산과 염기

(1)

산과 염기

7

7.1 산과 염기 : 실험적 정의 7.2 산, 염기, 염

7.3 산성과 염기성 무수물

7.4 강산, 강염기, 약산, 약염기 7.5 중화

7.6 pH 척도

7.7 완충용액과 짝산-짝염기 쌍

7.8 산업과 일상생활에서 쓰이는 산과 염기

산과 염기는 일상생활에서 가장 활용도가 높은 화학제품이다. 이것

은 어떻게 구별하는지와 생활에의 응용에 대하여 살펴보자. 이들은

바로 여러분의 곁에 있다.

(2)

2014년도 제2학기 현대생활과 화학 제7장 산과 염기 2

양성자를 전달해 줘

일상생활에서의 산 : 레몬이나 자몽(시트르산), 식초(아세트산), 축전지 산(황산), 비타민 C(아스코르브산),

일상생활에서의 염기 : 오븐 청소용 세제나 배수구 청소액(수산화나트륨), 베이킹 소다(중탄산나트륨), 암모니아

그림 7.1 산(왼쪽), 염기(가운데), 염(오른쪽)은 많은 음식물과 낯익은 소비재의 성분들이다.

산(acid)과 염기(base)가 반응하면 염(salt)이 만들어진다.

(3)

7.1 산과 염기 : 실험적 정의

산의 성질

- 리트머스 종이의 염료를 붉게 변화시킴 - 신맛이 남

- (아연이나 철 같은) 금속과 반응하여 수소 기체를 발생시킴 - 염기와 반응하여 물과 염이라 불리는 이온성 화합물을 만듦

염기의 성질

- 리트머스 종이의 염료를 푸르게 변화시킴 - 쓴맛이 남

- 피부에 닿으면 미끈거리는 느낌이 남 - 산과 반응하여 물과 염을 생성

그림 7.2 리트머스 염료가 스며든 종이가 산과 염기 구별 위해

가장 단순한 테스트가 리트머스이다.

(4)

산-염기 지시약 - 리트머스 종이

: 중성(보라색), 산(붉은색으로 변색), 염기(푸른색으로 변색)

- 자연적인 염료 : 포도주스, 붉은 양배추, 블루베리 등

그림 수국은 심어진 토양의 산도에 따라 다른 색의 꽃을 가지는 많은 식물들 중의 하나이다. 수국은 약산성 토양 에서 푸른색(위 그림)을 약염기성 토 양에서 붉은색(아래 그림)을 띤다.

그림 여러분만의 지시약을 만들어 보자.

붉은 양배추2컵을 자르고 더운물을 붓는다. 10분 후에 고체를 커피 필터로 걸러낸다. 이 액체 50mL로 다양한 가정용 화학물질 (식초, 베이킹소다, 암모니아 등)의 pH를 검사해 보자.

이 지시약은pH 2에서 붉은색, pH 4에서 자주색, pH 6에서 보라색, pH 8에서 푸른색, pH 10에서 푸른 녹색, pH 12에서 녹황색을 만든다.

지시약은 가시광선 영역에서 색이 변 하는 일종의 염료(색소)이다. 색의 변 화로 산/염기의 세기를 구별한다.

(5)

7.2 산, 염기, 염

아레니우스 이론

1887년 아레니우스(Svante Arrhenius)에 의한 산-염기 정의 - 산(acid) : 수용액에서 수소 이온(H⁺)과 음이온으로

분해되는 분자화합물 ex) 질산의 물에서 이온화

ex) 몇 가지 일반적인 산

그림 스웨덴 과학자 아레니우 스(1859~1927)는 물에 있는 산, 염기, 염이 이온 으로 구성되어 있다는 이 론을 제안하였다. 그는 처음으로 대기 중의 이산 화탄소와 온실효과를 연 과 지은 사람이었다.

