제 16장 산과 염기

산(Acid)이란? 염기(Base)란? 산은 신맛이 난다. 식초(Vinegar)의 신맛은 아세트산 때문. 감귤류 과일은 시트르산(Citric Acid)을 함유하고 있다. 금속과 산화반응을 하여 수소가스(Hydrogen Gas)를 생성한다 탄산염(Carbonate)이나 중탄산염(Bicarbonate)과 반응하여 이산화탄소(Carbon dioxide gas)를 생성한다. 염기(Base)란? 염기는 쓴맛이 난다 미끌미끌하다. 많은 비누들이 염기성질을 갖고 있다.

브뢴스테드 산은 양성자 주개 브뢴스테드 염기는 양성자 받개 ⇌ 염기 산 산 염기 짝산 짝염기 염기 산

[ ] ⇌ - ⇌ ⇌ 물에서의 산과 염기의 특성 물에서의 이온화 H2O(l) H+(aq) + OH-(aq) O H + 짝산 H2O + H2O H3O+ + OH- 산 짝염기

물의 이온곱(ion-product constant) Kc = [H+][OH-] [H2O] ⇌ H2O (l) H+ (aq) + OH- (aq) [H2O] = 상수 Kc[H2O] = Kw = [H+][OH-] 이온곱상수(Ion product constant, Kw)는 특정 온도에서 H+ 와 OH- 이온의 몰농도의 곱이다. 수용액 [H+] = [OH-] 중 성 At 250C Kw = [H+][OH-] = 1.0 x 10-14 [H+] > [OH-] 산 성 [H+] < [OH-] 염기성

pH – 산도의 측정 pH = -log [H+] 용액 상태 250C 에서 중 성 [H+] = [OH-] 중 성 [H+] = [OH-] [H+] = 1 x 10-7 pH = 7 산 성 [H+] > [OH-] [H+] > 1 x 10-7 pH < 7 염기성 [H+] < [OH-] [H+] < 1 x 10-7 pH > 7 pH [H+]

다른 중요한 상관관계 pOH = -log [OH-] [H+][OH-] = Kw = 1.0 x 10-14 -log [H+] – log [OH-] = 14.00 pH + pOH = 14.00 pH Meter

⇌ 강한 전해질 – 100% 해리 NaCl (s) Na+ (aq) + Cl- (aq) 약한 전해질 – 완전히 해리되지 않음 H2O 약한 전해질 – 완전히 해리되지 않음 ⇌ CH3COOH CH3COO- (aq) + H+ (aq) 강산들은 강한 전해질이다 HCl (aq) + H2O (l) H3O+ (aq) + Cl- (aq) HNO3 (aq) + H2O (l) H3O+ (aq) + NO3- (aq) HClO4 (aq) + H2O (l) H3O+ (aq) + ClO4- (aq) H2SO4 (aq) + H2O (l) H3O+ (aq) + HSO4- (aq)

⇌ ⇌ ⇌ ⇌ 약산들은 약한 전해질이다 HF (aq) + H2O (l) H3O+ (aq) + F- (aq) HNO2 (aq) + H2O (l) H3O+ (aq) + NO2- (aq) ⇌ HSO4- (aq) + H2O (l) H3O+ (aq) + SO42- (aq) ⇌ H2O (l) + H2O (l) H3O+ (aq) + OH- (aq) 강염기들은 강한 전해질이다 NaOH (s) Na+ (aq) + OH- (aq) H2O KOH (s) K+ (aq) + OH- (aq) H2O Ba(OH)2 (s) Ba2+ (aq) + 2OH- (aq) H2O

⇌ ⇌ 약염기들은 약한 전해질이다. F- (aq) + H2O (l) OH- (aq) + HF (aq) NO2- (aq) + H2O (l) OH- (aq) + HNO2 (aq) 짝산-짝염기 쌍: 강산의 짝염기는 세기를 측정할 수 없다. H3O+ 은 수용액에서 존재할 수 있는 가장 강한 산이다. OH- 이온은 수용액에서 존재할 수 있는 가장 강한 염기이다.

강 산 (HCl) 약 산 (HF)

약산(HA)과 산 이온화상수(Acid Ionization Constants) ⇌ HA (aq) + H2O (l) H3O+ (aq) + A- (aq) ⇌ HA (aq) H+ (aq) + A- (aq) Ka = [H+][A-] [HA] Ka 는 산 이온화상수이다 Ka 약산 세기

약산 이온화 문제들을 풀 때에는: 용액의 pH에 영향을 주는 모든 화학종을 찾아낸다. 대부분의 경우에 , 물의 이온화에 의해 생기는 이온은 무시한다. [H+]로 결정하기 때문에 [OH-]는 무시한다. 이들 화학종들의 평형 상태에서의 농도를 산의 초기 농도와 농도의 변화를 나타내는 미지수 x를 이용하여 나타낸다. 평형 농도를 이용하여 산 이온화 상수(Ka)를 나타낸다.먼저 근사법으로 x 를 구한다. 만약 x의 근사값이 타당하지 않으면 이차 방정식을 이용하거나 연속 근사법을 이용하여 x를 구한다. 일단 x값을 구한 후에 다른 화학종들의 평형 농도와 용액의 pH를 구한다.

