[일반화학] 39. 산과 염기의 개념, 물의 해리

[일반화학] 39. 산과 염기의 개념, 물의 해리

아레니우스의 산-염기 이론에 따르면 산성 물질은 물에서 해리해서 수소이온(\(\text{H}^{+}\))을 생성하고, 염기성 물질은 물에서 해리해서 수산화이온(\(\text{OH}^{-}\))을 생성한다.

아레니우스 이론의 한계는 수용액에만 적용할 수 있고, 암모니아(\(\text{NH}_{3}\))는 염기성이지만 \(\text{OH}^{-}\)이온을 포함하지 않는가에 대한 설명을 할 수 없다. 

브뢴스테드-로리 이론에 따르면 산은 다른 물질에게 양성자(\(\text{H}^{+}\))를 줄 수 있는 물질(분자 또는 이온)이고, 염기는 양성자를 받을 수 있는 물질이다.

이 반응에서 생성물인 \(\text{BH}^{+}\)와 \(\text{A}^{-}\)는 그들 자신이 각각 산과 염기이다. 화학식에서 양성자 하나가 차이나는 물질을 짝산-짝산 염기 쌍(conjugate acid-base pairs)이라고 한다. 따라서 \(\text{A}^{-}\)는 산 \(\text{HA}\)의 짝염기(conjugate base)이고 \(\text{HA}\)는 염기 \(\text{A}^{-}\)의 짝산(conjugate acid)이다. 마찬가지로 \(\text{B}\)는 산 \(\text{BH}^{+}\)의 짝염기이고, \(\text{BH}^{+}\)는 염기 \(\text{B}\)의 짝산이다.

브뢴스테드-로리 산 \(\text{HA}\)가 물에 녹을 때 산 해리 평형(acid-dissociation equilibrium)에 의해 물과 가역적으로 반응한다. 이때 생성물은 하이드로늄 이온 \(\text{H}_{3}\text{O}^{+}\)(hydronium ion, \(\text{H}_{2}\text{O}\)의 짝산)과 \(\text{A}^{-}\)(\(\text{HA}\)의 짝염기))이다.

위 반응의 역반응에서 \(\text{H}_{3}\text{O}^{+}\)는 양성자를 주고(산성), \(\text{A}^{-}\)는 양성자를 받는다(염기성). 

\(\text{NH}_{3}\)와 같은 브뢴스테드-로리 염기는 물에 녹을 때 용매로부터 양성자를 받고, 용매는 산으로 작용한다. 생성물은 수산화이온(\(\text{OH}^{-}\), 물의 짝염기)과 암모늄이온(\(\text{NH}_{4}^{+}\), \(\text{NH}_{3}\)의 짝산)이다.

위의 반응의 역반응에서 \(\text{NH}_{4}^{+}\)는 양성자를 주고, \(\text{OH}^{-}\)는 양성자를 받는다.

양성자를 받는 분자나 이온은 양성자와의 결합에 사용할 수 있는 비공유 전자쌍을 최소한 하나는 가져야 한다. 다음의 전자점 구조에 나타낸 것처럼 모든 브뢴스테드-로리 염기는 하나 이상의 고립전자쌍을 가지고 있다.

아레니우스의 정의에서 산(\(\text{HA}\))는 해리되어 수소이온(\(\text{H}^{+}(aq)\))을 내고, 수소이온은 반응성이 커서 물 분자의 산소원자에 결합해 하이드로늄 이온(\(\text{H}_{3}\text{O}^{+}\))이 된다. 

두 염기 \(\text{H}_{2}\text{O}\)와 \(\text{A}^{-}\)가 양성자를 얻기 위해 경쟁한다.

초기에 반응물과 생성물의 농도가 같으면 양성자는 항상 강한 염기로 전이된다. 이것은 평형에 도달하는 반응의 방향이 더 강한 산에서 더 강한 염기로 양성자를 전이해서 더 약한 산과 더 약한 염기를 생성함을 뜻한다.

강산(strong acid)은 물에서 거의 완전히 해리되고 강한 전해질이다. 강산에는 과염소산(\(\text{HClO}_{4}\)), 염산(\(\text{HCl}\)), 브로민화수소(\(\text{HBr}\)), 아이오딘화수소산(\(\text{HI}\)), 질산(\(\text{HNO}_{3}\)), 황산(\(\text{H}_{2}\text{SO}_{4}\))이 있고 매우 약한 짝염기를 갖는다. 