3

( ) ( )

3

( )

HNO aq   H

^

aq  NO

^

aq

1903년 노벨 화학상 수상자이지만 초기에 는 이온의 존재를 주장하였다가 많은 비난 을 받았다.

같은 수소라도 붙어 있는 원소에 따라 이온으로 되는 수소 (H⁺)와 그렇지 못 한 수소(H)로 구분한다.

(6)

- 염기(base) : 수용액에서 수산화 이온(OH^-)을 방출하는 물질 ex) 수산화나트륨의 물에서 이온화

산과 염기의 반응

산 + 염기 → 염 + 물

⇒ 본질적인 반응 H⁺ + OH^- → H₂O (중화반응)

( )

^{H O}2

( ) ( ) NaOH s   Na aq

^

 OH

^

aq

아레니우스 방법에 의하면 염기는 수용액에서 OH^-를 배출하는 물질이 다. 대표적 경우가 가성소다(NaOH) 이다. 가성소다는 소금물을 전기분 해하면 쉽게 얻어진다.

(7)

예전의 선조들도 KOH를 만들어 사용하였다. 짚을 태우면 재가 KOH 성 분이다.

(8)

예제 7.1 산과 염기의 이온화

(a) 질산(HNO₃)이 물에서 이온화하는 반응을 써라.

(b) 수산화칼륨(KOH)이 물에서 이온화하는 반응을 써라.

풀 이

a.

b.

) ( )

( )

(

₃

3

2

H aq NO aq

aq

HNO 

^H

  

^O ^



^

) ( )

( )

( aq

²

K aq OH aq KOH 

^H

  

^O ^



^

이온화 방법

(9)

아레니우스 이론의 한계

1. 물에서는 단순히 자유로운 양성자가 존재하지 않음

⇒ H⁺이온은 물과 결합하여 히드로늄 이온(H₃O⁺) 생성

2. 아레니우스 이론은 암모니아나 이와 관련된 화합물의 염기성을 설명하지 못함 3. 아레니우스 이론은 수용액에만 적용됨

H H O H H

H O H



 





 





 

  





  

  

(10)

브뢴스테드-로우리 산-염기 이론 : 조금 더 진화된 이론

1923년 브뢴스테드(J. N. Bronsted)와 로우리(T. M. Lowry)의 산-염기 정의 - 산(acid) : 양성자 주게

- 염기(base) : 양성자 받게

그림 7.3 브뢴스테드-로우리의 산-염기 정의

ex) 염화수소의 이온화

2 3

( ) ( ) ( ) ( )

HCl aq  H O l   H O aq

^

 Cl aq

^ 수용액 개념이 사라짐

(11)

일반식 : HA가 어떤 산을 나타내면

HA(aq) + H₂O(l) → H₃O⁺(aq) + A^-(aq)

예제 7.2 브뢴스테드-로우리 산

HNO₃가 물에서 브뢴스테드-로우리 산으로 작용하는 반응식을 써라.

풀 이

HNO

₃

( aq )  H

₂

O   H

₃

O

^

( aq )  NO

₃^

( aq )

(12)

염

- 산과 염기의 중화반응으로부터 생성되는 염 : 양이온과 음이온으로 구성되는 이온화합물 - 전해질 : 물에 녹았을 때 전기를 통하는 염

- 사용 용도 : 염화나트륨과 염화칼슘 – 겨울에 도로의 얼음을 녹이는데 사용 황산구리(Ⅱ) – 하수관의 나무뿌리를 제거하는데 사용

(13)

7.3 산성과 염기성 무수물

비금속 산화물 : 산 무수물 비금속 산화물 + 물 → 산

ex) SO₃ + H₂O → H₂SO₄ CO₂ + H₂O → H₂CO₃ 예제 7.3 산성 무수물

이산화황이 물과 반응하여 생성되는 산의 화학식을 써라. 풀 이 SO₂ + H₂O → H₂SO₃

금속 산화물 : 염기성 무수물 금속 산화물 + 물 → 염기 ex) CaO + H₂O → Ca(OH)₂

Li₂O + H₂O → 2LiOH 예제 7.4 염기성 무수물

산화바륨에 물을 첨가하여 생성된 염기에 대한 화학식을 써라. 풀 이 BaO + H₂O → Ba(OH)₂

그림 7.4 산화금속은 산소이온과 물과 반응하 여 2개의 수산화이온을 생성하기 때문에 염기성이다

비금속/금속산화물이 물을 만나면

(14)

