1.10 산과 염기: Brønsted–Lowry 정의

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1 1.10 산과 염기: Brønsted–Lowry 정의
Brønsted–Lowry 산: 수소 이온(H +)을 주는 물질. Brønsted–Lowry 염기: 수소 이온을 받는 물질. 양성자라는 이름이 종종 중성인 수소 원자로부터 원자가 전자를 잃고 수소 핵, 즉 양성자를 남기기 때문에 H+에 대한 동의어로서 사용된다.

2 산-염기 반응 염화 수소 기체가 물에 용해할 때 산 HCl은 양성자를 염기인 물에 준다. 그 결과 하이드로늄(H3O+) 과 염화 이온(Cl )을 생성한다 산 HCl이 양성자를 잃고 생기는 생성물은 그 산의 짝염기(conjugate base)라 부르고, 염기H2O가 양성자를 얻어 생성된 생성물인H3O+를 염기의 짝산(conjugate acid)이라 부른다 .

3 수용액에서 주어진 산의 세기는 산도 상수(acidity constant), Ka 로 표기 할 수 있다.

4 pKa – 산의 세기 pKa = -log Ka 더 센 산(더 큰 Ka)은 더 작은 pKa을 가지며, 더 약한 산 (더 작은 Ka)은 더 큰 pKa를 가진다. 물의 pKa 는 15.74

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6 양성자는 항상 더 센 산에서 더 센 염기로 가는데, 그것은 산은 양성자를 더 큰 pKa 값을 가지는 더 약한 어느 산의 짝염기에 준다는 것을 의미한다.
센 산은 약한 짝염기를 내놓고, 약한 산은 센 짝염기를 내어놓는다.

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8 1.11 유기산과 유기염기 유기산 메탄올과 아세트산처럼 O-H 결합에서 양성자를 쉽게 줄 수 있는 물질이다.

9 카복실산

10 유기염기 양성자가 결합할 수 있는 고립 전자쌍을 가진 원자를 포함하고 있다.
트라이메틸아민과 같은 질소를 포함한 화합물은 가장 보편적이나, 산소를 포함한 화합물은 충분히 센 산과 반응할 때 역시 염기로서 작용할 수 있다.

11 아미노산

12 1.12 산과 염기: Lewis 정의 Lewis 산(Lewis acid)은 1개의 전자쌍을 받을 수 있는 물질이고, Lewis 염기(Lewis base)는 전자쌍을 내어주는 물질이다.

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14 아래에 전자가 풍부한 Lewis 염기로부터 전자가 부족한 Lewis 산으로 움직이는 전자쌍 흐름의 방향이 굽은 화살표로 나타나 있다.
굽은 화살표는 항상 전자쌍 중 하나가 화살표의 꼬리에 있는 원자로부터 화살표의 머리에 있는 원자로 이동하는 것을 의미한다

15 평형 상수 다음의 평형 상태에서: a A + b B c C + d D
평형상수(Keq)라 정의하는 질량 법칙의 표현 방법이 있다: 평형상수 = Keq = [C]c[D]d [A]a[B]b 단지 다양한 몰농도를 가질 수 있는 물질만이 평형 상수를 표현할 수 있다. 기체와 수용액은 평형 상태에서 전형적으로 일정한 상수로 표현되 는 물질일 뿐이다.

16 Keq 값은 반응물과 생성물 모두의 농도에 의해 결정된다.
평형 상수 다음의 평형 상태에서: 3 H2 (g) + N2 (g) NH3 (g) 평형상수는 다음과 같이 적을 수 있다: Keq = [NH3]2 [H2]3[N2] Keq 값은 반응물과 생성물 모두의 농도에 의해 결정된다.

17 평형 상수 평형 상수 값의 크기는 화학반응의 진행 상태에 대하여 알려 준다.
Keq >> 1 일 경우, 평형 상태에서 반응물의 양이 생성물의 양보다 상대적으로 적다는 말이다. Keq << 1 일 경우, 평형 상태에서 생성물의 양이 반응물의 양보다 상대적으로 적다는 말이다. Keq ~ 1 일 경우, 평형 상태에서 반응물과 생성물의 거의 같은 수 준으로 존재한다는 뜻이다.

