Microsoft PowerPoint - 화학의 세계 13판 7장.pptx

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이진 담
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1 7 산과염기 7.1 산과염기 : 실험적정의 7.2 산, 염기, 염 7.3 산성과염기성무수물 7.4 강산, 강염기, 약산, 약염기 7.5 중화 7.6 ph 척도 7.7 완충용액과짝산 - 짝염기쌍 7.8 산업과일상생활에서쓰이는산과염기 산과염기는일상생활에서가장활용도가높은화학제품이다. 이것은어떻게구별하는지와생활에의응용에대하여살펴보자. 이들은바로여러분의곁에있다. 1

2 양성자를전달해줘 일상생활에서의산 : 레몬이나자몽 ( 시트르산 ), 식초 ( 아세트산 ), 축전지산 ( 황산 ), 비타민 C( 아스코르브산 ), 일상생활에서의염기 : 오븐청소용세제나배수구청소액 ( 수산화나트륨 ), 베이킹소다 ( 중탄산나트륨 ), 암모니아 그림 7.1 산 ( 왼쪽 ), 염기 ( 가운데 ), 염 ( 오른쪽 ) 은많은음식물과낯익은소비재의성분들이다. 산 (acid) 과염기 (base) 가반응하면염 (salt) 이만들어진다. 2

3 7.1 산과염기 : 실험적정의 산의성질 - 리트머스종이의염료를붉게변화시킴 - 신맛이남 -( 아연이나철같은 ) 금속과반응하여수소기체를발생시킴 - 염기와반응하여물과염이라불리는이온성화합물을만듦 염기의성질 - 리트머스종이의염료를푸르게변화시킴 - 쓴맛이남 - 피부에닿으면미끈거리는느낌이남 - 산과반응하여물과염을생성 가장단순한테스트가리트머스이다. 그림 7.2 리트머스염료가스며든종이가산과염기구별위해 3

붉은양배추 2 컵을자르고더운물을붓는다. 10 분후에고체를커피필터로걸러낸다. 이액체 50mL 로다양한가정용화학물질 ( 식초, 베이킹소다, 암모니아등 ) 의 ph 를검사해보자.

4 산-염기지시약 - 리트머스종이 : 중성 ( 보라색 ), 산 ( 붉은색으로변색 ), 염기 ( 푸른색으로변색 ) - 자연적인염료 : 포도주스, 붉은양배추, 블루베리등 그림수국은심어진토양의산도에따라다른색의꽃을가지는많은식물들중의하나이다. 수국은약산성토양에서푸른색 ( 위그림 ) 을약염기성토양에서붉은색 ( 아래그림 ) 을띤다. 그림여러분만의지시약을만들어보자. 붉은양배추 2 컵을자르고더운물을붓는다. 10 분후에고체를커피필터로걸러낸다. 이액체 50mL 로다양한가정용화학물질 ( 식초, 베이킹소다, 암모니아등 ) 의 ph 를검사해보자. 이지시약은 ph 2 에서붉은색, ph 4 에서자주색, ph 6 에서보라색, ph 8 에서푸른색, ph 10 에서푸른녹색, ph 12 에서녹황색을만든다. 지시약은가시광선영역에서색이변하는일종의염료 ( 색소 ) 이다. 색의변화로산 / 염기의세기를구별한다. 4

5 7.2 산, 염기, 염 아레니우스이론 1887년아레니우스 (Svante Arrhenius) 에의한산-염기정의 - 산 (acid) : 수용액에서수소이온 (H + ) 과음이온으로분해되는분자화합물 ex) 질산의물에서이온화 HNO ( aq) H ( aq) NO ( aq) 3 3 ex) 몇가지일반적인산 1903 년노벨화학상수상자이지만초기에는이온의존재를주장하였다가많은비난을받았다. 그림스웨덴과학자아레니우스 (1859~1927) 는물에있는산, 염기, 염이이온으로구성되어있다는이론을제안하였다. 그는처음으로대기중의이산화탄소와온실효과를연과지은사람이었다. 같은수소라도붙어있는원소에따라이온으로되는수소 (H + ) 와그렇지못한수소 (H) 로구분한다. 5

6 - 염기 (base) : 수용액에서수산화이온 (OH - ) 을방출하는물질 ex) 수산화나트륨의물에서이온화 NaOH s Na aq OH aq HO 2 () ( ) ( ) 산과염기의반응산 + 염기 염 + 물 본질적인반응 H + + OH - H 2 O ( 중화반응 ) 아레니우스방법에의하면염기는수용액에서 OH - 를배출하는물질이다. 대표적경우가가성소다 (NaOH) 이다. 가성소다는소금물을전기분해하면쉽게얻어진다. 6