7.4 강산, 강염기, 약산, 약염기

강산(strong acid) : 물과 완전히 반응하는 산 ex) 염산

약산(weak acid) : 물과 조금만 반응하는 산 ex) 시안산

; 40,000의 HCN 분자 중 1개만이 H+ 생성 강염기(strong base) : 물에서 완전히 이온화

ex) 수산화나트륨

약염기(weak base) : 물에서 조금만 이온화 ex) 암모니아

양쪽성 물질

: 산으로도 작용하고 염기로도 작용하는 물질 (ex. 물)

) ( )

( )

( aq H aq Cl aq HCl  

^



^

) ( )

( )

( aq H aq CN aq HCN  

^ ^



^

) ( )

( )

( aq Na aq OH aq NaOH  

^



^

) ( )

( )

(

₂ ₄

3

aq H O l NH aq OH aq

NH   

^ ^



^

그림 7.5 암모니아는 물로부터 양성자를 받음(염기성)

산의 세기를 알아보자.

(15)

7.5 중화

중화(neutralization) 반응 : 산과 염기의 반응 H⁺ + OH^- → H₂O

ex) 수산화나트륨과 염산의 중화반응

그림 7.6 산(식초) (무색)을 염기(NaOH) (붉은색)로 적정실험, 지시약은 페놀프탈레인 사용

산과 염기가 만나면 물을 만 든다. 이 과정을 적정

(titration)이라고 하며, 이 반 응을 중화반응이라고 부른 다. 중화과정은 지시약을 사 용하여 관찰할 수 있다. 그림 은 산에서는 무색, 염기성에 서는 붉은색을 나타낸다.

10월15일 시작

(16)

예제 7.5 중화반응

화약이나 비료의 성분인 질산칼륨은 중세부터 19세기까지 소변에서 질산칼륨을 얻었다. 초석이라고 불리는 이 침전물은 질산과 수산화칼륨을 반응시켜 얻을 수 있다. 이 반응의 중화반응을 써라.

풀 이

KOH(aq) + HNO₃(aq) → KNO₃(aq) + H₂O(l) 강염기 강산

2 KNO

3→ 2 KNO₂+ O₂

2KNO₃ → 2KNO₂ + O₂

발생한 산소가 다른 물질을 빠르게 연소시 키므로 폭약의 원료로 사용되었다. 지금은 산소를 사용하지 않는 물질을 폭약의 원료 로 사용한다.

(17)

7.6 pH척도

pH척도 : 1909년 쇠렌센에 의해 산도나 염기도를 나타내는데 사용

- 정의 : : 몰농도

pH < 7 : 산성 pH = 7 : 중성 pH > 7 : 염기성

  ^



 H

pH log   ^H

^

그림 7.7 pH 척도.

pH가 1만큼 변하면 히드로늄 이온의 농도는 10배가 변한다는 뜻임

화학자들은 새로운 단위를 고안했다.

Log는 10배를 1단위로 바꾼다.

(18)

순수한 물 분자 10⁷ 중에서 1개 정도는 이온으로 분리한다.

1몰의 수소이온이 존재

1몰의 OH^- 이온이 존재

대기중의 이산화탄소를 흡수

공업지역에서 내리는 빗물의 pH 는 약 4.2 정도이다.

(19)

예제 7.6 수소 이온 농도로부터 pH

수소 이온농도가 1×10^-5 M인 용액의 pH는 무엇인가?

