산-염기 평형

18-1

18.1 물 속의 산과 염기

18.2 물의 자동 이온화와 pH 척도

18.3 양성자 이동과 브뢴스테드－로우리 산－염기 정의 18.4 약한 산 평형을 포함하는 문제 풀기

18.5 약한 염기와 약한 산과의 관계 18.6 분자의 특성과 산의 세기

18.7 염 용액의 산-염기 성질

18.8 전자쌍 주개와 루이스 산-염기 정의

산-염기 평형

제 18 장

18.1 물 속의 산과 염기

 하이드로늄 이온 (H₃O⁺)

: 양성자가 물분자를 구성하는 산소원자의 비공유 전자쌍과 공유결합한 이온

아레니우스의 산-염기, 중화 반응 정의

- 산은 화학식에 H를 갖고 물에 용해될 때 H₃O⁺를 낸다 - 염기는 화학식에 OH를 갖고 물에 용해될 때 OH^-를 낸다 - 중화 반응 : 산의 H⁺와 염기의 OH^- 가 결합하여 H₂O 생성

센 산 : 물 속에서 완전히 이온들로 해리 - 할로젠화 수소산 : HCl, HBr, HI

- 산소원자수가 양성자수를 2개 이상 초과하는 산소산 : HNO₃, H₂SO₄

센 염기 : O^2-, OH^-이온을 포함하는 수용성 화합물 - M₂O, MOH : M = 1족 (알칼리 금속)

- MO, M(OH)₂ : M = 2족 (알칼리 토금속)

18-3

그림 18.2 센 산의 해리도.

강산: HA(g 또는 l) + H₂O(l) → H₃O⁺(aq) + A^-(aq)

용액에서 HA 분자들은 존재하지 않는다.

그림 18.3 약한 산의 해리도.

약산: HA(aq) + H₂O(l) H₃O⁺(aq) + A^-(aq) 대부분의 HA 분자들은 해리되지 않는다.

18-5

산 해리 상수

약한 산은 물에서 아주 조금 이온화된다.

센 산은 물에서 완전히 이온화된다.

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

HA(aq) + H₂O(l) H₃O⁺(aq) + A^-(aq)

K_c >> 1

K_c << 1

K_c = [H₃O⁺][A^-] [H₂O][HA]

K_c[H₂O] = K_a = [H₃O⁺][A^-] [HA]

더 센 산 더 높은 _[H3O⁺_] 더 큰 _Ka

더 작은 _Ka 더 낮은 _[H3O⁺_] 더 약한 산

산 해리 상수, K

[H

O

][A

] [HA][H

O]

K

= K

[H

O] = K

= [H

O

][A

] [HA]

K

값은 산의 세기를 나타내는 척도이다.

HA(aq) + H

O(l) H

O

(aq) + A

(aq)

강산 더 높은 [H₃O⁺] 더 큰 K_a

약산 HA의 해리(%)가 더 낮음 더 작은 K_a

18-7

예제 18.1 화학식으로 산과 염기의 세기 분류

풀이:

(a) 센 염기: KOH 1A(1) 족 수산화물의 하나이다.

문제: 아래의 화합물들을 센 산, 약한 산, 센 염기, 또는 약한 염기로 각각 분류하라.

(a) KOH (b) (CH₃)₂CHCOOH (c) H₂SeO₄ (d) (CH₃)₂CHNH₂

(b) (b) 약한 산: (CH₃)₂CHCOOH 는 ─COOH 기로 보아 카복시산이다.

–COOH 의 양성자는 이 화합물에서 유일하게 이온화 되는 양성자이다.

(c) 센 산: He₂SO₄ 는 O 원자의 개수가 이온화될 수 있는 수소원자의 개수보다 2개 이상 더 많은 옥소산이다.

(d) 약한 염기: (CH₃)₂CHNH₂ 은 N 원자에 비공유 전자쌍을 가지고 있고, 아민이다.

K

=

[H

O

][OH

] [H

O]

K

[H

O]

= [H

O

][OH

] 물의 이온 곱 상수

K

=

[H₃O⁺] 의 변화는 [OH^-]를 반대로 변하게 한다.