18 이때 [PCl5] = 0.030 M, [PCl3] = 0.97 M, [Cl2] = 0.97 M.
평형 상수 다음 반응의 Keq 를 계산하여라: PCl5 (g) PCl3 (g) + Cl2 (g) 이때 [PCl5] = M, [PCl3] = 0.97 M, [Cl2] = 0.97 M. [PCl3][Cl2] (0.97)(0.97) 0.030 Keq = [PCl5] = = 31

19 평형 상수 연습 다음 반응에서 Keq 을 계산하라. H2 (g) + I2 (g) 2 HI (g)
이때 [H2] = M, [I2] = M, [HI] = M. 29.7 59.4 0.0337 0.0219 45.9 Keq = [HI]2 [H2][I2] (1.544)2 (0.228)(0.228) = = 45.9

20 물의 이온곱 상수 순수한 물은 자동(자가)이온화된다. H2O (l) + H2O (l) H3O+ (aq) + OH- (aq)
[H3O+] = [OH-] = 1.00 x 10-7 M 어떠한 수용액도 H3O+ 와 OH-를 모두 포함하고 있음을 염두하라. 물의 이온곱 상수 Kw = [H3O+][OH-] = 1.00 x 10-14

21 pH = -log[H3O+] pOH = -log[OH-] [H3O+] 과 [OH-] 과 pH/pOH 의 관계
물의 이온곱 상수 Kw = [H3O+][OH-] = 1.00 x 10-14 pH 과 pOH pH = -log[H3O+] pOH = -log[OH-] pH 와 pOH 의 관계 pH + pOH = 14 [H3O+] 과 [OH-] 과 pH/pOH 의 관계

22 Kw 와 pH 활용 연습 0.0152 M 의 NaOH 수용액의 [H3O+] 의 값은? Kw =
[H3O+][OH-] = 1.00 x 10-14 [H3O+] = 1.00 x 10-14/[OH-] = 1 x 10-14/ = 6.58 x M M 의 NaOH 수용액의 pH를 계산한다. pH =- log[H3O+] = -log(6.58 x 10-13) =

23 Kw 와 pH 활용 연습 0.00010 M HCl 수용액의 [OH-]은? Kw =
[H3O+][OH-] = 1.00 x 10-14 1 x M 1 x M 1 x 10-4 M 1 x 10-7 M [OH-] = 1.00 x 10-14/[H3O+] = 1 x 10-14/0.0001 = 1.00 x M M HCl 수용액의 pOH 은? 1 4 10 13 pOH = -log[OH-] = -log(1.00 x 10-10) = 10.0

24 이온화 상수 산의 이온화 상수 (Ka): 물속에서 약산의 이온화 정도를 표현. 일반적인 약산(HA)일 경우:
HA (aq) + H2O (l) H3O+ (aq) + A- (aq) Ka = [H3O+][A-] [HA] 물은 용매이다. 이온화 과정에서 물의 농도는 변화하지 않기 때문 에, 물은 Ka 식에서 표기되지 않는다. 큰 Ka 값일 수록 더욱 약산의 이온화가 뚜렷해지며, 더욱 강한 산이다.

25 0.20 M CH3COOH 수용액의 [H3O+]를 계산하라.
Ka = 1.8 x 10-5 반응식 CH3COOH + H2O CH3COO- + H3O+ 초기 (M) 반응 변화 (M) x x x 평형 상태 (M) x x x [CH3COO-][H3O+] [CH3COOH] = x2 x Ka = = 1.8 x 10-5 x2 = ( x)(1.8 x 10-5) x2 = 3.6 x x 10-5x x = [H3O+] = 1.90 x 10-3 M

26 CH3COOH (aq) + H2O (l) CH3COO- (aq) + H3O+ (aq)
약산의 이온화 % 0.20 M CH3COOH 용액의 이온화 %를 계산하라. CH3COOH (aq) + H2O (l) CH3COO- (aq) + H3O+ (aq) 이온화 % = [H3O+] 초기 산의 농도 x 100 % 1.9 x 10-3 0.20 이온화 % = x 100% = 95%

27 약산의 [H3O+] 농도 계산 0.10 M HCN 수용액의 [H3O+]를 계산하라. Ka = 4.0 x 10-10
반응식 HCN + H2O CN- + H3O+ 초기 (M) 반응 변화 (M) x x + x 평형 상태 (M) x x x [CN-][H3O+] [HCN] = x2 x Ka = = 4.0 x 10-10 x2 = ( x)(4.0 x 10-10) x2 = 4.0 x x 10-10x x = [H3O+] = 6.3 x 10-6 M