7 산과 염기

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

양성자를 전달해 줘

일상생활에서의 산 : 레몬이나 자몽 ( 시트르산 ), 식초 ( 아세트산 ), 축전지 산 ( 황 산 ),

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 성분들이 다 .

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

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 다 른 색의 꽃을 가지는 많은 식물들 중의 하나이다 . 수국은 약산성 토양에서 푸 른색 (위 그림 )을 약염기성 토양에서 붉은색 (아래 그림 )을 띤다 .

그림 여러분만의 지시약을 만들어 보자 .

붉은 양배추 2컵을 자르고 더운물을 붓는다 . 10분 후에 고체를 커피 필터로 걸러낸다 . 이 액체 50mL로 다양한 가정용 화학물질 ( 식초 , 베이킹소다 , 암모니아 등 )의 pH를 검사해 보자 .

이 지시약은 pH 2에서 붉은색 , pH 4에서 자주색 , pH 6에서 보라색 , pH 8에서 푸른색 , pH 10에서 푸른 녹색 , pH 12에서 녹황색을 만든

다 .

7.2 산 , 염기 , 염

아레니우스 이론

1887 년 아레니우스 (Svante Arrhenius) 에 의한 산 - 염기 정 의

- 산 (acid) : 수용액에서 수소 이온 (H⁺) 과 음이온으로 분해되는 분자화합물

ex) 질산의 물에서 이온화

ex) 몇 가지 일반적인 산

그림 스웨덴 과학자 아레니우스 (1859~1927) 는 물에 있 는 산 , 염기 , 염이 이온 으로 구성되어 있다는 이 론을 제안하였다 . 그는 처 음으로 대기 중의 이산화 탄소와 온실효과를 연과 지은 사람이었다 .

3

( ) ( )

( )

HNO aq   H aq

 NO aq

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

산과 염기의 반응

산 + 염기 → 염 + 물

⇒ 본질적인 반응 H⁺ + OH^- H→ ₂O ( 중화반응 )

( )

( ) ( )

NaOH s   Na aq

 OH aq

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 aq ² H aq NO aq

HNO ^H ^{O }  ^ ) ( )

( )

(aq ² K aq OH aq KOH ^H ^{O }  ^

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





















 

 

 



  

 

브뢴스테드 - 로우리 산 - 염기 이론

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

- 염기 (base) : 양성자 받게 (proton acceptor)

그림 7.3 브뢴스테드 - 로우리의 산 -염기 정의

ex) 염화수소의 이온화

2 3

( ) ( ) ( ) ( )

HCl aq  H O l  H O aq^ Cl aq^

일반식 : HA 가 어떤 산을 나타내면

HA(aq) + H₂O(l) H→ ₃O⁺(aq) + A^-(aq)

예제 7.2 브뢴스테드 - 로우리 산

HNO₃ 가 물에서 브뢴스테드 - 로우리 산으로 작용하는 반응식을 써라 .

풀 이 HNO₃(aq)  H₂O  H₃O^(aq)NO₃^(aq)

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

7.3 산성과 염기성 무수물

비금속 산화물 : 산 무수물 비금속 산화물 + 물 → 산

ex) SO₃ + H₂O H→ ₂SO₄ CO₂ + H₂O H→ ₂CO₃ 예제 7.3 산성 무수물

이산화황이 물과 반응하여 생성되는 산의 화학식을 써라 .

풀 이 SO₂ + H₂O H→ ₂SO₃

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 2 개의 수산화이온을 생성하기 때문에 염 기성이다

7.4 강산 , 강염기 , 약산 , 약염

강산 (strong acid) : 물과 완전히 반응하는 산

기

ex) 염산

약산 (weak acid) : 물과 조금만 반응하는 산

ex) 시안산

; 40,000 의 HCN 분자 중 1 개만이 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 ( 염기 성 )

2 3

( ) ( ) ( ) ( )

HCl aq  H O l  H O aq^ Cl aq^

) ( )

( )

( )

( _{2 4}

3 aq H O l NH aq OH aq

NH  ^{ }  ^

물의 양쪽성 (amphiprotic)