7 예전의선조들도 KOH 를만들어사용하였다. 짚을태우면재가 KOH 성분이다. 7

8 예제 7.1 산과염기의이온화 (a) 질산 (HNO 3 ) 이물에서이온화하는반응을써라. (b) 수산화칼륨 (KOH) 이물에서이온화하는반응을써라. 풀이 a. b. H 3( ) 2 O HNO aq H ( aq) NO3 ( aq ) H 2O KOH ( aq) K ( aq) OH ( aq) 이온화방법 8

9 아레니우스이론의한계 1. 물에서는단순히자유로운양성자가존재하지않음 H + 이온은물과결합하여히드로늄이온 (H 3 O + ) 생성 H O H H H O H H 2. 아레니우스이론은암모니아나이와관련된화합물의염기성을설명하지못함 3. 아레니우스이론은수용액에만적용됨 9

10 브뢴스테드-로우리산-염기이론 : 조금더진화된이론 1923년브뢴스테드 (J. N. Bronsted) 와로우리 (T. M. Lowry) 의산-염기정의 - 산 (acid) : 양성자주게수용액개념이사라짐 - 염기 (base) : 양성자받게 그림 7.3 브뢴스테드 - 로우리의산 - 염기정의 ex) 염화수소의이온화 HCl( aq) H O( l) H O ( aq) Cl ( aq)

11 일반식 : HA 가어떤산을나타내면 HA(aq) + H 2 O(l) H 3 O + (aq) + A - (aq) 예제 7.2 브뢴스테드 - 로우리산 HNO 3 가물에서브뢴스테드 - 로우리산으로작용하는반응식을써라. 풀이 HNO3 ( aq) H 2O H3O ( aq) NO3 ( aq) 11

12 염 - 산과염기의중화반응으로부터생성되는염 : 양이온과음이온으로구성되는이온화합물 - 전해질 : 물에녹았을때전기를통하는염 - 사용용도 : 염화나트륨과염화칼슘 겨울에도로의얼음을녹이는데사용황산구리 (Ⅱ) 하수관의나무뿌리를제거하는데사용 12

13 7.3 산성과염기성무수물 비금속 / 금속산화물이물을만나면 비금속산화물 : 산무수물 비금속산화물 + 물 산 ex) SO 3 + H 2 O H 2 SO 4 CO 2 + H 2 O H 2 CO 3 예제 7.3 산성무수물이산화황이물과반응하여생성되는산의화학식을써라. 풀이 SO 2 + H 2 O H 2 SO 3 금속산화물 : 염기성무수물 금속산화물 + 물 염기 ex) CaO + H 2 O Ca(OH) 2 Li 2 O + H 2 O 2LiOH 예제 7.4 염기성무수물 산화바륨에물을첨가하여생성된염기에대한화학식을써라. 풀이 BaO + H 2 O Ba(OH) 2 그림 7.4 산화금속은산소이온과물과반응하여 2개의수산화이온을생성하기때문에염기성이다 13

14 7.4 강산, 강염기, 약산, 약염기 산의세기를알아보자. 강산 (strong acid) : 물과완전히반응하는산 ex) 염산 HCl( aq) H ( aq) Cl ( aq) 약산 (weak acid) : 물과조금만반응하는산 ex) 시안산 HCN( aq) H ( aq) CN ( aq) ; 40,000의 HCN 분자중 1개만이 H+ 생성 강염기 (strong base) : 물에서완전히이온화 ex) 수산화나트륨 NaOH ( aq) Na ( aq) OH ( aq) 약염기 (weak base) : 물에서조금만이온화 ex) 암모니아 NH 3( aq) H 2O( l) NH 4 ( aq) OH ( aq) 양쪽성물질 : 산으로도작용하고염기로도작용하는물질 (ex. 물 ) 그림 7.5 암모니아는물로부터양성자를받음 ( 염기성 ) 14

이과정을적정 (titration) 이라고하며, 이반응을중화반응이라고부른다. 중화과정은지시약을사용하여관찰할수있다.

