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1 16 산 - 염기평형

2 산 - 염기의성질 산신맛을가지고있다. 많은금속과반응하여수소기체를발생시킨다. 탄산 (carbonates) 또는탄산수소 (bicarbonates) 와반응하여이산화탄소를발생시킨다. 염기쓴맛을가지고있다. 미끄러운느낌이있다.

3 4 장. 수용액반응 Arrhenius 산 (acid): 물에녹아서 H + 이온의농도를증가시키는물질. 염기 (base): 물에녹아서 OH - 이온의농도를증가시키는물질.

4 4 장. 수용액반응

5 Brønsted-Lowry 산과염기 물에서 H + 이온 Brønsted-Lowry: 산 - 염기반응에서 H + 이온이한물질에서다른물질로이동한다. 양성자는물한분자와상호작용하여하이드로늄이온 [hydronium ion, H 3 O + (aq)] 을형성 수화된하이드로늄이온

6 Brønsted-Lowry 산과염기 양성자이동반응 Brønsted-Lowry: 산 - 염기반응에서 H + 이온이한물질에서다른물질로이동한다. HCl: Arrhenius 의산 산 (Acid) 염기 (Base) Brønsted-Lowry H + 주개 H + 받개 수용액, 비수용액에서모두정의됨 HCl H 2 O

7 Brønsted-Lowry 산과염기 짝산 - 짝염기쌍 Brønsted-Lowry: 산 - 염기반응에서 H + 이온이한물질에서다른물질로이동한다. 산염기염기산 짝산 - 짝염기쌍 짝산 - 짝염기쌍 Brønsted-Lowry 의산 - 염기반응 : 산과염기가반응하여짝염기 (conjugate base) 와짝산 (conjugate acid) 을내어놓는반응

8 Brønsted-Lowry 산과염기 짝산 - 짝염기쌍 Ex) (a) 다음각산의짝염기는무엇인가? HClO 4, H 2 S, PH 4+, HCO 3-. (b) 다음각염기의짝산은무엇인가? CN -, SO 4 2-, H 2 O, HCO 3-. (a) ClO 4-, HS -, PH 3, CO (b) HCN, HSO 4-, H 3 O +, H 2 CO 3. Ex) 아황산수소이온 (HSO 3- ) 은양쪽성 (amphoteric) 이다. (a) HSO 3- 과물의반응식을쓰시오. 이때이이온은산이다. (b) HSO 3- 과물의반응식을쓰시오. 이때이이온은염기이다. 이두반응에서짝산 - 짝염기쌍을확인하시오. (a) (b) 양쪽성 (amphoteric): 산으로도염기로도작용할수있는성질

9 Brønsted-Lowry 산과염기 산과염기의상대적인세기 H + 를내어줄수있는능력이강함 H + 를받을수있는능력이강함 강산 (strong acid) 강염기 (strong base) 강산 : 물에서완전해리. 짝염기는매우약한염기. 약산 : 물에서일부분만해리. 짝염기는약염기. 무시할정도의산도 (acidity) 를가진물질 : 물에서해리되지않음. 짝염기는매우강한염기. H + (aq) 과 OH - (aq): 수용액에서평형상태로존재할수있는가장강한산과가장강한염기 => 평준화효과 (leveling effect): 물과반응하는더강한산은 H + (aq) 이온을생성하고, 더강한염기는 OH - (aq) 이온을생성

10 Brønsted-Lowry 산과염기 산과염기의상대적인세기 산 - 염기반응에서평형이선호하는반응은양성자를더강한염기로이동시키는반응 염기도 : H 2 O > X -, 평형 : => 염기도 : H 2 O < X -, 평형 <= HCl(aq) + H 2 O(l) H 3 O + (aq) + Cl (aq) * H 2 O 는 Cl 보다훨씬더강한염기이다. 따라서평형은오른쪽으로완전이동하며, K 는측정되지않는다 (K >> 1). CH 3 CO 2 H(aq) + H 2 O(l) H 3 O + (aq) + CH 3 CO 2 (aq) * CH 3 CO 2 는 H 2 O 보다강한염기이므로, 따라서평형은왼쪽으로이동한다. (K < 1).