= 1.0 x 10

(at 25

C) H

O(l) + H

O(l) H

O

(aq) + OH

(aq)

산성 용액에서, [H₃O⁺] > [OH^-] 염기성 용액에서, [H₃O⁺] < [OH^-] 중성 용액에서, [H O⁺] = [OH^-]

18. 2 물의 자동 이온화와 pH 척도

18-9

[H₃O⁺] 와 [OH^-]의 관계 및 용액의 상대적인 산도

예제 18.2 수용액 중의 [H₃O⁺] 와 [OH^-] 계산

풀이:

K_w = 1.0x10⁻¹⁴ = [H₃O⁺] [OH⁻] so

[H₃O⁺] is > [OH⁻] 용액은 산성이다.

= 3.3x10⁻¹¹ M [OH^-]

=

K_w [H₃O⁺]

1.0x10⁻¹⁴ 3.0x10⁻⁴

=

문제: 화학 연구자가 25℃ 순수한 물에 일정 양의 염화 수소 기체를 넣어[H₃O⁺] = 3.0 x 10^-4 M이 되게 하였다. [OH^-]를 계산하라. 이 용액은 산성인가, 중성인가, 염기성인가?

18-11

pH = -log [H

O

] [H

O

][OH

] K

=

= 1.0 x 10

(at 25

C) pK

= pH + pOH = 14

(at 25^oC)

그림 18.4

몇 가지 친숙한 수용액의 pH 값.

pK

= -logK

pK

가 낮으면 K

는 높다.

18-13

예제 18.3 [H₃O⁺], pH, [OH⁻], pOH계산

풀이:

[H₃O⁺] = 2.0 M

a) 2.0 M HNO₃ 를 계산하면:

pH = -log[H₃O⁺] = -log(2.0) = -0.30 K_w

[H₃O⁺]

[OH^-] = = 1.0x10^-14

2.0 = 5.0x10^-15 M

pOH = -log[OH⁻] = -log(5.0x10⁻¹⁵) = 14.30

문제: 예술품 복구 계획에서 복구자는 동판을 부식시키기 위해 진한 질산을 희석시켜 2.0 M, 0.30 M, 및 0.0063 M의 HNO₃ 용액을 준비하였다.

온도가 25℃일 때 세 용액에서 [H₃O⁺], pH, [OH^-], 및 pOH를 계산하라.

[H₃O⁺] = 0.30 M

b) 0.30 M HNO₃를 계산하면:

pH = -log[H₃O⁺] = -log(0.30) = 0.52 K_w

[H₃O⁺]

[OH^-] = = 1.0x10^-14

0.30 = 3.3x10^-14 M

pOH = -log[OH⁻] = -log(3.3x10⁻¹⁴) = 13.48

[H₃O⁺] = 0.0063 M

c) 0.0063 M HNO₃를 계산하면:

pH = -log[H₃O⁺] = -log(0.30) = 2.20 K_w

[H₃O⁺]

[OH^-] = = 1.0x10^-14

0.0063 = 1.6x10⁻¹² M

pOH = -log[OH^-] = -log(1.6x10⁻¹²) = 11.80 예제 18.3 [H₃O⁺], pH, [OH⁻], pOH계산

18-15

그림 18.5 [H₃O⁺], pH, [OH^-], pOH 사이의 상관 관계.

그림 18.6 수용액의 pH를 측정하는 방법.

pH 종이

pH 미터

18-17

 산-염기 반응을 반응물과 생성물의 견지에서 바라볼 수 있다.

 산 반응물은 염기 생성물을 만들고 이 둘이 모여 짝산-짝염기 쌍을 이룬다.

 산은 양성자 주개로 , H⁺를 내는 화학종을 말한다.

 염기는 양성자 받개로, H⁺를 받는 화학종을 말한다_.

18. 3 양성자 이동과 브뢴스테드-로우리 산-염기 정의

 반응은 센 산과 센 염기가 약산과 약염기를 형성하는 방향으로 진행

그림 18.8 Brø nsted-Lowry 산-염기 반응에서 필수적 특징인 양성자 이동.

18-19

짝산-염기 쌍

H

S + NH

HS

+ NH

NH

는 H

를 받아 NH

를 형성한다 . 정반응에서 :

역반응에서 :

H

S + NH

HS

+ NH

HS

는 H

받아 H

S 를 형성한다.

H

S 는 H

를 내어놓고 HS

를 형성한다.

NH

는 H

를 내어놓고 NH

를 형성한다.