풀 이

예제 7.7 pH로부터 수소 이온 농도 계산

pH가 4인 용액의 수소 이온 농도를 구하라.

풀 이

예제 7.8 수소 이온 농도로부터 pH 계산 H⁺의 농도가 8×10^-4 M인 용액의 pH는?

(a) 2.9 (b) 3.1 (c) 4.2 (d) 4.8 풀 이

  ^log( ¹ ¹⁰ ⁾ ⁵

log   

⁵





 H

^ ^

pH

  ^H

^

^ ¹⁰

^^pH

^ ¹⁰

^⁴

^M

  ^log( ⁸ ¹⁰ ⁾ ³ ^. ¹

log   

⁴





 H

^ ^

pH

(20)

예제 7.9 산과 염기에 있는 수소 이온과 수산화 이온

다음 수용액을 산성, 염기성, 중성으로 분류하라. (물 분자는 생략하였다.)

풀 이

- 비이커 Ⅰ : H⁺ 와 OH^-수가 각각 6개로 같음 ⇒ 중성 - 비이커 Ⅱ : OH^- 수 7개, H⁺ 수 1개 ⇒ 염기성

- 비이커 Ⅲ : H⁺ 수 6개, OH^- 수 1개 ⇒ 산성

(21)

7.7 완충용액과 짝산-짝염기 쌍

짝산-짝염기 쌍 – 양성자 하나 (H⁺)가 다른 화합물과 이온의 쌍을 말한다 예) HF 와 F^-는 짝산-짝염기 쌍이고 NH₃ 와 NH₄⁺는 짝산-짝염기 쌍이다

예제 7.10 짝산-짝염기 쌍

(a) HBr과 (b) HNO₃의 짝염기는 무엇인가? (c) OH^-와 (d) HSO₄^-의 짝산은 무엇인가?

풀 이

(a) Br^- (b) NO₃^- (c) H₂O (d) H₂SO₄

반응물 쪽의 산/염기에 대응하는 생성물 쪽의 산/염기를 짝산/짝염기라고 부른다.

HBr + H₂O → Br^- + H₃O⁺ 산 염기 짝염기 짝산 반응물쪽에는 산/염기, 생성물쪽에는 짝산/짝염기 이다.

(22)

완충용액(buffer solution)

- 정의 : 적은 양의 강산이나 강염기를 첨가해도 거의 일정한 pH 를 유지한다.

- 약산과 그 짝염기(ex. HC₂H₃O₂와 C₂H₃O₂^-) 또는 약염기와 그 짝산(ex. NH₃와 NH₄⁺) 으로 구성됨

- ex) 아세트산의 이온화 반응

아세트산/아세트산나트륨 완충용액에 강염기를 첨가하면

아세트산/아세트산나트륨 완충용액에 강산을 첨가하면

2 3 2

( ) ( )

2 3 2

( )

HC H O aq H

^

aq  C H O

^

aq

2 3 2 2 2 3 2

( ) ( ) ( ) ( )

OH

^

aq  HC H O aq   H O l  C H O

^

aq

2 3 2 2 3 2

( ) ( ) ( )

H

^

aq  C H O

^

aq   HC H O aq

pH 거의 일정함 대단히 중요한 역할을 한다.

인체에 산/염기가 투입되어도 자체적으로 정화시켜 pH변화가 거의 없다. 이러한 용 액을 완충용액이라고 부른다. 모든 생명체는 완충용액이다. 그 원리를 알아보자.