11 Brønsted-Lowry 산과염기 산과염기의상대적인세기 산 - 염기반응에서평형이선호하는반응은양성자를더강한염기로이동시키는반응 염기도 : H 2 O > X -, 평형 : => 염기도 : H 2 O < X -, 평형 <= Ex) 다음의양성자이동반응에서, 평형이왼쪽 (K c <1) 으로진행되는지오른쪽 (K c >1) 으로진행되는지를예측하시오. =>

12 물의자체이온화 (Autoionization) 물은양쪽성이다. 물의자체이온화과정 실온에서, 순수한물은물 10 9 분자중약두분자만이이온화!!

13 물의자체이온화 물의이온곱 평형상수식, K c = [H 3 O + ] [OH ] 이평형상수를이온곱상수 (ion product constant), K w 라고한다. K w = [H 3 O + ] [OH ] = (25 C 에서 ) Ex) (a) [OH - ] = M 인용액의 [H + ]? (b) [OH - ] = M 인용액의 [H + ]? (25 C)

ph 값 수용액에서, [H + ] 는일반적으로매우작은값 => ph scale 사용 ph = log[ H + ] 2 decimal places 중성용액, [H + ] = 1.0 x 10-7 ph = log10 7 = 7.

14 ph 값 수용액에서, [H + ] 는일반적으로매우작은값 => ph scale 사용 ph = log[ H + ] 2 decimal places 중성용액, [H + ] = 1.0 x 10-7 ph = log10 7 = 유효숫자 : 2개 poh = log[ OH ] pk = log K pk w = ph + poh =14 K w = [ H log K w + ][ OH = log[ H ] = ] log[ OH ] Ex) 25 o C 에서, 혈액의 ph는 7.41 이다. poh, [H + ], [OH - ]? poh = 14 ph = 6.59 [ H + [ OH ] = ] = = = M 7 M

15 ph 값 ph 측정 지시약 ( 리트머스종이 ): 색변화로 ph 추정. 정확도가떨어짐 ph 미터 : 용액의전압을측정하여 ph 측정

16 강산과강염기 4 장

17 강산과강염기 강산, 강염기 주의 : 이표에서강염기는이온성화합물에속함, 불용성이온화합물이라도물에녹으면 100% 양이온, 음이온으로해리되어강전해질로분류 NaOH(aq) Na + (aq) + OH - (aq) 일양성자강산 (monoprotic strong acids) 의경우, [H 3 O + ] = [acid] Ex) M HClO 4 용액의 ph? 또는물과반응하여 OH - (aq) 를 100% 만들어내는물질 ( 예 : Na 2 O, CaO) Ex) (a) M NaOH 의 ph? (b) M Ca(OH) 2 용액의 ph?

18 약산 약산 (Weak acids) 물에서약간만해리되어 H + 이온과짝염기 ( 음이온 ) 을내어놓는다. 산해리반응식 또는 산의해리반응에대한평형상수식 K a : 산해리상수 (acid dissociation constant)

19 약산 K a => 산도

20 약산 ph 로부터 K a 계산 Ex) 0.10 M 폼산 (HCOOH) 을준비하여 ph 를측정하였더니, 25 C 에서그값이 2.38 이었다. 이온도에서폼산의 K a 를계산하시오. Q = 0. 평형 => [HCOOH] =

21 약산 이온화백분율 이온화백분율 (percent ionization) ( 물의자체이온화무시할경우 ) Ex) 0.10 M 폼산 (HCOOH) 을준비하여 ph 를측정하였더니, 25 C 에서그값이 2.38 이었다. 이온도에서폼산의이온화백분율을계산하시오.