짝 산-염기 쌍 확인

풀이:

(a) H₂PO₄⁻(aq) + CO₃²⁻(aq) HPO₄²⁻(aq) + HCO₃⁻(aq) 산₁ 염기₂ 염기₁ 산₂

예제 18.4

문제: 다음은 중요한 환경 공정이다. 짝산－짝염기 쌍을 확인하라.

(b) H₂O(l) + SO₃^2-(aq) OH^-(aq) + HSO₃^-(aq)

(a) H₂PO₄^-(aq) + CO₃^2-(aq) HPO₄^2-(aq) + HCO₃^-(aq)

짝산-염기 쌍은 H₂PO₄^-/HPO₄^2- 와 CO₃^2-/HCO₃^- 이다.

(b) H₂O(l) + SO₃²⁻(aq) OH⁻(aq) + HSO₃⁻(aq) 산₁ 염기₂ 염기₁ 산₂

짝산-염기 쌍은 H O/OH^- 와 SO ^2-/HSO ^- 이다.

18-21

반응의 알짜 방향

산-염기 반응의 알짜 방향은 산과 염기의 상대적인 힘에 좌우된다.

반응은 약산과 약염기가 형성되는 방향을 선호하며, 이 방향으로 진행이 된다.

H

S + NH

HS

+ NH

강염기

약염기 강산

약산

이 반응은 생성물의 형성되는 방향으로 우세하다.

산과 염기 반응의 알짜 방향 예측

문제: 다음 반응의 알짜 방향과K_c가 1보다 큰가 작은가를 예측하라.

(모든 종의 초기 농도는 동일하다고 가정하라):

H₂PO₄^-(aq) + NH₃(aq) NH₄⁺(aq) + HPO₄^2-(aq)

풀이: (a) H₂PO₄^-(aq) + NH₃(aq) HPO₄^2-(aq) + NH₄⁺(aq) 더 센 산 더 센 염기 더 약한 염기 더 약한 산

알짜 방향은 오른쪽이고 K_c > 1이다.

예제 18.5

18-23

그림 18.8

짝산-짝염기 쌍의 세기.

분자 그림을 이용하여 산-염기 반응의 알짜 방향 예측

문제: 0.10 M 용액 HX (파랑과 초록) 의 pH는 2.88이고 0.10 M 용액 HY (파랑과 주황) 의 pH는 3.52일 때, 같은 농도의 HX 와 Y^- (주황)을 혼합한 용액의 평형 상태를 가장 잘 나타낸 그림은 어떤 것인가?

풀이: HX가 HY보다 더 센 산(낮은 pH)이다; Y^- 가 X^-.보다 더 센 염기다 HX + Y^- 반응은 K_c > 1일 것이다. 평형 혼합물에는 HY가 HX 보다 많고 X^- 가 Y^-보다 많다. 그러므로, 그림 3 이 가장 평형 혼합물을 잘 표현한다.

예제 18.6

18-25

18. 4 약한 산 평형을 포함하는 문제 풀기

 평형 문제 유형

- 주어진 평형 농도에서 K_a 찾기

- 주어진 K_a 와 몇 개의 농도 정보로부터 다른 평형 농도 찾기

 문제 해결 과정

- 균형잡힌 반응식과 K_a 표현 쓰기 - x 를 반응 중 농도 변화로 정의 - 반응표 구성

- 가정을 통하여 계산 과정을 간단하게 만들기 (일반적으로 x는 초기 농도에 비해 매우 작다) - K_a 에 값을 도입하고 x를 구하기

 가정

- 물에서 자동 이온화된 [H₃O⁺] 는 무시한다

- 약한 산은 작은 K_a 값을 가진다 [HA] ≈ [HA]_init.

용액의 pH로부터 약한 산의 K_a 계산

문제: 페닐아세트산(C₆H₅CH₂COOH, 간략하여 HPAc)는 사람들의 혈액 속에 페닐케톤뇨증과 함께, 유전 장애를 증가시키고, 치료하지 않을 경우 정신박약 및 죽음을 일으키는 원인이 된다. 이에 대한 어떤 연구에서 0.12 M HPAc의 pH = 2.62이다. 페닐아세트산의 K_a는?

K_a = [H₃O⁺][PAc^-] [HPAc]

가정: pH가 2.62이므로, [H₃O⁺]_HPAc >> [H₃O⁺]_water.