NaC₂H₃O₂ (aq) ⇄ Na⁺(aq) + C₂H₃O₂^-(aq)

⇄

산이 아님 산

(23)

7.8 산업과 일상생활에서 쓰이는 산과 염기

산성비

이산화탄소 (CO₂)로 포화된 빗물의 pH = 5.6 산성비(acid rain) : pH가 5.6보다 낮은 비 산성비의 원인물질

- 인위적인 오염물질

• 석탄을 태울 때 발생하는 SO₂ (석탄에는 최대 약5% 정도의 황이 포함)

• 자동차 배출가스에서 나오는 NO₂, NO 등 (산소와 질소가 반응) - 자연적인 오염물질

• 화산 폭발시 발생하는 황산화물과 황산 (땅속에 황이 많음)

• 번개 발생시 질소 산화물과 질산 (질소와 산소의 반응)

[H⁺] =2.512 x 10^-6

황은 고무산업의 주요한 원료이다. 열대지방에서 자라는 고무나무 수액, 라텍스는 너무 묽어서 사용이 어렵지만, 여기에 황을 섞으면 단단한 고무가 만들어진다. 일본 이 2차 대전시 인도차이나로 들어간 이유는 고무와 석유를 얻기 위함이다.

(24)

제산제 : 염기성 치료제

(1) 탄산수소나트륨(NaHCO₃) - 가장 오래된 제산제

- 속쓰림을 덜어주는 알카-셀처의 주성분임

- 탄산수소 이온이 산과 반응하면 탄산을 만들고, 탄산은 물과 이산화탄소로 분해

- 탄산수소를 함유한 제산제를 사용하고 난 뒤에 생기는 트림은 CO₂(g) 때문임 - 과다하게 사용시

: 혈액이 과다하게 알칼리성이 됨

⇒ 알칼리혈증

) ( )

( )

(

₂ ₃

3

aq H aq H CO aq

HCO

^



^

 

2 3

( )

2

( )

2

( )

H CO aq   CO g  H O l

그림 7.8 ‘이 제산제는 빠르게 작용한다’라는 광고문 구는 모든 산-염기 반응이 거의 즉시 일어나기 때문에 의미가 없다. 어떤 알약은 다른 것보다 더 느리게 녹을지 모른다. 약의 작용을 빠르게 하려 면 씹어먹으면 된다.

식사를 하면 위에서 산이 배출되는데 과다하게 배 출되면 거북함을 느낀다. 여기에 염기를 넣어 중화 시키는데, NaHCO₃를 섭취하면 효과적임. 그러나 발생하는 CO₂로 인하여 트림이 난다.

NaHCO₃ 는 빵을 부풀게 하는 소다 가루임.

(25)

(2) 탄산칼슘(CaCO₃)

- 적은 양은 괜찮지만 상습적인 사용은 변비를 일으킴

- 텀스(Tums^ⓡ)와 많은 약국 상표 제산제들이 탄산칼슘을 유일한 활성성분으로 가짐

(3) 수산화알루미늄(Al(OH)₃) - 변비를 일으킬 수 있음

- 암포젤(Amphojel^ⓡ)의 활성성분 (4) 수산화마그네슘(Mg(OH)₂)

- 물에 풀은 현탁액은 ‘마그네시아 우유’로 판매 - 소량을 사용하면 제산제로 작용하지만

다량을 복용하면 설사를 일으킴

(26)

산업과 가정에서의 산과 염기 산이 사용되는 대표적인 예

1) 황산 : 비료나 공업용 화학약품 제조에 사용, 자동차 축전지와 배수구 청소에 사용

2) 염산 : 금속의 녹 제거에 사용, 욕실설비와 변기로부터 석회석 제거에 사용 염기가 사용되는 대표적인 예

1) 석회(CaO) : 가장 널리 사용,

2) 소석회(Ca(OH)₂) : 회반죽과 시멘트를 만드는데 사용, 토지의 산성을 완화하는데 사용 3) 수산화나트륨 : 오븐 청소제, 배수구를 뚫는 세제

건강과 질병에서 산과 염기

- 진한 강산과 강염기 : 심각한 화학 화상을 일으키는 부식성 독성물질 - 황산 : 강력한 탈수제라 세포 안의 물과 반응

- 묽은 강산과 강염기 : 세포 안의 단백질을 분해하고 변성 시킴

(27)

7장 강의가 끝났습니다.

수고하셨습니다 .