정답
pH가 5에서 2로 감소하면 HA는 더 비이온화되어 소수성이 증가하므로 역상 크로마토그래피에서 고정상과의 상호작용이 커져 \(k\)가 증가한다. pKa가 가장 작은 약산은 HC이다. pH = 5에서 가장 늦게 용리되는 것은 HC이다. pH = 5를 유지한 채 이동상의 극성을 감소시키면 HC의 머무름 인자 \(k\)는 6.6보다 작아진다.
출제 의도
이 문제는 역상 크로마토그래피에서 이온화 상태( pH–pKa 관계 )와 이동상 극성이 머무름 인자 \(k\)에 미치는 영향을 해석할 수 있는지, 그리고 표의 수치로부터 상대적인 산성도(pKa)와 용리 순서를 판단할 수 있는지를 평가한다.
풀이 과정
역상 크로마토그래피에서는 고정상이 비극성이고, 분석물이 더 비극성일수록 고정상에 더 오래 머물러 \(k\)가 커진다. 약산의 경우 pH가 낮아질수록 비이온화형(HA)의 비율이 증가하여 소수성이 커진다.
① pH 5 → 2에서 HA의 \(k\)가 증가하는 이유
표에서 HA는 pH 5에서 \(k=1.0\), pH 2에서 \(k=2.2\)이다. pH를 낮추면 HA가 더 많이 비이온화되어 소수성이 증가하고, 그 결과 비극성 고정상과의 상호작용이 강화되어 머무름 인자 \(k\)가 증가한다.
② pKa가 가장 작은 약산
pKa가 작을수록 더 낮은 pH에서도 이온화가 유지되어 \(k\)가 작게 나타난다. 표에서 HC는 pH 8에서도 \(k=3.0\), pH 5에서도 \(k=6.6\)으로 이미 크게 증가해 있으며, 높은 pH에서도 이온화가 덜 되는 경향을 보인다. 이는 HC가 가장 강한 산, 즉 pKa가 가장 작음을 의미한다.
③ pH = 5에서 가장 늦게 용리되는 것
pH = 5에서의 머무름 인자는 HA: 1.0, HB: 0.2, HC: 6.6이다. \(k\)가 가장 큰 HC가 가장 늦게 용리된다.
④ pH = 5에서 이동상 극성 감소 시 HC의 \(k\) 변화
이동상의 극성을 감소시키면(예: 유기용매 비율 증가) 분석물은 이동상에 더 잘 용해되고 고정상과의 상호작용이 약해진다. 따라서 HC의 머무름 인자 \(k\)는 기존 값 \(6.6\)보다 감소한다.