[PAc^-] ≈ [H₃O⁺]; HPAc 은 약한산이므로, [HPAc]_초기 ≈ [HPAc]_초기 - [HPAc]_해리

풀이: HPAc(aq) + H₂O(l) H₃O⁺(aq) + PAc^-(aq)

예제 18.7

18-27

용액의 pH로부터 약한 산의 K_a 계산

농도 (M) HPAc(aq) + H₂O(l) H₃O⁺(aq) + PAc^-(aq)

초기 0.12 - 1 x 10^-7 0

변화 -x - +x +x

평형 0.12 - x - x + (<1 x 10^-7) x [H₃O⁺] = 10^-pH = 2.4 x 10^-3 M 이는 >> 10^-7 (물의 [H₃O⁺])

x ≈ 2.4 x 10^-3 M ≈ [H₃O⁺] ≈ [PAc^-] [HPAc]_평형 = 0.12 - x ≈ 0.12 M

So K_a = (2.4x10^-3) (2.4x10^-3) 0.12

= 4.8 x 10^-5

% 오차를 꼭 검토하도록 한다.

= 4 x 10^-3 %

x100 [HPAc]_해리; 2.4x10^-3 M

0.12 M [H₃O⁺]_물에서; 1x10^-7 M

2.4x10^-3 M

x100

= 2.0%

예제 18.7

18-28

K_a 와 초기의 [HA]로 부터 농도 계산

문제: 프로판산(CH₃CH₂COOH, 간단하게 HPr로 표기)은 카복실 산으로 그 염은 식품의 방부제로 쓰인다. 0.10 M HPr (K_a = 1.3 x 10^-5)의 [H₃O⁺] 는?

풀이:

HPr(aq) + H₂O(l) H₃O⁺(aq) + Pr^-(aq) 농도 (M)

초기 0.10 - 0 0

변화 -x - +x +x

평형 0.10 - x - x x

K_a 가 작기 때문에, x << 0.10이라고 가정한다

K_a = [H₃O⁺][Pr ^-] [HPr]

(x)(x) 0.10 1.3 x 10^-5 =

[H₃O⁺][Pr ^-] [HPr]

=

x  (0.10)(1.3x10^5) = 1.1 x 10^-3 M = [H₃O⁺] 검토: [HPr]_해리 = x 100 = 1.1% 1.1 x 10^-3M

0.10 M

예제 18.8

18-29

HA 해리백분율 =

[HA]_해리 [HA]_초기

x 100

 다양성자 산

: 둘 이상의 이온화 가능한 양성자를 가진 산

H₃PO₄(aq) + H₂O(l) H₂PO₄^-(aq) + H₃O⁺(aq)

H₂PO₄^-(aq) + H₂O(l) HPO₄^2-(aq) + H₃O⁺(aq)

HPO₄^2-(aq) + H₂O(l) PO₄^3-(aq) + H₃O⁺(aq)

K_a1 = [H₃O⁺][H₂PO₄^-] [H₃PO₄]

K_a2 = [H₃O⁺][HPO₄^2-] [H₂PO₄^-]

K_a3 = [H₃O⁺][PO₄^3-] [HPO₄^2-] K_a1 > K_a2 > K_a3

= 7.2 x 10^-3

= 6.3 x 10^-8

= 4.2 x 10^-13

 산 해리도에 대한 농도의 효과 : 초기 산 농도가 감소할 수록 산의 해리 백분율 증가

분자 도식을 사용하여 HA의 해리도 계산

문제: 0.15 M의 산 HA(파랑과 녹색)는 33% 해리한다. 다음 중 이 용액을 물로 묽힌 것은 어느 것인가?

풀이: 용액 1: 4/(5 + 4) x 100 = 44%

용액 2: 2/(7 + 2) x 100 = 22%

용액 3: 3/(6 + 3) x 100 = 33%

따라서, 그림 1이 묽힌 용액이다.

예제 18.9

18-31

18. 5 약한 염기와 약한 산과의 관계

 염기 (B)가 용해 될때 산으로 작용하는 H₂O로부터 양성자를 받고 OH^-를 내놓음 B(aq) + H₂O(l) BH⁺(aq) + OH^- (aq)

K_b = [BH⁺][OH^-] [B]

그림 18.10 메틸아민에 의해 물 분자에서 양성자 하나가 제거되는 과정.