약산(weak acid)은 물에서 일부분만 해리하므로 약한 전해질이다. 약산에는 아질산(\(\text{HNO}_{2}\)), 플루오린화수소산(\(\text{HF}\)), 아세트산(\(\text{CH}_{3}\text{CO}_{2}\text{H}\))이 있고, 강한 짝염기를 갖는다.

다음의 그림은 강산, 약산, 매우 약한 산에 대한 \(\text{HA},\,\text{H}_{3}\text{O}^{+},\,\text{A}^{-}\)의 평형농도이고,

다음의 표는 산의 세기와 그 짝염기의 세기 사이의 반비례 관계를 나타낸 것이다.

물은 산과 염기로 모두 작용할 수 있다. 산이 존재할 때 물은 염기로 작용하고, 염기가 존재할 때 물은 산으로 작용한다.

물의 해리(dissociation of water)라고 부르는 이 반응은 평형식 \(K_{w}=[\text{H}_{3}\text{O}^{+}][\text{OH}^{-}]\)으로 나타낼 수 있고, 이때의 평형상수 \(K_{w}\)는 물의 이온곱 상수(ion-product constant for water)라고 한다.

물의 해리: \(2\text{H}_{2}\text{O}(l)\,\leftrightarrows\,\text{H}_{3}\text{O}^{+}(aq)+\text{OH}^{-}(aq)\) 

물의 이온곱 상수: \(K_{w}=[\text{H}_{3}\text{O}^{+}][\text{OH}^{-}]\) 

물은 순수한 액체이므로 물의 농도는 평형상수식에서 생략된다. 다음은 물의 해리에 있어 두 가지 중요한 동적 평형의 모습니다.                1. 정반응과 역반응은 매우 빠르다. 이것은 \(\text{H}_{2}\text{O}\)분자, \(\text{H}_{3}\text{O}^{+}\)이온, \(\text{OH}^{-}\)이온은 끊임없이 서로 전환된다. 

2. 평형의 위치는 왼쪽으로 훨씬 치우쳐있다.이것은 어느 한 순간에도 물분자는 아주 적은 일부만 \(\text{H}_{3}\text{O}^{+}\)와 \(\text{OH}^{-}\)이온으로 해리되고 거의 대부분의 \(\text{H}_{2}\text{O}\)분자는 해리되지 않는다. 

물의 해리반응은 같은 농도의 \(\text{H}_{3}\text{O}^{+}\)와 \(\text{OH}^{-}\)이온을 생성하고, \(25^{\circ}\text{C}\)에서 순수한 물의 \(\text{H}_{3}\text{O}^{+}\)의 농도가 \(1.0\times10^{-7}\text{M}\)이므로$$[\text{H}_{3}\text{O}]=[\text{OH}^{-}]=1.0\times10^{-7}\text{M}\,\text{at}\,25^{\circ}\text{C}$$이고 이때의 물의 이온곱 상수는 다음과 같다.$$\begin{align*}K_{w}=[\text{H}_{3}\text{O}^{+}][\text{OH}^{-}]&=(1.0\times10^{-7})(1.0\times10^{-7})\\&=1.0\times10^{-14}\end{align*}$$\(\text{H}_{3}\text{O}^{+}\)와 \(\text{OH}^{-}\)농도의 상대적인 값에 의해 산성, 중성, 염기성 수용액을 구별할 수 있다.

\(25^{\circ}\text{C}\)에서 산성용액은 \([\text{H}_{3}\text{O}^{+}]>1.0\times10^{-7}\), 중성용액은 \([\text{H}_{3}\text{O}^{+}]=[\text{OH}^{-}]=1.0\times10^{-7}\), 염기성용액은 \([\text{H}_{3}\text{O}^{+}]<1.0\times10^{-7}\)이다.

\([\text{H}_{3}\text{O}^{+}]\) 또는 \([\text{OH}^{-}]\)중 하나만 알면 다른 하나도 쉽게 계산된다. 그 이유는 이 둘의 곱이 물의 이온곱 상수이기 때문이다.

참고자료:

Chemistry 7th edition, McMurry, Fay, Robinson, Pearson