산과 염기
수용액에서 산으로 작용하는 여러가지 화합물을 앞에서 소개하였다. 강산은 용액에서 완전히 해리하며, 약산은 부분적으로 해리한다. 약한 전해질은 부분적으로 해리하여 평형에 도달하기 때문에, 평형상수를 사용하여 약산과 약염기의 상대적 세기를 나타낼 수 있다. 흔히 사용되는 것으로 pH 범위가 있다.
브뢴스테드-로우리 산염기 이론
수용액 중에서 해리하여, 수소 이온(H+)을 내놓는 물질을 산이라 하며, 염기는 수산화 이온(OH-)을 내놓는 물질이다. 이것은 Arrhenius 산염기 정의로, 비수용성 용액으로도 이 정의를 확장할 필요가 있었다. 1923년 Bronsted와 Lowry에 의해 새로운 산염기 정의가 발표되었다. 브뢴스테드-로우리 정의에 의하면, 산은 양성자 주개(donor)이고, 염기는 양성자 받개(acceptor)이다.
이 정의는 아레니우스 산염기 정의도 포괄적으로 포함한다. 예로, HCl 기체는 물에 녹으면, 쌍극자-쌍극자 힘에 의해, 부분적으로 음전하인 산소는 부분적으로 양전하인 수소를 끌어당긴다. 이 인력에 의해 HCl의 수소 이온은 물 분자로 이동하여, 하이드로늄 이온(H3O+)을 만든다.
HCl은 양성자를 물 분자에 주고, 물 분자는 양성자를 받는다. NaOH(s)의 이온화로 만들어진 OH-(aq) 이온은 양성자를 받기 때문에 염기이다.
브뢴스테드-로우리 이론에서 물의 역할
물에서의 HCN의 이온화는 다음과 같다.
HCN(aq) + H2O(l) ↔ H3O+(aq) + CN-(aq)
브뢴스테드-로우리 이론에 의하면, 양성자를 내놓은 HCN 분자는 산이고, 양성자를 받는 물 분자는 염기이다. 하지만 아래 반응에서 물 분자는 암모니아 분자에 양성자를 주기 때문에, 산으로 작용한다.
NH3(g) + H2O(l) → NH4+(aq) + OH-(aq)
따라서, 물은 산과 염기 모두로 작용할 수 있다. 이것은 양쪽성이라 한다.
암모니아와 물의 반응은 실제로 동적평형상태이다.
NH3(aq) + H2O(l) → NH4+(aq) + OH-(aq)
역반응에서는 암모니아 이온이 양성자를 내놓기 때문에, 정반응과 역반응 모두 산염기 반응이다. 이 식은 산과 염기 두 쌍을 포함한다: NH4+/NH3와 H2O/OH-. 이것을 짝산-짝염기 쌍이라한다. NH4+의 짝염기는 NH3이고, NH3의 짝산은 NH4+이다. OH-의 짝산은 H2O이고, H2O의 짝염기는 OH-이다.
브뢴스테드-로우리 이론의 장점 중 하나가 액체 암노니아와 같은 비수용성 용매에서도 산-염기 반응을 설명할 수 있다는 것이다. 액체 암모니아에서, HCl(g)은 NH3에 양성자를 주어, NH4+와 Cl-를 만든다. 암모늄과 염소 이온은 암모니아 분자에 의해 용매화되기 때문에 “aq” 대신 “am”을 사용한다.
HCl(g) + NH3(l) → NH4+(am) + Cl-(am)
브뢴스테드-로우리 정의는 아레니우스 정의와는 달리 수용액일 필요는 없지만, 산이 반드시 이온화될 수 있는 수소 원자를 포함하고 있어야 한다는 한계가 있다. 이에 루이스는 산과 염기의 반응에서 산이 염기의 고립전자쌍을 받아들여 공유결합하는 것으로 정의하였다. 루이스 산은 양성자를 내놓는 물질뿐만 아니라 고립전자쌍을 받을 수 있는 물질(Zn2+, BF3 등)로 확장된다. 루이스 염기는 양성자를 받아들일 수 있는 물질뿐만 아니라 다른 이온이나 분자에게 줄 수 있는 고립전자쌍을 가진 물질(NH3 등)로 확장된다.
약산과 약염기
살리실산을 포함한 많은 산은 약산으로 물에서 완전히 이온화되지 못한다. 약산은 물과 반응하여 짝산-짝염기를 만드는데, 오른쪽의 산과 염기는 왼쪽의 짝산과 염기보다 강하다. 이것은 평형이 왼쪽방향으로 흘러감을 뜻하는 것으로, 약산의 이온화 양은 작다. 일반적으로 약산은 HA로 표현된다.
HA(aq) + H2O(l) ↔ H3O+(aq) + A-(aq)
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물론, 반응에서 물은 순수 액체이며, 순수 고체처럼 물의 농도는 일정하다. 위의 평형상수식에서 [H2O]를 생략한 평형상수를 산 이온화상수(Ka)라 한다.
<이온화상수>
약염기의 이온화 평형은 다음과 같다.
B(aq) + H2O(l) ↔ BH+(aq) + OH-(aq)
마찬가지로, [H2O]를 생략한 평형상수를 염기 이온화상수(Kb)라 한다.
산이 물에 용해되면, 하이드로늄 이온(H3O+)이 형성된다. 농도가 작은 하이드로늄 이온을 과학적으로 표기하기 위해 pH 범위를 사용한다.
pH = -log[H3O+]
하이드로늄 이온의 농도가 0.1 M인 용액이 있다. 이 용액의 pH = -log(10-1) = 1이다. H3O+의 농도가 1 x 10-x일 때, pH = x이다. 어떤 산의 Ka와 초기농도를 알면, H3O+의 농도를 계산할 수 있으며, 따라서 pH를 구할 수 있다.
산-염기 화학은 콘크리트의 풍화작용에서도 중요하다. CO2는 Ca(OH)2와 반응하여 탄산칼슘과 물을 생성한다. 산-염기 반응처럼 보이진 않지만, 여기서는 CO2가 산으로 작용한다. CO2는 물에 녹아, 탄산이 되며, 탄산은 수산화칼슘과 반응한다.
H2CO3(aq) + Ca(OH)2(aq) → CaCO3(s) + 2H2O(l)
콘크리트 안으로 확산된 CO2가 시멘트와 반응하여, 탄산화 구역이 만들어진다. 이 구역이 철근까지 도달하면, 부식반응이 가속화된다.