22 약산 K a 를이용하여 ph 계산 Ex) 0.30 M 아세트산 (CH 3 COOH) 용액의 ph, 이온화백분율을계산하시오. (K a = 1.8 x 10-5 ) (5% rule) (5% rule) (check 5% rule)

23 약산 K a 를이용하여 ph 계산 전기전도도와활성금속과의반응속도와같이, H + (aq) 의농도에직접관련이있는산용액의성질은동일한농도의강산보다약산의용액인경우에덜중요하다.

24 약산 K a 를이용하여 ph 계산 Ex) HF 분자의이온화백분율을계산하시오. (a) 0.10 M HF 용액, (b) M HF 용액 (K a = 6.8 x 10-4 ) (a) 2 x 0.10 (5% rule 위반 ) (b)

약산 K a 를이용하여 ph 계산 HA(aq) H + (aq) + A - (aq) HA: weak acid HA(aq) H + (aq) + A - (aq) initial [HA] 0 0 0 [ H + ] = 4.2 10 3 M eq [HA] 0 -x x x + 2 % dissociation = 0.

25 약산 K a 를이용하여 ph 계산 HA(aq) H + (aq) + A - (aq) HA: weak acid HA(aq) H + (aq) + A - (aq) initial [HA] [ H + ] = M eq [HA] 0 -x x x + 2 % dissociation = 0.42% K a [ H ][ A = [ HA] ] x = [ HA] 0 2 x x [ HA] 0 용액을순간적으로 10 배묽혔다면, + x [ H ] new = [ A ] new = 10 [ HA] 0 [ HA] new = + 3 [ H ] = M [ H ] new[ A ] new ( x /10) x Q = [% dissociation = HA] [ HA= ] 1.3% = = /10 10[ HA] new 0 0 Ka 10 Equilibrium => more dissociation

26 약산 다양성자산 다양성자산 (polyprotic acid): 둘이상의이온화할수있는 H 원자를가지고있는산 타르타르산 K > Ka2 > K 3 a1 a >

27 약산 다양성자산 Ex) 25 C, 0.1 atm 에서순수한물에서 CO 2 의용해도는 M 이다. 모든용해된 CO 2 는탄산 (H 2 CO 3 ) 의형태로존재한다고가정하면, 이반응은다음과같이진행된다 M H 2 CO 3 용액의 ph 는얼마인가? [H + ] 는큰 K 값에의해거의결정됨 (check 5% rule)

28 약산 다양성자산 Ex) 25 C, 0.1 atm 에서순수한물에서 CO 2 의용해도는 M 이다. 모든용해된 CO 2 는탄산 (H 2 CO 3 ) 의형태로존재한다고가정하면, 이반응은다음과같이진행된다 M H 2 CO 3 용액에서 [CO 3 2- ] 는얼마인가?

29 약염기 약염기 (Weak bases) 물과반응하여 OH - 이온과짝산 ( 음이온 ) 을약간내어놓는다. K b : 염기해리상수 (base dissociation constant)

30 약염기 Ex) 0.15 M NH 3 용액에서 OH - 의농도를구하시오. = 1.8 x 10-5

31 약염기 약염기의유형 1. 중성분자로서양성자를받아들일수있는비공유전자쌍을갖는경우. Ex) amine 2. 약산의음이온 짝산

32 약염기 약염기의유형 Ex) 고체 NaClO 를충분한양의물에녹인후 2.00 L 로희석한용액의 ph 가 이었다. 이용액속에들어간 NaClO 의몰수를구하시오. NaClO 의몰수 = 0.31 M x 2.00 L = 0.62 mol

33 K a 와 K b 의관계 짝산 (HA) 짝염기 (A - ) 쌍 [ A ][ H HA(aq) + H 2 O(l) A - (aq) + H 3 O + (aq) = [ HA] A - (aq) + H 2 O(l) HA(aq) + OH - (aq) K a + K b [ HA][ OH = [ A ] + [ A ][ H ] [ HA][ OH ] + K a Kb = = [ H ] [ OH ] = K [ HA] [ A ] w ] ]