K_b와 초기의 [B] 농도로 부터 pH 계산

문제: 세제 합성의 핵심 중간 생성물인 다이메틸아민, (CH₃)₂NH,의 K_b 는 5.9 x 10^-4 이다. 1.5 M (CH₃)₂NH의 pH는?

계획: 산에서와 같은 계산을 한다. 계산은 K_b 와 염기로 하고 있음을 명심하라.

가정: K_b >> K_w 이므로 [OH^-]_물로부터 는 무시할 수 있다.

[(CH₃)₂NH₂⁺] = [OH^-] = x ; [(CH₃)₂NH₂⁺] - x ≈ [(CH₃)₂NH]_초기

예제 18.10

18-33

K_b와 초기의 [B] 농도로 부터 pH 계산

K_b = 5.9 x 10^-4 = [(CH₃)₂NH₂⁺][OH^-]

[(CH₃)₂NH] 5.9 x 10^-4 =

x²

1.5 x = 3.0 x 10^-2 M = [OH^-] 가정 검토:

[H₃O⁺] = = = 3.3 x 10^-13 M pH = -log 3.3 x 10^-13 = 12.48

1.0 x 10^-14 M 3.0 x 10^-2M

x 100 = 2%

3.0 x 10^-2 M 1.5 M K_w [OH^-] 풀이:

초기 1.5 - 0 0

변화 - x - + x + x

평형 1.5 - x - x x

(CH₃)₂NH(aq) + H₂O(l) (CH₃)₂NH₂⁺(aq) + OH^-(aq) 농도 (M)

예제 18.10

약한 염기로서 약한 산의 음이온

약산의 음이온은 종종 약염기의 기능을 한다.

A

(aq) + H

O(l) HA(aq) + OH

(aq) K

=

[HA][OH

] [A

] HA 용액은 산성이다. 반면에 A

용액은 염기성이다.

HF(aq) + H

O(l) H

O

(aq) + F

(aq)

HF 는 약산이다. 그래서 이 평형은 왼쪽으로 놓여있다.

[HF] >> [F

], 그리고 [H

O

]

>> [OH

] ; 그러므로 용액은 산성을 나타낸다.

H₂O

18-35

F

(aq) + H

O(l) HF(aq) + OH

(aq)

만약 NaF 가 물에 용해된다면 이것은 완전히 용해될 것이고, F

는 약염기로서 작용할 것이다.

F

는 약염기이므로 평형은 왼쪽으로 놓여있다.

[F

] >> [HF], 그리고 [OH

] >> [H

O

] ; 그러므로 용액은 염기성이다.

H₂O F^-

짝산-짝염기 쌍의 K

와 K

HA + H

O H

O

+ A

A

+ H

O HA + OH

2H

O H

O

+ OH

= [H

O

][OH

] K

전체반응식 = K

x K

그러므로

[H

O

][A

] [HA]

[HA][OH

] [A

]

x

K

x K

= K

이러한 관계는 모든 짝산-짝염기 쌍에 적용된다.

18-37

A^- 용액의 pH 계산

문제: 아세트산 소듐(CH₃COONa 또는 NaAc)은 직물 염색에 사용된다.

0.25 M NaAc 용액의 pH는 얼마인가?

아세트산(HAc)의 K_a는 1.8 x 10^-5이다.

풀이:

계획: 소듐 염은 물에서 가용성이므로 [Ac^-] = 0.25 M.

아세트산에 대한 결합 반응식을 쓰고; K_a 를 이용하여 K_b를 계산한다.

초기 0.25 - 0 0

변화 -x - +x +x

평형 0.25 - x - x x

Ac^-(aq) + H₂O(l) HAc(aq) + OH^-(aq) 농도

K_b = [HAc][OH^-] [Ac^-] =

K_w K_a

= 5.6 x 10^-10 K_b = 1.0 x 10^-14

1.8 x 10^-5

예제 18.11

A^- 용액의 pH 계산

K_b = [HAc][OH^-] [Ac^-]

[Ac^-] = 0.25 M - x ≈ 0.25 M 5.6 x 10^-10 =

x= 1.2 x 10^-5 M = [OH^-]

Check assumption: x 100 = 4.8 x 10^-3 % [H₃O⁺] = = = 8.3 x 10^-10 M

pH = -log (8.3 x 10^-10) pH = 9.08 K_w

[OH^-]

1.0 x 10^-14 1.2 x 10^-5

1.2 x 10^-5 M 0.25M

x² 0.25M

예제 18.11

18-39

그림 18.11 비금속 수소화물의 산도에 미치는 원자와 분자의 성질.

