산과 염기

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15.1 브뢴스테드 산과 염기 15.12 루이스 산과 염기

15.3 pH―산도의 측정 15.4 산-염기의 세기

15.5 약산과 산 이온화 상수

15.6 약염기와 염기 이온화 상수

15.7 산과 그 짝염기의 이온화 상수 사이의 관계 15.8 이양성자산과 다양성자산

15.9 분자 구조와 산의 세기

산과 염기

15.1 산과 염기

• 브뢴스테드 산(Brønsted acid) : 양성자(H⁺) 주개

• 브뢴스테드 염기(Brønsted base ) : 양성자(H⁺) 받개

• 짝산-짝염기쌍(conjugated acid-base pair) : 산과 그 짝염기 또는 염기와 그 짝산. 짝산-짝염기는 H⁺ 하나 차이

짝산 짝염기 짝염기 짝산

브뢴스테드:

물의 산-염기 성질

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• 물(H₂O)은 HCl 같은 산과 반응할 때는 염기로, NH₃ 같은 염기와 반응할 때는 산으로 작용

• 물(H₂O)의 자체이온화(autoionization): 스스로 OH^-와 H₃O⁺로 이온화하나 약전해질이므로 매우 적은 양만 해리됨

짝염기 짝산 짝산 짝염기

O H

H + O

H

H H

[ ] +

O H

H H O

루이스 산과 염기

• 염기가 양성자를 받을 때 염기의 고립전자쌍과 양성자 사이에 공유결합이 생성

• Lewis acid : 전자쌍을 받을 수 있는 물질

• Lewis base : 전자쌍을 줄 수 있는 물질

H⁺ H O H• •

• • + OH••• • ^-

• •

산 염기

N H

••

H H H⁺ +

산 염기

N H H

H H

+

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Lewis 산 염기의 다른 예

N H

••

H H

산 염기

F B F

F

+ F B

F

F

N H H

H

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15.3 pH―산도의 측정

• 수용액에서 H₃O⁺ 와 OH^- 의 농도는 너무 작은 값이어서 수소 이온 농도의 음의 로그를 취한 값을 용액의 pH로 정의. 단위 없음

• 주어진 pH로 부터 H₃O⁺의 농도를 구하기 위해서는 역로그를 취함

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pH = -log [H

]

[H⁺] = [OH^-] [H⁺] > [OH^-] [H⁺] < [OH^-] 용액

중성 산성

염기성

[H⁺] = 1 x 10^-7 [H⁺] > 1 x 10^-7 [H⁺] < 1 x 10^-7

pH = 7 pH < 7 pH > 7 25⁰C에서

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• pOH : 수산화 이온(OH^-) 농도의 음의 로그 값

• 25⁰C에서 K_w = [H⁺][OH^-] = 1.0 x 10^-14 이므로

pH와 pOH

pOH = -log [OH

]

-log [H⁺] – log [OH^-] = 14.00 pH + pOH = 14.00

pH 미터

15.4 산-염기의 세기 (강산 vs. 약산)

• 강산(strong acid): 물에서 완전히 이온화한다고 가정할 수 있는 강전해질인 산

• 약산(weak acid): 물에서 적은 양만 이온화하는 약전해질인 산 HNO₃ (aq) + H₂O (l) H₃O⁺ (aq) + NO₃^- (aq)

HClO₄ (aq) + H₂O (l) H₃O⁺ (aq) + ClO₄^- (aq) H₂SO₄ (aq) + H₂O (l) H₃O⁺ (aq) + HSO₄^- (aq) HCl (aq) + H₂O (l) H₃O⁺ (aq) + Cl^- (aq)

HNO₂ (aq) + H₂O (l) H₃O⁺ (aq) + NO₂^- (aq) HSO₄^- (aq) + H₂O (l) H₃O⁺ (aq) + SO₄^2- (aq) H₂O (l) + H₂O (l) H₃O⁺ (aq) + OH^- (aq)

HF (aq) + H₂O (l) H₃O⁺ (aq) + F^- (aq)

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강산 약산

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• 강염기(strong base): 물에서 완전히 이온화한다고 가정할 수 있는 강전해질인 염기

• 약염기(weak base): 물에서 적은 양만 이온화하는 약전해질인 염기

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NaOH (s) NaH₂O ⁺ (aq) + OH^- (aq) KOH (s) KH₂O ⁺ (aq) + OH^- (aq)

Ba(OH)₂ (s) BaH₂O ²⁺ (aq) + 2OH^- (aq)