15 7.5 중화 중화 (neutralization) 반응 : 산과염기의반응 H + + OH - H 2 O 10 월 15 일시작 ex) 수산화나트륨과염산의중화반응 산과염기가만나면물을만든다. 이과정을적정 (titration) 이라고하며, 이반응을중화반응이라고부른다. 중화과정은지시약을사용하여관찰할수있다. 그림은산에서는무색, 염기성에서는붉은색을나타낸다. 그림 7.6 산 ( 식초 ) ( 무색 ) 을염기 (NaOH) ( 붉은색 ) 로적정실험, 지시약은페놀프탈레인사용 15

16 2 KNO3 2 KNO 2 + O 2 예제 7.5 중화반응화약이나비료의성분인질산칼륨은중세부터 19세기까지소변에서질산칼륨을얻었다. 초석이라고불리는이침전물은질산과수산화칼륨을반응시켜얻을수있다. 이반응의중화반응을써라. 풀이 KOH(aq) + HNO 3 (aq) KNO 3 (aq) + H 2 O(l) 강염기강산 2KNO 3 2KNO 2 + O 2 발생한산소가다른물질을빠르게연소시키므로폭약의원료로사용되었다. 지금은산소를사용하지않는물질을폭약의원료로사용한다. 16

17 7.6 ph 척도 화학자들은새로운단위를고안했다. ph 척도 : 1909 년쇠렌센에의해산도나염기도를나타내는데사용 ph log H - 정의 : H : 몰농도 ph < 7 : 산성 ph = 7 : 중성 ph > 7 : 염기성 Log 는 10 배를 1 단위로바꾼다. 그림 7.7 ph 척도. ph 가 1 만큼변하면히드로늄이온의농도는 10 배가변한다는뜻임 17

18 1 몰의수소이온이존재 공업지역에서내리는빗물의 ph 는약 4.2 정도이다. 대기중의이산화탄소를흡수 순수한물분자 10 7 중에서 1 개정도는이온으로분리한다. 1 몰의 OH - 이온이존재 18

19 예제 7.6 수소이온농도로부터 ph 수소이온농도가 M 인용액의 ph 는무엇인가? 풀이 ph log H log(110 5 ) 5 예제 7.7 ph 로부터수소이온농도계산 ph 가 4 인용액의수소이온농도를구하라. 풀이 ph 4 H M 예제 7.8 수소이온농도로부터 ph 계산 H + 의농도가 M 인용액의 ph 는? (a) 2.9 (b) 3.1 (c) 4.2 (d) 4.8 풀이 ph log H log(810 4 )

20 예제 7.9 산과염기에있는수소이온과수산화이온 다음수용액을산성, 염기성, 중성으로분류하라. ( 물분자는생략하였다.) 풀이 - 비이커 Ⅰ : H + 와 OH - 수가각각 6개로같음 중성 - 비이커 Ⅱ : OH - 수 7개, H + 수 1개 염기성 - 비이커 Ⅲ : H + 수 6개, OH - 수 1개 산성 20

21 7.7 완충용액과짝산 - 짝염기쌍 짝산-짝염기쌍 양성자하나 (H + ) 가다른화합물과이온의쌍을말한다예 ) HF 와 F - 는짝산-짝염기쌍이고 NH 3 와 NH 4+ 는짝산-짝염기쌍이다반응물쪽의산 / 염기에대응하는생성물쪽의산 / 염기를짝산 / 짝염기라고부른다. 예제 7.10 짝산-짝염기쌍 (a) HBr 과 (b) HNO 3 의짝염기는무엇인가? (c) OH - 와 (d) HSO 4- 의짝산은무엇인가? HBr + H 2 O Br - + H 3 O + 산염기짝염기짝산 반응물쪽에는산 / 염기, 생성물쪽에는짝산 / 짝염기이다. 풀이 (a) Br - (b) NO - 3 (c) H 2 O (d) H 2 SO 4 21

22 완충용액 (buffer solution) 대단히중요한역할을한다. - 정의 : 적은양의강산이나강염기를첨가해도거의일정한 ph 를유지한다. - 약산과그짝염기 (ex. HC 2 H 3 O 2 와 C 2 H 3 O 2- ) 또는약염기와그짝산 (ex. NH 3 와 NH 4+ ) 으로구성됨 -ex) 아세트산의이온화반응 NaC 2 H 3 O 2 (aq) Na + (aq) + C 2 H 3 O 2- (aq) HC HO( aq) H ( aq) CHO ( aq) 산이아님 산 아세트산 / 아세트산나트륨완충용액에강염기를첨가하면 OH ( aq) HC H O ( aq) H O( l) C H O ( aq) 아세트산 / 아세트산나트륨완충용액에강산을첨가하면 H ( aq) C H O ( aq) HC H O ( aq) ph 거의일정함 인체에산 / 염기가투입되어도자체적으로정화시켜 ph 변화가거의없다. 이러한용액을완충용액이라고부른다. 모든생명체는완충용액이다. 그원리를알아보자. 22

