13 장 EDTA 적정
Gramicidin A 세포막을 Na + 와 K + 이온이통과할수있게만들어서세포를죽게만드는항생제 15 개의아미노산으로이루어진나선형구조 중앙에직경 0.4 nm 의채널 채널내부 : 극성 amide group hydrophilic Na + 와 K + 가통과 ( 초당 10 7 개 ) 채널외부 : 비극성탄화수소 비극성인세포막에용해 Gramicidin A, an antibiotic that acts as an ion pore
왼쪽과중간 : 두개의그라미시딘 A 분자가결합하면세포막의두께만큼길어진다. 오른쪽 : 축방향에서본이온채널
The Nobel Prize in Chemistry 2003 "for discoveries concerning channels in cell membranes" jointly with one half to Peter Agre "for the discovery of water channels" and with one half to Roderick MacKinnon "for structural and mechanistic studies of ion channels". Peter Agre Roderick MacKinnon
EDTA (ethylenediaminetetraacetic acid) 대부분의금속이온과강한 1:1 착물형성 금속이온의적정, 폐수처리, 식품첨가제
13-1 금속킬레이트착물 리간드 (ligand) 원자에결합한원자혹은원자단 한자리리간드 : 한원자가금속이온과결합
여러자리리간드 ( 킬레이트 ) : 두개이상의원자가금속이온과결합 그림 13-1 EDTA 는 4 개의산소와 2 개의질소가결합함으로써 ( 총 6 개의결합 ) 대부분의금속이온과강한 1:1 착물을형성한다.
ATP(adenosine triphosphate) 2 가금속이온들과 4 개의결합 그림 13-2 (a) ATP 의구조. (b) 금속 -ATP 착물의가능한구조. 금속 (M) 이온은 ATP 와 4 개의결합을형성하고, 두개의물리간드와두개의결합을형성한다.
합성 8 자리리간드 (octadentate ligand) 항암제, 4 개의질소와 4 개의산소를통해금속과결합 공유결합을통해 antibody 와결합 antibody 는종양세포와결합 킬레이트에들어있는방사성동위원소가종양세포를파괴
철킬레이트 enterobactin 박테리아의성장에필요한철을얻기위해대장균이나 salmonella enterica 와같은박테리아가배출하는킬레이트 그림 13-4 철 (III)-enterobactin 착물. 어떤박테리아는 enterobactin 을분비함으로써철을붙잡아세포속으로들여온다, enterobactin 은세포가사용할철을포획하기위해미생물이방출하는몇개의알려진킬레이트중하나이다.
그림 13-5 분석화학에서유용한합성킬레이트제. Li +, Na +. K + 와같은 1 가양이온을제외한대부분의금속이온들과강한 1:1 착물을형성한다. 이온의전하와는무관하게반응비는 1:1 이다. 착물반응을이용하는적정을착물화법적정 (complexometric titration) 이라부른다.
13-2 EDTA EDTA(ethylenediaminetetraacetic acid) 육양성자계, H 6 Y 2+, 중성에서는 4 양성자계, H 4 Y pk 1 ~pk 4 : COOH, pk 5 ~pk 6 : NH ph 10.24 이상 : Y 4- 로존재, 금속과결합가능
형성상수 (formation constant), K f 안정도상수 (stability constant) n4 n 4 n4 [MY ] M Y MY Kf n 4 [M ][Y ] 금속양이온의전하가클수록증가 Y 4- 와금속이온과의반응에대한평형상수 낮은 ph 에서는 Y 4- 로존재하지않음
금속 -EDTA 착물 낮은 ph 에서는불안정 : H + 와금속이온이 EDTA 와결합하기위해경쟁 높은 ph 에서도불안정 : OH - 와 EDTA 가금속이온과결합하기위해경쟁 금속수산화물또는반응성이없는수산화착물생성 적절한 ph : 그림 13-6
그림 13-6 일반적인금속이온의 EDTA 적정가이드. 엷은색은 EDTA 와정량적으로반응하는 ph 범위를, 진한색은금속의침전을방지하기위해암모니아와같은보조착화제가요구되는 ph 범위를보여준다. 보조착화제 적정하는동안 EDTA 로치환 EDTA 를가하기전금속이온이침전되는것을방지 타타르산, 시트르산, 트라이에탄올아민등
Pb 2+ ph 3~12 : EDTA 와정량적으로반응 ph 9~12 : 보조착화제가필요 ph 10 에서타타르산의존재하에적정 타타르산과 Pb 2+ 는착물형성 Pb(OH) 2 생성방지 안정도 : Pb- 타타르산착물 < Pb-EDTA 착물
천연색사진 7. 보조착화제를이용한 Cu(II) 의 EDTA 적정. 적정전 0.02 M CuSO 4 용액 ( 왼쪽 ), ph 10 인암모니아완충용액을가했을때 Cu- 암모니아착물의색 ( 중앙 ), 모든암모니아리간드가 EDTA 로치환된종말점의색 ( 오른쪽 ).
