13장 EDTA 적정

• Gramicidin A

– 세포막을 Na+와 K+ 이온이 통과할 수 있게 만들어서 세포를 죽게 만드는 항생제

– 15개의 아미노산으로 이루어진 나선형 구조

– 중앙에 직경 0.4 nm의 채널

– 채널 내부 : 극성 amide group → hydrophilic → Na+

와 K+가 통과 (초당 107개)

– 채널 외부 : 비극성 탄화수소 → 비극성인 세포막에 용해

Gramicidin A, an antibiotic that acts as an ion pore

왼쪽과 중간 : 두 개의 그라미시딘 A 분자가 결합하면 세포막의 두께만큼 길어진다. 오른쪽 : 축 방향에서 본 이온 채널

The Nobel Prize in Chemistry 2003

Peter Agre Roderick MacKinnon

"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".

• EDTA (ethylenediaminetetraacetic acid)

– 대부분의 금속 이온과 강한 1:1 착물 형성

– 금속 이온의 적정, 폐수 처리, 식품 첨가제

13-1 금속 킬레이트 착물

• 리간드 (ligand)

– 원자에 결합한 원자 혹은 원자단

– 한자리 리간드 : 한 원자가 금속 이온과 결합

• 여러 자리 리간드(킬레이트) : 두 개 이상의 원자가 금속 이온과 결합

그림 13-1 EDTA는 4개의 산소와 2개의 질소가 결합함으로써(총 6개의 결합) 대부분의 금속 이온과 강한 1:1 착물을 형성한다.

• ATP(adenosine triphosphate)

– 2가 금속 이온들과 4개의 결합

그림 13-2 (a) ATP의 구조. (b) 금속-ATP 착물의 가능한 구조. 금속(M) 이온은 ATP와 4개의 결합을 형성하고, 두 개의 물 리간드와 두 개의 결합을 형성한다.

• 합성 8자리 리간드(octadentate ligand)

– 항암제, 4개의 질소와 4개의 산소를 통해 금속과 결합

– 공유결합을 통해 antibody와 결합 → antibody는 종양세포와 결합 → 킬레이트에 들어있는 방사성 동위원소가 종양세포를 파괴

• 철 킬레이트 enterobactin

– 박테리아의 성장에 필요한 철을 얻기 위해 대장균이나 salmonella enterica와 같은 박테리아가 배출하는 킬레이트

그림 13-4 철 (III)-enterobactin 착 물 . 어 떤 박 테 리 아 는 enterobactin을 분비함으로써 철을 붙잡아 세포속으로 들여온다, enterobactin은 세포가 사용할 철을 포획하기위해 미생물이 방출하는 몇 개의 알려진 킬레이트 중 하나이다.

그림 13-5 분석화학에서 유용한 합성 킬레이트제. Li+, Na+. K+와 같은 1가 양이온을 제외한 대부분의 금속 이온들과 강한 1:1 착물을 형성한다. 이온의 전하와는 무관하게 반응비는 1:1이다. 착물 반응을 이용하는 적정을 착물화법 적정(complexometric titration)이라 부른다.

13-2 EDTA

• EDTA(ethylenediaminetetraacetic acid)

– 육양성자계, H6Y2+, 중성에서는 4양성자계, H4Y

– pK1~pK4 : COOH, pK5~pK6 : NH

– pH 10.24 이상 : Y4-로 존재, 금속과 결합 가능

• 형성상수(formation constant), Kf

– 안정도 상수(stability constant)

– 금속 양이온의 전하가 클수록 증가

– Y4-와 금속 이온과의 반응에 대한 평형상수

– 낮은 pH에서는 Y4-로 존재하지 않음

]][Y[M

][MY MYYM

4n

4n

f

4n4n

K

• 금속-EDTA 착물

– 낮은 pH에서는 불안정 : H+와 금속이온이 EDTA와 결합하기 위해 경쟁

– 높은 pH에서도 불안정 : OH-와 EDTA가 금속이온과 결합하기 위해 경쟁

• 금속 수산화물 또는 반응성이 없는 수산화 착물 생성

– 적절한 pH : 그림 13-6

• 보조 착화제

– 적정하는 동안 EDTA로 치환

– EDTA를 가하기 전 금속 이온이 침전되는 것을 방지

– 타타르산, 시트르산, 트라이에탄올 아민 등

그림 13-6 일반적인 금속 이온의 EDTA 적정 가이드. 엷은 색은 EDTA와 정량적으로 반응하는 pH 범위를, 진한 색은 금속의 침전을 방지하기 위해 암모니아와 같은 보조 착화제가 요구되는 pH 범위를 보여준다.