23 7.8 산업과일상생활에서쓰이는산과염기 산성비 이산화탄소 (CO 2 ) 로포화된빗물의 ph = 5.6 [H + ] =2.512 x 10-6 산성비 (acid rain) : ph 가 5.6 보다낮은비 산성비의원인물질 - 인위적인오염물질 석탄을태울때발생하는 SO 2 ( 석탄에는최대약5% 정도의황이포함 ) 자동차배출가스에서나오는 NO 2, NO 등 ( 산소와질소가반응 ) - 자연적인오염물질 화산폭발시발생하는황산화물과황산 ( 땅속에황이많음 ) 번개발생시질소산화물과질산 ( 질소와산소의반응 ) 황은고무산업의주요한원료이다. 열대지방에서자라는고무나무수액, 라텍스는너무묽어서사용이어렵지만, 여기에황을섞으면단단한고무가만들어진다. 일본이 2 차대전시인도차이나로들어간이유는고무와석유를얻기위함이다. 23

제산제 : 염기성치료제 (1) 탄산수소나트륨 (NaHCO 3 ) - 가장오래된제산제 - 속쓰림을덜어주는알카 - 셀처의주성분임 - 탄산수소이온이산과반응하면탄산을만들고, 탄산은물과이산화탄소로분해 HCO3 ( aq) H ( aq) H 2CO3( aq) H CO ( aq) CO ( g) HOl ( ) 2 3 2 2 -

24 제산제 : 염기성치료제 (1) 탄산수소나트륨 (NaHCO 3 ) - 가장오래된제산제 - 속쓰림을덜어주는알카 - 셀처의주성분임 - 탄산수소이온이산과반응하면탄산을만들고, 탄산은물과이산화탄소로분해 HCO3 ( aq) H ( aq) H 2CO3( aq) H CO ( aq) CO ( g) HOl ( ) 탄산수소를함유한제산제를사용하고난뒤에생기는트림은 CO 2 (g) 때문임 - 과다하게사용시 : 혈액이과다하게알칼리성이됨 알칼리혈증 NaHCO 3 는빵을부풀게하는소다가루임. 식사를하면위에서산이배출되는데과다하게배출되면거북함을느낀다. 여기에염기를넣어중화시키는데, NaHCO 3 를섭취하면효과적임. 그러나발생하는 CO 2 로인하여트림이난다. 그림 7.8 이제산제는빠르게작용한다 라는광고문구는모든산-염기반응이거의즉시일어나기때문에의미가없다. 어떤알약은다른것보다더느리게녹을지모른다. 약의작용을빠르게하려면씹어먹으면된다. 24

25 (2) 탄산칼슘 (CaCO 3 ) - 적은양은괜찮지만상습적인사용은변비를일으킴 - 텀스 (Tums r ) 와많은약국상표제산제들이탄산칼슘을유일한활성성분으로가짐 (3) 수산화알루미늄 (Al(OH) 3 ) - 변비를일으킬수있음 - 암포젤 (Amphojel r ) 의활성성분 (4) 수산화마그네슘 (Mg(OH) 2 ) - 물에풀은현탁액은 마그네시아우유 로판매 - 소량을사용하면제산제로작용하지만 다량을복용하면설사를일으킴 25

26 산업과가정에서의산과염기 산이사용되는대표적인예 1) 황산 : 비료나공업용화학약품제조에사용, 자동차축전지와배수구청소에사용 2) 염산 : 금속의녹제거에사용, 욕실설비와변기로부터석회석제거에사용 염기가사용되는대표적인예 1) 석회 (CaO) : 가장널리사용, 2) 소석회 (Ca(OH) 2 ) : 회반죽과시멘트를만드는데사용, 토지의산성을완화하는데사용 3) 수산화나트륨 : 오븐청소제, 배수구를뚫는세제 건강과질병에서산과염기 - 진한강산과강염기 : 심각한화학화상을일으키는부식성독성물질 - 황산 : 강력한탈수제라세포안의물과반응 - 묽은강산과강염기 : 세포안의단백질을분해하고변성시킴 26

27 7 장강의가끝났습니다. 수고하셨습니다. 27

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<4D F736F F F696E74202D2037C0E55F38C0E55FBBEAB0FABFB0B1E25FBBEAC8ADC8AFBFF85FB0ADC0C75F BC8A3C8AF20B8F0B5E55D> Chapter 7. 산과염기 7.1 산과염기 : 실험적정의 산의성질 - 리트머스종이의염료를붉게변화시킴 - 신맛이남 -( 아연이나철같은 ) 금속과반응하여수소기체를발생시킴 - 염기와반응하여물과염이라불리는이온성화합물을만듦염기의성질 - 리트머스종이의염료를푸르게변화시킴 - 쓴맛이남 - 피부에닿으면미끈거리는느낌이남 - 산과반응하여물과염을생성산 - 염기지시약 - 리트머스종이