보충 13-2 형성상수표기법 형성상수 착물형성에대한평형상수 단계적생성상수 (stepwise formation constant) M X MX X MX n-1 K1 K2 X MX Kn MX 2 K MX 1 n K [MX] [M][X] 2 K [MX 2] [MX][X] 1 [MXn ] [MX ][X] n-1
총괄 (overall), 누적형성상수 (cumulative formation constant) M M 2X nx 2 n MX MX 2 n 2 n [MX 2] [M][X] 2 [MXn ] [M][X] n K K n 1 2 K n
보충 13-1 킬레이트치료법과지중해빈혈증 산소는헤모글로빈내의철과결합 헤모글로빈은 α 와 β subunit 로구성 β subunit 의부족 : β 지중해빈혈 적혈구주입 철의축적으로인한독성 20 세전에사망 킬레이트치료 : desferrioxamine B ( 미생물에의해생성되는 Fe 3+ 킬레이트 ) 철착물 = ferrioxamine B
EDTA 치료
13-3 금속이온지시약 금속이온지시약 (metal ion indicator) 금속이온과결합할때색깔이변하는화합물 결합력 : 금속-EDTA > 금속-지시약
칼마자이트지시약 (In) MgIn( 붉은색 )+ EDTA MgEDTA + In( 푸른색 ) 소량의지시약 + Mg 2+ : 붉은색착물 (+ free Mg 2+ ) EDTA 첨가 : free Mg 2+ ( 농도감소 ) 와착물 당량점 : EDTA 와 In 의치환 In 생성 ( 푸른색 )
금속이온지시약 = 산-염기지시약예 ) Xylenol orange at ph 5.5 : 노란색 (In) 붉은색 ( 금속 -In 착물 ) 구분가능 at ph 7.5 : 보라색 (In) 붉은색 ( 금속 -In 착물 ) 구분불가능
결합력 : 금속 -EDTA > 금속 - 지시약 금속이지시약에서떨어지지않는경우 금속이지시약을막는다 (block) 예 ) 칼마자이트 : Cu 2+, Ni 2+, Co 2+, Cr 3+, Fe 3+, Al 3+ 에의해 block 직접적정불가능 역적정가능 : 과량의 EDTA + Cu 2+ Cu-EDTA + 여분의 EDTA + 지시약 Mg 2+ 로역적정 당량점 (Mg- 지시약생성 )
13-4 EDTA 적정법 역적정법 : 과량의 EDTA + 분석물질 여분의 EDTA 를금속이온표준용액으로적정 분석물질이 EDTA 를가하기전침전되는경우 EDTA 가없는경우 Al 3+ 는 ph 7 에서침전 Al 3+ -EDTA 착물은 ph 7 에서안정 분석물질과 EDTA 의반응이너무느린경우 분석물질이지시약을막는경우 역적정에사용되는금속은 EDTA 로부터분석물질을떼어내지않아야함
직접적정법 EDTA 로분석물질을직접적정 금속 - 지시약의색 free 지시약의색 치환적정법 (displacement titration) 만족할만한지시약이없는경우 M n+ ( 분석물질 ) + MgY 2- MY n-4 + Mg 2+ Mg 2+ 이온은 EDTA 로적정 예 ) Hg 2+ 형성상수 : Hg(EDTA) 2- > Mg(EDTA) 2- 예 )Ag + 2Ag + + Ni(CN) 4 2-2Ag(CN) 2 - + Ni 2+ Ni 2+ 는 EDTA 로적정
간접 (indirect) 적정법 금속이온을침전시키는음이온의경우 SO 4 2- 이온 Ba 2+ 로침전 BaSO 4 (s) 를여과, 세척 ph 10 에서과량의 EDTA 와함께가열 Ba(EDTA) 2- + 여분의 EDTA 여분의 EDTA 를 Mg 2+ 로적정 CO 3 2-, CrO 4 2-, S 2- 등 과량의금속이온으로침전 침전은여과, 세척 겨른액에있는여분의금속이온을 EDTA 로적정
가림제 (masking agent) 분석물질중의어떤성분이 EDTA 와반응하는것을막아주는시약 Mg 2+, Al 3+ 용액 + F - Mg 2+ + AlF 6 3- Mg 2+ 를 EDTA 로적정