34 염용액의산 - 염기성질 음이온과물의반응 염 (Salt) : 이온화합물 염이물에녹으면해리되어양이온과음이온을생성한다. 각이온은산또는염기로작용한다. 음이온과물의반응 : 음이온은물과가수분해반응하여, OH - 과짝산을생성한다.( 염기로작용 ) * HX 가일곱가지의강산이아니면약산. 이약산의짝염기인 X - 은약염기. * HCl(aq) + H 2 O(l) Cl - (aq) + H 3 O + (aq)

35 염용액의산 - 염기성질 양이온과물의반응 한개이상의양성자를가지고있는다원자양이온은산 금속양이온 ( 강염기의금속양이온은제외 ) 은수용액에서산으로작용 * NaOH(aq) Na + (aq) + OH - (aq) Ca(OH) 2 (aq) Ca 2+ (aq) + 2OH - (aq) HNO 3 (aq) H + (aq) + NO 3- (aq) 전하, 반경 => K a

36 염용액의산 - 염기성질 양이온과물의반응

37 염용액의산 - 염기성질 용액에서양이온과음이온의복합적효과 1. 강산의짝염기인음이온은, ph에영향을주지않는다. 2. 약산의짝염기인음이온은, ph를증가시킨다. 3. 약염기의짝산인양이온은, ph를감소시킨다. 4. Arrhenius 강염기의양이온은, ph에영향을주지않는다. 5. 다른금속이온들은, ph를감소시킨다. 6. 용액이약산과약염기를둘다가지고있을때, ph에미치는영향은, K a 와 K b 값에의존한다. ph 는 K a, K b, K w 의상대적인크기에의존 (1) K b << K w => K w dominant => neutral (2) K b > K w => K b dominant => basic (3) K a > K w => K a dominant => acidic (4) K a << K w => K w dominant => neutral (5) K a > K w => K a dominant => acidic (6) K a > K b => K a dominant => acidic K a < K b => K b dominant => basic K a = K b => neural

38 염용액의산 - 염기성질 용액에서양이온과음이온의복합적효과 Ex) 다음에주어진염의수용액이산성인지, 중성인지, 염기성인지를말하시오. (a) Ba(CH 3 COO) 2, (b) NH 4 Cl, (c) CH 3 NH 3 Br, (d) KNO 3, (e) Al(ClO 4 ) 3. (a) Ba 2+ => 영향없음, CH 3 COO - => 염기성, => 염기성 (b) NH 4 + => 산성, Cl - => 영향없음, => 산성 (c) CH 3 NH 3 + => 산성, Br - => 영향없음, => 산성 (d) K + => 영향없음, Cl - => 영향없음, => 중성 (e) Al 3+ => 산성, ClO 4 - => 영향없음, => 산성 Ex) Na 2 HPO 4 를물에녹였을때, 산성용액이될지또는염기성용액이될지예측하시오. Na + => 영향없음, HPO 4 2- =>? HPO 4 2- 의 K a = 4.2 x HPO 2-4 의 K b? H 2 PO - 4 의 K a = 6.2 x 10-8 HPO 4 2- 의 K a < K b => 염기성

No 강산 결합에너지 (the lower, the more acidic) 결합극성 (the higher, the more

39 합에너지감소산 - 염기의거동과화학구조 산의세기에영향을주는인자들 수소원자를포함하고있는분자는잠재적인산이다. H H C H H nonpolar H-Cl polar 결합에너지 (kcal/mol) 산? No 강산 결합에너지 (the lower, the more acidic) 결합극성 (the higher, the more acidic) 짝염기의안정성 (the more stable, the more acidic) 에의해종합적으로산의세기가결정됨 ( 같은족) 결결합극성 큼 작음 ( 같은주기 ) 결합극성