• Pb2+

– pH 3~12 : EDTA와 정량적으로 반응

– pH 9~12 : 보조 착화제가 필요

– pH 10에서 타타르산의 존재하에 적정

– 타타르산과 Pb2+는 착물 형성 → Pb(OH)2 생성 방지

– 안정도 : Pb-타타르산 착물 < Pb-EDTA 착물

천연색 사진 7. 보조 착화제를 이용한 Cu(II)의 EDTA 적정. 적정 전 0.02 M CuSO4 용액(왼쪽), pH 10인 암모니아 완충 용액을 가했을 때 Cu-암모니아 착물의 색(중앙), 모든 암모니아 리간드가 EDTA로 치환된 종말점의 색(오른쪽).

보충 13-2 형성 상수 표기법

• 형성 상수

– 착물 형성에 대한 평형 상수

– 단계적 생성 상수(stepwise formation constant)

][X][MX

][MX MX XMX

[MX][X]

][MX MX XMX

[M][X]

[MX] MX XM

1-n

n1n1-n

222

1

n

2

1

K

K

K

K

K

K

• 총괄(overall), 누적 형성상수(cumulative formation constant)

nn KKK

n

21

n

nnn

2

222

[M][X]

][MX MX XM

[M][X]

][MX MX X2M

n

2

보충 13-1 킬레이트 치료법과 지중해빈혈증

• 산소는 헤모글로빈 내의 철과 결합

– 헤모글로빈은 α와 β subunit로 구성 → β subunit의 부족 : β 지중해 빈혈 → 적혈구 주입 → 철의 축적으로 인한 독성 → 20세 전에 사망 → 킬레이트 치료 : desferrioxamine B (미생물에 의해 생성되는 Fe3+ 킬레이트)

철 착물 = ferrioxamine B

EDTA 치료

13-3 금속 이온 지시약

• 금속 이온 지시약(metal ion indicator)

– 금속 이온과 결합할 때 색깔이 변하는 화합물

– 결합력 : 금속-EDTA > 금속-지시약

• 칼마자이트 지시약 (In)

MgIn(붉은색)+ EDTA → MgEDTA + In(푸른색)

– 소량의 지시약 + Mg2+ : 붉은색 착물(+ free Mg2+)

– EDTA 첨가 : free Mg2+ (농도감소) 와 착물

– 당량점 : EDTA와 In의 치환 → In 생성(푸른색)

• 금속 이온 지시약 = 산-염기 지시약

예) Xylenol orange

– at pH 5.5 : 노란색(In) → 붉은색(금속-In 착물)

• 구분 가능

– at pH 7.5 : 보라색(In) → 붉은색(금속-In 착물)

• 구분 불가능

• 결합력 : 금속-EDTA > 금속-지시약

• 금속이 지시약에서 떨어지지 않는 경우 → “금속이 지시약을 막는다” (block)

• 예) 칼마자이트 : Cu2+, Ni2+, Co2+, Cr3+, Fe3+, Al3+에 의해 block → 직접 적정 불가능

– 역적정 가능 : 과량의 EDTA + Cu2+ → Cu-EDTA + 여분의 EDTA → + 지시약 → Mg2+로 역적정 → 당량점 (Mg-지시약 생성)

13-4 EDTA 적정법

• 역적정법

: 과량의 EDTA + 분석물질 → 여분의 EDTA를 금속 이온 표준 용액으로 적정

– 분석물질이 EDTA를 가하기 전 침전 되는 경우

• EDTA가 없는 경우 Al3+는 pH 7에서 침전

• Al3+-EDTA 착물은 pH 7에서 안정

– 분석물질과 EDTA의 반응이 너무 느린 경우

– 분석물질이 지시약을 막는 경우

– 역적정에 사용되는 금속은 EDTA로 부터 분석물질을 떼어내지 않아야 함

• 직접 적정법 – EDTA로 분석물질을 직접 적정

– 금속-지시약의 색 ≠ free 지시약의 색

• 치환 적정법(displacement titration) – 만족할 만한 지시약이 없는 경우

Mn+(분석물질) + MgY2- → MYn-4 + Mg2+

Mg2+ 이온은 EDTA로 적정

– 예) Hg2+ • 형성상수 : Hg(EDTA)2- > Mg(EDTA)2-

– 예)Ag+

• 2Ag+ + Ni(CN)42- → 2Ag(CN)2

- + Ni2+

• Ni2+는 EDTA로 적정

• 간접(indirect) 적정법

– 금속 이온을 침전 시키는 음이온의 경우

– SO42- 이온

• Ba2+로 침전 → BaSO4(s)를 여과, 세척 → pH 10에서 과량의 EDTA와 함께 가열 → Ba(EDTA)2- + 여분의 EDTA → 여분의 EDTA를 Mg2+로 적정

– CO32-, CrO4

2-, S2- 등

• 과량의 금속 이온으로 침전 → 침전은 여과, 세척 → 겨른액에 있는 여분의 금속 이온을 EDTA로 적정

• 가림제(masking agent)

– 분석물질 중의 어떤 성분이 EDTA와 반응하는 것을 막아주는 시약

– Mg2+, Al3+ 용액 + F- → Mg2+ + AlF63- →

Mg2+를 EDTA로 적정

Ca-EDTA 적정

보충 13-3 센물이란 무엇인가?