: 산으로도 작용하고 염기로도 작용 산 ( 양성자 주게 )

염기 ( 양성자 받게 )

7.5 중화

중화 (neutralization) 반응 : 산과 염기의 반응 (동량의 수소이온과 수산화이온 반응 )

H⁺ + OH^- H→ ₂O

ex) 수산화나트륨과 염산의 중화반응

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

예제 7.5 중화반응

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

풀 이

KOH(aq) + HNO₃(aq) KNO→ ₃(aq) + H₂O(l)

7.6 pH 척도

pH 척도 : 1909 년 쇠렌센에 의해 산도나 염기도를 나타내는데 사용

- 정의 : : 몰농도

pH < 7 : 산성 pH = 7 : 중성 pH > 7 : 염기성

 



 H

pH log  

그림 7.7 pH 척도 .

pH 가 1 만큼 변하면 히드로늄 이온의 농도는 10 배가 변한다는 뜻임

예제 7.6 수소 이온 농도로부터 pH

수소 이온농도가 1×10^-5 M 인 용액의 pH 는 무엇인가 ? 풀 이

예제 7.7 pH 로부터 수소 이온 농도 계산

pH 가 4 인 용액의 수소 이온 농도를 구하라 . 풀 이

예제 7.8 수소 이온 농도로부터 pH 계산 H⁺ 의 농도가 8×10^-4 M 인 용액의 pH 는 ? (a) 2.9 (b) 3.1 (c) 4.2 (d) 4.8 풀 이

 

log   ⁵ 



 H^{ }

pH

 

 

log   ⁴ 



 H^{ }

pH

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

- 비이커 Ⅲ : H⁺ 수 6 개 , OH^- 수 1 개 ⇒ 산성

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 짝염기 - 짝산 쌍이다 H₂O + HCl ↔ H₃O⁺ + Cl^-

정반응: HCl 에서 H₂O 로 양성자 이동 . 즉 , HCl 은 산 , H₂O 은 염기 역반응 : H₃O⁺ 에서 Cl^- 로 양성자 이동 . 즉 , H₃O⁺ 는 산 , Cl^- 은 염기 짝산 - 짝염기 : 양성자 하나 이동에 의해 산과 염기로 되는 한쌍의 물질 HCl 과 Cl^-: 짝산 - 짝염기

H₃O⁺ 와 H₂O: 짝산 - 짝염기

예제 7.10 짝산 - 짝염기 쌍

(a) HBr 과 (b) HNO₃ 의 짝염기는 무엇인가 ? (c) OH^- 와 (d) HSO₄^- 의 짝산은 무엇인가 ? 풀 이

(a) Br^- (b) NO₃^-

(c) H₂O (d) H₂SO₄

완충용액 (buffer solution)

- 정의 : 적은 양의 강산이나 강염기를 첨가해도 거의 일정한 pH 를 유지한다 . - 약산과 그 짝염기 (ex. HC ₂H₃O₂ 와 C₂H₃O₂^-) 또는

약염기와 그 짝산 (ex. NH ₃ 와 NH₄⁺) 으로 구성됨

- ex) 아세트산의 이온화 반응

아세트산 / 아세트산나트륨 완충용액에 강염기를 첨가하면

아세트산 / 아세트산나트륨 완충용액에 강산을 첨가하면

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

7.8 산업과 일상생활에서 쓰이는 산과 염기

산성비

이산화탄소로 포화된 빗물의 pH = 5.6

산성비 (acid rain) : pH 가 5.6 보다 낮은 비 , 금속과 석조 건축물 부식 산성비의 원인물질

- 인위적인 오염물질

• 석탄을 태울 때 발생하는 SO₂

• 자동차 배출가스에서 나오는 NO₂, NO 등 - 자연적인 오염물질

• 화산폭발시 발생하는 황산화물과 황산

• 번개 발생시 질소산화물과 질산

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 때 문에 의미가 없다 . 어떤 알약은 다른 것보다 더 느 리게 녹을지 모른다 . 약의 작용을 빠르게 하려면 씹어먹으면 된다 .

(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

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

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