18. 6 분자의 특성과 산의 세기

 비금속 수소화물에서 산의 세기의 경향성

- 중심 비금속(E)의 전기음성도와 E-H 결합 세기 1.주기의 오른쪽으로 갈수록 비금속 수소화물의 산의 세기는 증가(전기음성도)

2. 족의 아래로 갈수록 비금속 수소화물의 산의 세기 증가 (E-H 결합 세기)

그림 18.12 산소산의 상대적인 세기.

 산소산의 산의 세기의 경향성

- 분자 중심 비금속원자(E)의 전기음성도와 산소의 개수

1.E를 둘러싸고 있는 산소의 개수가 같은 산소산의 경우 E의 전기음성도가 클수록 산의 세기 증가

2.E를 둘러싸고 있는 산소의 개수가 다른 산소산의 경우 산소의 수가 많을 수록 산의 세기 증가

18-41

The Oxyacids of Chlorine

하이포염소산 아염소산 염소산 과염소산

약산 강산

Cl O

하이포염소산 이온

Cl O

O O Cl O

아염소산 이온

염소산 이온

Cl O O

O

Cl O O

O

Cl

O O

O

과염소산 이온

Cl O O

O

O

O Cl O O

O

O Cl O O

O

Cl

O O

O

O

18-43

그림 18.13 수화된Al³⁺ 이온의 산 거동.

M(H

O)

(aq) + H

O(l) M(H

O)

OH

+ H

O

(aq)

만약 Mⁿ⁺ 이 작거나 높은 전하수를 나타낸다면, 물의 O-H 결합으로부터 많은 전자밀도를 끌어당길 수 있어 쉽게 H⁺ 를 내어놓을 수 있다:

 수화된 금속 이온의 산도

중성 용액을 만드는 염

센 산의 음이온과 센 염기의 양이온으로 구성된 염은 중성을 나타낸다.

NaNO

Na⁺ 는 센 염기인

NaOH의 양이온이다.

NO₃^- 는 센 산인

HNO₃의 음이온이다.

이 용액은 중성인데, Na

와 NO

둘다 물과 거의 반응하지 않기 때문이다.

18. 7 염 용액의 산-염기 성질

18-45

센 산의 음이온과 약한 염기의 양이온으로 구성된 염은 산성용액을 형성한다.

NH

Cl

NH₄ ⁺ 는 NH₃의

양이온으로, 약한 산이다.

Cl^- 은 HCl의 음이온으로, 센 산의 음이온이므로 반응 하지 않는다.

이 용액은 산성인데, NH

가 물과 반응하여 H

O

를 내기 때문이다:

NH

(aq) + H

O(l) NH

(aq) + H

O

(aq)

산성 용액을 만드는 염

약한 산의 음이온과 센 염기의 양이온으로 구성된 염은 염기성용액을 형성한다.

CH

COONa

CH₃COO^- 는CH₃COOH의 음이온으로, 약한 염기이다.

Na⁺ 은 센 염기인 NaOH의 양이온으로 반응하지 않는다.

이 용액은 염기성인데, CH

COO

가 물과 반응하여 OH

를 형성하기 때문이다:

CH

COO

(aq) + H

O(l) CH

COOH(aq) + OH

(aq)

염기성 용액을 만드는 염

18-47

예제 18.12 이온과 물의 반응으로부터 염 용액의 상대적 산도 예측하기

풀이:

(a) K⁺ 은 강염기 (KOH)의 양이온이다. ClO₄^- 은 강산 (HClO₄)의 음이온이다.

이 용액은 중성.

문제: 다음 수용액이 산성인지, 중성인지, 염기성인지 예측하라. 그리고 각각의 반응에 대한 반응식을 써라.

