상수 (Kw)입니다:

• 25°C에서는 Kw=10^−14이고, 이때 수소 이온과 수산화 이온 농도는 각각 10^−7이므로 중성의 pH는 7.0이 됩니다.

2. 온도에 따른 Kw 변화

• 물의 이온화 반응은 흡열 반응으로, 열이 반응을 촉진합니다. 따라서 온도가 올라가면 Kw가 증가하고, 더 많은 H+와 OH−가 생성됩니다. 반대로 온도가 낮아지면 Kw가 감소합니다.
• 온도가 높아지면 : Kw>10^−14 [중성 pH < 7.0 (산성처럼 보이지만 실제로는 중성)]
• 온도가 낮아지면 : Kw<10^−14 [중성 pH > 7.0 (염기성처럼 보이지만 실제로는 중성)]
• 이로 인해 "중성"의 기준 pH가 온도에 따라 달라집니다.

3. pH 표준용액 및 온도별 pH값

온도	수산염 표준용액	프탈산염 표준용액	인산염 표준용액	붕산염 표준용액	탄산염 표준용액	수산화칼슘 표준용액
0℃	1.67	4.01	6.98	9.46	10.32	13.43
5℃	1.67	4.01	6.95	9.39	10.25	13.21
10℃	1.67	4.00	6.92	9.33	10.18	13.00
15℃	1.67	4.00	6.90	9.27	10.12	12.81
20℃	1.68	4.00	6.88	9.22	10.07	12.63
25℃	1.68	4.01	6.86	9.18	10.02	12.45
30℃	1.69	4.01	6.85	9.14	9.97	12.30
35℃	1.69	4.02	6.84	9.10	9.93	12.14
40℃	1.70	4.03	6.84	9.07	-	11.99
50℃	1.71	4.06	6.83	9.01	-	11.70
60℃	1.73	4.10	6.84	8.96	-	11.45

 

4. pH 측정과 온도 보정의 중요성

• pH 미터를 사용하여 정확한 값을 측정하려면, 온도 보정(ATC: Automatic Temperature Compensation) 기능이 필요합니다. 온도 보정 없이 pH 측정을 수행하면 부정확한 값이 나올 수 있습니다.

5. 요약

• 물의 이온곱 상수 (Kw​)는 온도에 따라 변화합니다.
• 온도가 높아지면 Kw가 증가하고, 중성의 pH는 7.0보다 낮아집니다.
• 온도가 낮아지면 Kw가 감소하고, 중성의 pH는 7.0보다 높아집니다.
• pH 미터 사용 시 온도 보정을 통해 정확한 값을 확인해야 합니다.