• 경도(hardness) : 물속에 존재하는 알칼리 토금속 이온의 총농도

– [Ca2+]+[Mg2+]를 CaCO3의 농도로 표시

– 예) [Ca2+]+[Mg2+]=1 mM

• CaCO3 1 mM = 100 mg/L

– 60 mg/L 이하 : 연수(soft)

• 센물 : 비누와 반응하여 침전

– Ca2+ + 2RSO3-(비누) → Ca(RSO3)2(s)

경도 측정

• 물 시료

– + ascorbic acid : Fe3+ → Fe2+

– + CN- 가림제 : Fe2+, Cu+, 소량의 금속 이온들을 처리

– pH 10 완충 용액에서 EDTA로 적정 : [Ca2+]+[Mg2+]

– pH 13 : Mg(OH)2 침전, [Ca2+] 결정

13-5 금속-EDTA 평형의 pH 의존성

• Y4-로 존재하는 EDTA의 분율

[EDTA]

][Y

]][Y][HYY][HYY][H][HY][HY[H

][Y

4

Y

43-2

2345

2

6

4

Y

4

4

• EDTA 용액의 분율 성분

• 조건형성상수

][EDTA][M

][MY

[EDTA]][M

][MY

]][Y[M

][MY

[EDTA]][Y [EDTA]

][Y

]][Y[M

][MY MYYM

n

4n

fY

'

Y

n

4n

4n

4n

f

Y

44

Y

4n

4n

f

4n4n

4

4

44

KK

K

K

f

'

fK

• 예제) 조건 형성 상수의 이용 : pH 4, 0.1 M FeY- 용액, [Fe3+]?

– 형성 상수 이용 :

– 조건 형성 상수이용

Fe3+ + EDTA = FeY-

처음 농도 0 0 0.1

마지막 농도 x x 0.1-x

EDTA, not Y4-

][EDTA][M

][MY

[EDTA]][M

][MY

]][Y[M

][MY MYYM

n

4n

fY

'

Y

n

4n

4n

4n

f

4n4n

4

4

KK

K

f

또는

그림 13-8 pH의 함수로 나타낸 Ca2+의 EDTA 적정. pH 8 이하에서는 종말점에서의 적정 곡선의 변화가 예민하지 않아 정확한 측정이 어렵다. pH가 더 낮아지면 CaY2-의 조건 형성 상수가 너무 작아지기 때문에 변곡점이 사라진다.

13-6 EDTA 적정 곡선

• 0.05 M Mg2+ (pH 10 완충용액) 50 mL + 0.05 M EDTA x mL

• 영역 1 : 당량점 이전, x = 5.0 mL

1.39pMg

M 9 0.040mL 55

5)(0.0550)(0.05][Mg

2

2

• 영역 2 : 당량점, x = 50.0 mL

[MgY2-]=(2.5 mmol/100.0 mL)=0.025 M

Mg2+ + EDTA = MgY2-

처음 농도 0 0 0.025

마지막 농도 x x 0.025-x

4.94pMg M102.1

109.1025.0

][EDTA][Mg

][MgY

25

8

22

2'

x

x

xK f

• 영역 3 : 당량점 이후, x = 51.0 mL

58.6pMg M102.6][Mg

109.1)](0.000495[Mg

(0.0248)

][EDTA][Mg

][MgY

M 0.0248mL 101.0

mmol 2.50][MgY

M 0.000495mL 101

50)(0.0551)(0.05[EDTA]

27-2

8'

22

-2

-2

fK

그림 13-9 pH 10에서 0.05 M Mg2+ 혹은 Ca2+ 용액 50 mL를 0.05 M EDTA로 적정할 때의 세 영역

1. Ca2+ 적정 곡선의 변화가 더 명확 → Kf가 크기 때문

2. pH가 높을 수록 종말점은 명확 → αY

4-가 증가하기 때문

그림 11-2. 세 개의 다른 이양성자 산 H2A에 대한 적정 곡선. 각 곡선은

0.02 M H2A 50.0 mL를 0.1 M NaOH로 적정한다.