40 산 - 염기의거동과화학구조 산소산 산소산 (oxyacid): OH 기를가지고있거나중심원자에산소가결합한산 Y 의전기음성도 => 산의세기

41 산 - 염기의거동과화학구조 산소산 산소산 (oxyacid): OH 기를가지고있거나중심원자에산소가결합한산 중심원자 Y 에전기음성도가큰원자 (O, 산소 ) 가많이결합할수록산의세기는강해진다. H-O-Y 는항상산? No. NaOH, KOH. H-O-Y Y 의전기음성도 큼 매우작음 O-Y 결합특성 강한공유결합 이온결합 수용액에서끊어지는결합 극성 H-O 결합 극성 O-Y 결합 발생이온 H + 와 O-Y - OH - 와 Y + 산, 염기? 산 염기

42 산 - 염기의거동과화학구조 카복실산 카복실산 (carboxylic cid): 카복실기 (carboxyl group, -COOH) 기를가지고있는분자 짝염기가가진공명구조는염기의안정성을높이고짝산을더욱산성으로만든다. 아미노산의양쪽성

43 Lewis 산 - 염기 산, 염기의정의 산 (Acid) 염기 (Base) Arrhenius 짝염기가가진 H 공명를구조는생성염기의 OH 안정성을를생성높이고짝산을수용액에서만더욱산성으로정의됨만든다. Brønsted-Lowry H + 주개 H + 받개 수용액, 비수용액에서모두정의됨 Lewis e - 쌍 (pair) 받개 e - 쌍 (pair) 주개 산의범위가확대됨 Fe H 2 O [Fe(H 2 O) 6 ] 3+ H 2 O + CO 2 H 2 CO 3

44 종합개념 Ex) 아인산 (phosphorous acid, H 3 PO 3 ) 의 Lewis 구조는다음과같다. (a) H 3 PO 3 가왜삼양성자산이아니고이양성자산인지설명하시오. (b) 25.0 ml 의 H 3 PO 3 용액을 M NaOH 용액으로적정하였다 ml 의 NaOH 용액이두양성자모두를중화시키는데소모되었다면, H 3 PO 3 용액의몰농도는얼마인가? (a) χ H = 2.1, χ P = 2.1 => H-P 비극성결합 (b) 1 : 2 MV = M V NV = N V

(c) 초기 [H 3 PO 4 ] = 0.0476 M 0.0 4765 M H 3 PO 4 용액의 ph = 1.59 평형 [H + ] (d) 0.050 M HCl(aq) => 0.

45 종합개념 Ex) 아인산 (phosphorous acid, H 3 PO 3 ) 의 Lewis 구조는다음과같다. (c) 앞의문제 (b) 에서적정전의 H 3 PO 3 용액의 ph 는 1.59 였다. K a1 >> K a2 라가정하고, H 3 PO 3 의이온화백분율과 K a1 을구하시오. (d) M HCl 용액의삼투압을 M H 3 PO 3 용액과정성적으로비교할때얼마가되겠는가? 이유를설명하시오. (c) 초기 [H 3 PO 4 ] = M M H 3 PO 4 용액의 ph = 1.59 평형 [H + ] (d) M HCl(aq) => M H + (aq) + Cl - (aq) => M 입자 M H 3 PO 4 (aq) => 대략 M H + (aq) M H 2 PO 4- (aq) M H 3 PO 4 => 대략 M 입자 Π HCl > Π H3PO4

72 Chap 4 : Acids and Bases 4.1 Arrhenius acids and bases 4.2 Brϕnsted-Lowry acids and bases 4.3 Acid dissociation constants, pk a, and strengths of a

72 Chap 4 : Acids and Bases 4.1 Arrhenius acids and bases 4.2 Brϕnsted-Lowry acids and bases 4.3 Acid dissociation constants, pk a, and strengths of a 72 hap 4 : Acids and Bases 4.1 Arrhenius acids and bases 4.2 BrϕnstedLowry acids and bases 4.3 Acid dissociation constants, pk a, and strengths of acids and bases 4.4 The position of equilibrium in acidbase