(a) 과염소산 포타슘, KClO₄ (b) 벤조산 소듐, C₆H₅COONa (c) 질산 크로뮴(III), Cr(NO₃)₃

(b) Na⁺ 는 강염기 (NaOH)의 양이온이고, C₆H₅COO^- 은 약산 (benzoic

acid)의 음이온이다. C₆H₅COO^- 은 물과 반응하여 OH^- 이온을 형성한다:

C₆H₅COO⁻(aq) + H₂O(l) C₆H₅COOH(aq) + OH⁻(aq) 염기성

(c) NO₃^- 는 강산 (HNO₃)의 음이온이고 물과 거의 반응하지 않는다. Cr³⁺ 는 작은 금속양이온으로, 전하밀도가 크다. 이것은 수화될 수 있고, 수화된 이온은 물과 반응하여 H₃O⁺ 이온을 형성한다:

Cr(H₂O)₆³⁺(aq) + H₂O(l) Cr(H₂O)₅OH²⁺(aq) + H₃O⁺(aq) 산성

약산의 음이온과 약염기의 양이온으로 구성된 염에

대해서, 용액의 pH는 이온의 상대적인 산도, 염기도에 좌우될것이다.

NH

CN

NH₄+ 은 약염기인 NH₃의 양이온이다.

CN^- 은 약산인 HCN의 음이온이다.

약한 산의 양이온과 약한 염기의 음이온으로 구성된 염

CN

(aq) + H O(l) HCN(aq) + OH

(aq)

NH

(aq) + H

O(l) NH

(aq) + H

O

(aq)

18-49

NH

의 K

= K

NH

의 K

1.0x10

1.76x10

= = 5.7x10

CN

의 K

= K

HCN의 K

1.0x10

6.2x10

= = 1.6x10

더 오른쪽으로 치우치는 반응이 용액의 pH에 더 크게 영향을 미치게 될 것이므로, NH

의 K

와 CN

의 K

를 비교해야 한다.

K

(CN

) > K

(NH

)이기 때문에, CN

의 염기도는 NH

의

산도보다 더 크다. 따라서 NH

CN 용액은 염기성이다.

18-51

예제 18.13 이온의 K_a 와 K_b 값으로부터 염 용액의 상대적 산도 예측하기

풀이:

Zn(H₂O)₆²⁺ 의 K_a = 1x10⁻⁹ (부록 C로 부터.)

K_a : Zn(H₂O)₆²⁺ >> K_b : HCOO^-, 따라서 용액은 산성이다.

Zn(H₂O)₆²⁺(aq) + H₂O(l) Zn(H₂O)₅OH⁺(aq) + H₃O⁺(aq) HCOO⁻(aq) + H₂O(l) HCOOH(aq) + OH⁻(aq)

HCOO⁻ 의K_b = K_w

K_a of HCOOH

1.0x10⁻¹⁴ 1.8x10⁻⁴

= = 5.6x10⁻¹¹

문제: 포름산 아연 Zn(HCOO)₂, 수용액이 산성인지, 염기성인지, 아니면 중성인지 예측하라.

계획: Zn²⁺ 는 작고 전하밀도가 큰 양이온이다. 반면에, HCOO^- 는 약산의 음이온이다. 둘다 물과 반응하기 때문에, 용액의 산도를 결정하기 위해서는 K_a (Zn²⁺)와 K_b (HCOO^-)을 비교해야 한다.

루이스 염기(Lewis base)는 전자쌍을 내어 놓고 결합을 형성하는 물질이다.

루이스 산(Lewis acid) 는 전자쌍을 받고 결합을 형성하는 물질이다.

루이스 정의는 산-염기 반응을 나타내는데, 특히 전자쌍을 주고 받는 반응에서 형성되는 공유 결합과 관련이 있다.

18. 8 전자쌍 주개와 루이스 산-염기 정의

18-53

F

B F F

H N

H H +

F

B F F

H N

H H

산 염기 첨가 생성물

산은 전자쌍 받개이다.

염기는 전자쌍 주개이다.

M²⁺

H₂O(l)

M(H₂O)₄²⁺(aq)

첨가 생성물

 루이스 산-염기 정의

루이스 산과 루이스 염기 확인

문제: 다음 반응에서 루이스 산과 루이스 염기를 밝혀라.

(a) H⁺ + OH^- H₂O (b) Cl^- + BCl₃ BCl₄^-

(c) K⁺ + 6H₂O K(H₂O)₆⁺

풀이:

계획: 반응식에서 전자쌍 받개 화학종(산)과 전자쌍 주개 화학종(염기)을 찾는다.

(a) H⁺ + OH^- H₂O 받개₍산₎

주개₍염기₎

(b) Cl^- + BCl₃ BCl₄^- 주개₍염기₎

받개₍산₎

(c) K⁺ + 6H₂O K(H₂O)₆⁺ 받개₍산₎

주개₍염기₎ 예제 18.14