x 100% 이온화 백분율 = 일양성자 산에서 이온화 백분율 = [H+] [HA]0 x 100% [HA]0 = 초기 농도 평형에서 이온화된 산의 농도 산의 초기농도 x 100% 이온화 백분율 = 일양성자 산에서 이온화 백분율 = [H+] [HA]0 x 100% [HA]0 = 초기 농도

이양성자산과 다양성자산 분자 당 한 개 이상의 수소 이온을 생성 단계적으로 이온화하므로, 한 단계에 하나의 양성자를 잃음 각 단계마다 이온화 상수를 표현할 수 있음 결론적으로, 산 용액에 있는 화학종의 농도를 계산하기 위해서는 데 둘 가끔 두 개 이상의 평형 상수식이 이용된다.

⇌ 약한 염기와 염기 이온화 상수 NH3 (aq) + H2O (l) NH4+ (aq) + OH- (aq) Kb = [NH4+][OH-] [NH3] Kb 는 염기 이온화 상수이다 약한 염기의 세기 Kb [H+] 대신에 [OH-] 를 사용하는 것을 제외하고는 약산과 같이 약한 염기의 문제를 푼다.

⇌ ⇌ ⇌ 짝산-짝염기에서 이온화 상수 사이의 관계 HA (aq) H+ (aq) + A- (aq) Ka A- (aq) + H2O (l) OH- (aq) + HA (aq) Kb ⇌ H2O (l) H+ (aq) + OH- (aq) Kw KaKb = Kw 약산과 그 짝염기 Ka = Kw Kb Kb = Kw Ka

HF << HCl < HBr < HI 분자 구조와 산의 세기 H X H+ + X- 강한 결합 약한 산 HF << HCl < HBr < HI 산의 세기 증가

분자 구조와 산의 세기 Z O H O- + H+ d- d+ 아래의 경우 O-H결합은 더 극성이거나 더 쉽게 깨어진다:

중심원자의 전기음성도가 증가함에 따라 산의 세기도 증가한다 분자 구조와 산의 세기 1. 주기율표의 같은 족에 속해 있고 같은 산화 상태를 가지지만, 다른 중심 원자를 갖는 산소산. 중심원자의 전기음성도가 증가함에 따라 산의 세기도 증가한다 H O Cl O O • H O Br O O • Cl은 Br보다 더 전기음성적이다 산의 세기 증가 HClO3 > HBrO3

중심 원자의 산화수가 증가함에 따라 산의 세기는 증가한다 분자 구조와 산의 세기 2. 같은 중심 원자(Z)를 가지지만 중심 원자에 결합한 기의 수가 다른 산소산. 중심 원자의 산화수가 증가함에 따라 산의 세기는 증가한다 HClO4 > HClO3 > HClO2 > HClO

NaCl (s) Na+ (aq) + Cl- (aq) 염의 산-염기 성질 중성 용액을 만드는 염: 염은 알칼리 금속이나 알칼리 토금속 이온 (Be2+ 제외) 그리고 강산의 짝염기(예. Cl-, Br-, NO3-)로 이루어져 있음. NaCl (s) Na+ (aq) + Cl- (aq) H2O 염기성 용액을 만드는 염: 강염기와 약산으로부터 염이 생성된다. NaCH3COOH (s) Na+ (aq) + CH3COO- (aq) H2O ⇌ CH3COO- (aq) + H2O (l) CH3COOH (aq) + OH- (aq)

⇌ ⇌ 염의 산-염기 성질 산성 용액을 만드는 염: 강산과 약염기로부터 염이 생성된다. NH4Cl (s) NH4+ (aq) + Cl- (aq) H2O ⇌ NH4+ (aq) NH3 (aq) + H+ (aq) 전하가 큰 금속 양이온 (예. Al3+, Cr3+, Be2+) 과 강산의 짝염기로 이루어진 염은 산성용액을 만든다. ⇌ Al(H2O)6 (aq) Al(OH)(H2O)5 (aq) + H+ (aq) 3+ 2+

Al3+ 의 산 가수분해

염의 산-염기 성질 양이온과 음이온 모두 가수분해에 참여하는 염: 음이온의 Kb 값 > 양이온의 Ka 값, 염기성 용액이 된다 음이온의 Kb 값 < 양이온의 Ka 값, 산성 용액이 된다 음이온의 Kb 값  양이온의 Ka 값, 중성 용액이 된다

대표적인 원소의 최고 산화 상태에서 산화물의 화학식 Na2O (s) + H2O (l) 2NaOH (aq) ⇌ CO2 (g) + H2O (l) H2CO3 (aq) ⇌ N2O5 (g) + H2O (l) 2HNO3 (aq)

산의 정의 아레니우스 산은 물 속에서 H+ (H3O+) 을 제공하는 물질이다. 브뢴스테드-로우리 산은 양성자 주개이다. 루이스 산은 전자쌍을 받는 물질이다. 루이스 염기는 전자쌍을 주는 물질이다. + OH- • H O H • H+ 산 염기 N H • H N H H + H+ + 산 염기

루이스(Lewis) 산과 염기 F B F N H • H F B F N H H + 산 염 기 양성자가 없이도 주거나 받을 수 있다!