Ca-EDTA 적정
보충 13-3 센물이란무엇인가? 경도 (hardness) : 물속에존재하는알칼리토금속이온의총농도 [Ca 2+ ]+[Mg 2+ ] 를 CaCO 3 의농도로표시 예 ) [Ca 2+ ]+[Mg 2+ ]=1 mm CaCO 3 1 mm = 100 mg/l 60 mg/l 이하 : 연수 (soft) 센물 : 비누와반응하여침전 Ca 2+ + 2RSO 3- ( 비누 ) Ca(RSO 3 ) 2 (s)
경도측정 물시료 + ascorbic acid : Fe 3+ Fe 2+ + CN - 가림제 : Fe 2+, Cu +, 소량의금속이온들을처리 ph 10 완충용액에서 EDTA 로적정 : [Ca 2+ ]+[Mg 2+ ] ph 13 : Mg(OH) 2 침전, [Ca 2+ ] 결정
13-5 금속 -EDTA 평형의 ph 의존성 Y 4- 로존재하는 EDTA 의분율 Y Y 4 4 [H 6 Y 2 4 [Y ] [EDTA] ][H Y 5 ][H 4 [Y Y][H 3 ] Y 4 ][H 2 Y 2- ][HY 3 ][Y 4 ]
EDTA 용액의분율성분
조건형성상수 ][EDTA] [M ] [MY [EDTA] ] [M ] [MY ] ][Y [M ] [MY [EDTA] ] [Y [EDTA] ] [Y ] ][Y [M ] [MY MY Y M n 4 n f Y ' Y n 4 n 4 n 4 n f Y 4 4 Y 4 n 4 n f 4 n 4 n 4 4 4 4 K K K K f ' K f
예제 ) 조건형성상수의이용 : ph 4, 0.1 M FeY - 용액, [Fe 3+ ]? 형성상수이용 : 조건형성상수이용 EDTA, not Y 4- Fe 3+ + EDTA = FeY - 처음농도 0 0 0.1 마지막농도 x x 0.1-x M n 또는 Y K 4 ' f MY Y 4 n4 K f K f n4 [MY ] n 4 [M ][Y n4 [MY ] n [M ][EDTA] ] [M n n4 [MY ] ] [EDTA] Y 4
그림 13-8 ph 의함수로나타낸 Ca 2+ 의 EDTA 적정. ph 8 이하에서는종말점에서의적정곡선의변화가예민하지않아정확한측정이어렵다. ph 가더낮아지면 CaY 2- 의조건형성상수가너무작아지기때문에변곡점이사라진다.
13-6 EDTA 적정곡선 0.05 M Mg 2+ (ph 10 완충용액 ) 50 ml + 0.05 M EDTA x ml 영역 1 : 당량점이전, x = 5.0 ml [Mg 2 pmg 2 (0.0550) (0.055) ] 55 ml 1.39 0.040 9 M
영역 2 : 당량점, x = 50.0 ml [MgY 2- ]=(2.5 mmol/100.0 ml)=0.025 M Mg 2+ + EDTA = MgY 2- 처음농도 0 0 0.025 마지막농도 x x 0.025-x ' K f 2 [MgY ] 0.025 x 2 2 [Mg ][EDTA] x x 1.210 5 M pmg 2 4.94 1.910 8
영역 3 : 당량점이후, x = 51.0 ml (0.0551) (0.0550) [EDTA] 0.000495 M 101mL 2-2.50 mmol [MgY ] 0.0248 M 101.0 ml 2- [MgY ] (0.0248) ' K 1.910 2 2 f [Mg ][EDTA] [Mg ](0.000495) [Mg 2 ] 2.610-7 M pmg 2 6.58 8
그림 13-9 ph 10 에서 0.05 M Mg 2+ 혹은 Ca 2+ 용액 50 ml 를 0.05 M EDTA 로적정할때의세영역 1. Ca 2+ 적정곡선의변화가더명확 K f 가크기때문 2. ph 가높을수록종말점은명확 α Y 4- 가증가하기때문
그림 11-2. 세개의다른이양성자산 H 2 A 에대한적정곡선. 각곡선은 0.02 M H 2 A 50.0 ml 를 0.1 M NaOH 로적정한다.