F^- (aq) + H₂O (l) OH^- (aq) + HF (aq)

NO₂^- (aq) + H₂O (l) OH^- (aq) + HNO₂ (aq)

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• 산이 강하면 짝염기의 세기는 매우 약함

• H₃O⁺은 수용액에서 존재할 수 있는 가장 강한 산. H₃O⁺보다 강한 산은 물과 반응하여 H₃O⁺와 그것의 짝염기를 생성하기 때문(예: H₃O⁺ 보다 강한 산 HCl은 물과 반응하여 H₃O⁺ 형성)

• 같은 이유로 OH^- 이온은 수용액에서 존재할 수 있는 가장 강한 염기 (예: OH^-보다 강한 염기 O^2-는 물과 반응하여 OH^- 형성)

짝산-짝염기 쌍

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15.5 약산과 산 이온화 상수

• 약산의 이온화 상수: 특정 온도에서의 약산의 이온화에 대한 평형상수

• 산의 초기농도와 K_a값을 알면 산 용액의 수소 이온의 평형 농도와 pH를 계산할 수 있음

• 약산 용액의 pH나 초기농도를 알면 K_a값을 계산할 수 있음

• K_a값은 온도에 따라 달라짐

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HA (aq) + H₂O (l) H₃O⁺ (aq) + A^- (aq)

K_a = [H⁺][A^-]

[HA] K_a : 산 이온화 상수

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15.6 약염기와 염기 이온화 상수

• 약염기의 이온화 상수(K_b ): 특정 온도에서의 약염기의 이온화에 대한 평형상수

• 염기의 초기농도와 K_b 값을 알면 염기 용액의 수산화 이온(또는 수소 이온)의 평형 농도와 pH를 계산할 수 있음

• 약염기 용액의 pH나 초기농도를 알면 K_b 값을 계산할 수 있음

• K_b 값은 온도에 따라 달라짐

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K_b = [NH₄⁺][OH^-]

[NH₃] K_b : 염기 이온화 상수 NH₃ (aq) + H₂O (l) NH₄⁺ (aq) + OH^- (aq)

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15.7 산과 그 짝염기의 이온화 상수 사이의 관계

• 수용액에서 아세트산(CH₃COOH)의 평형

• 수용액에서 아세트산 소듐(CH₃COONa)의 평형

• 짝산-짝염기쌍에 대하여

CH₃COOH (aq) H⁺ (aq) + CH₃COO^- (aq)

CH₃COO^- (aq) + H₂O (l) OH^- (aq) + CH₃COOH (aq)

K_aK_b = K_w K_a = [H⁺][CH₃COO^-]

[CH₃COOH]

K_b = [CH₃COOH][OH^-] [CH₃COO^-]

K_a K_b = [H⁺][CH₃COO^-] [CH₃COOH][OH^-] [CH₃COOH] [CH₃COO^-]

= K_w

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15.8 이양성자산과 다양성자산

• 분자 당 두 개 이상의 수소 이온을 생성

• 수소 이온을 잃는 단계에 따라 일차 이온화 상수(K_a1 ), 이차 이온화 상수(K_a2 )…등의 평형상수가 존재하며 K_a1 >>K_a2

• K_a1 >>K_a2 이유는 중성 분자에서 수소 이온이 떨어져 나가는 것이 음이온에서 수소 이온이 떨어져 나가는 것보다 쉽기 때문

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15.9 분자 구조와 산의 세기

• 산의 세기는 용매, 온도, 분자 구조 등 다양한 요소에 의존

• H-X 산의 경우 H-X 결합의 세기가 클수록 수소 이온이 떨어져나가기 어려워 약산

• 할로젠화 수소산:

산의 세기: HF << HCl < HBr < HI (결합세기가 주 요인) 결합의 극성: HF > HCl > HBr > HI

결합의 세기: HF > HCl > HBr > HI

• 산소산(oxoacid): 수소(H), 산소(O), 중심 위치를 점유하는 다른 원소 Z 를 포함하는 산 (–Z-O-H)

- 중심 원자(Z)가 주기율표의 같은 족에 있는 산의 경우, Z의

전기 음성도가 증가할 수록 산의 세기 증가  전자를 잡아당겨 O-H의 극성을 증가시키기 때문

- 중심 원자가 같지만 중심 원자에 결합한 기(group)의 개수가 다른 산소산의 경우에는 중심 원자의 산화수가 증가함에 따라 산의 세기 증가

산소의 수가 증가하면 전자를 더 잡아당겨 O-H 결합의 극성 증가

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