Chapter 7. 산과염기 7.1 산과염기 : 실험적정의 산의성질 리트머스종이의염료를붉게변화시킴 신맛이남 ( 아연이나철같은 ) 금속과반응하여수소기체를발생시킴 염기와반응하여물과염이라불리는이온성화합물을만듦염기의성질 리트머스종이의염료를푸르게변화시킴 쓴맛이남 피부에닿으면미끈거리는느낌이남 산과반응하여물과염을생성산 염기지시약 리트머스종이 : 중성 ( 보라색 ), 산 ( 붉은색으로변색 ), 염기 ( 푸른색으로변색 ) 자연적인염료 : 포도주스, 붉은양배추, 블루베리등 7.2 산, 염기, 염 일상생활에서의산 : 레몬이나자몽 ( 시트르산 ), 식초 ( 아세트산 ), 축전지산 ( 황산 ), 비타민 C( 아스코르브산 ), 일상생활에서의염기 : 오븐청소용세제나배수구청소액 ( 수산화나트륨 ), 베이킹소다 ( 중탄산나트륨 ), 암모니아 u 아레니우스이론 1887년아레니우스 (Svante Arrhenius) 에의한산염기정의 산 (acid) : 수용액에서수소이온 (H) 과음이온으로분해되는분자화합물 염기 (base) : 수용액에서수산화이온 (OH) 을방출하는물질 H2O HNO ( aq) ¾¾ H ( aq) NO ( aq) NaOH ( s) ¾¾¾ Na ( aq) OH ( aq) 3 3 산과염기의반응 산 염기 염 물 본질적인반응 H OH H 2 O ( 중화반응 )
아레니우스이론의한계 1. 물에서는단순히자유로운양성자가존재하지않음 H 이온은물과결합하여히드로늄이온 (H 3 O ) 생성 H O H H ¾ é ê ê H ê êë O H H 2. 아레니우스이론은암모니아나이와관련된화합물의염기성을설명하지못함 NH 3 (aq) H 2 O(l) ßà NH 4 (aq) OH (aq) 염기산산염기 3. 아레니우스이론은수용액에만적용됨 u 브뢴스테드 로우리산 염기이론 1923 년브뢴스테드 (J. N. Bronsted) 와로우리 (T. M. Lowry) 의산 염기정의 산 (acid) : 양성자주게 염기 (base) : 양성자받게 ù ú ú ú úû 일반식 : HA 가어떤산을나타내면 HA(aq) H 2 O(l) H 3 O (aq) A (aq)
염 산과염기의중화반응으로부터생성 : 양이온과음이온으로구성되는이온화합물 전해질 : 물에녹았을때전기를통하는염 사용용도 : 염화나트륨과염화칼슘 겨울에도로의얼음을녹이는데사용황산구리 (Ⅱ) 하수관의나무뿌리를제거
7.3 산성과염기성무수물 비금속산화물 : 산무수물비금속산화물 물 산 ex) SO 3 H 2 O H 2 SO 4 CO 2 H 2 O H 2 CO 3 금속산화물 : 염기성무수물금속산화물 물 염기 ex) CaO H 2 O Ca(OH) 2 Li 2 O H 2 O 2LiOH 7.4 강산, 강염기, 약산, 약염기 강산 (strong acid) : 물과완전히반응하는산 ex) 염산 HCl( aq) ¾ H ( aq) Cl ( aq) 약산 (weak acid) : 물과조금만반응하는산 ex) 시안산 ; 40,000의 HCN 분자중 1개만이 H 생성 HCN( aq) ¾¾ H ( aq) CN ( aq) 강염기 (strong base) : 물에서완전히이온화 ex) 수산화나트륨 NaOH ( aq) ¾ Na ( aq) OH ( aq) 약염기 (weak base) : 물에서조금만이온화 ex) 암모니아 NH 3( aq) H 2O( l) ¾¾ NH 4 ( aq) OH ( aq) 양쪽성물질 : 산으로도작용하고염기로도작용하는물질 (ex. 물 ) 7.5 중화 (neutralization) 반응산과염기의반응 H OH H 2 O
7.6 ph 척도 ph 척도 : 1909 년쇠렌센에의해산도나염기도를나타내는데사용 ph log [ ] [ ] 정의 : = H H : 몰농도 ph < 7 : 산성 ph = 7 : 중성 ph > 7 : 염기성 7.7 완충용액과짝산 짝염기쌍 그림 7.7 ph 척도. ph 가 1 만큼변하면히드로늄이온의농도는 10 배가변한다는뜻임 짝산 짝염기쌍 양성자하나 (H ) 가다른화합물과이온의쌍을말한다예 ) HF 와 F 는짝산 짝염기쌍이고 NH 3 와 NH 4 는짝염기 짝산쌍이다완충용액작은양의강산이나강염기를첨가해도거의일정한 ph 를유지한다 약산과그짝염기 (ex. HC 2 H 3 O 2 와 C 2 H 3 O 2 ) 또는 약염기와그짝산 (ex. NH 3 와 NH 4 ) 으로구성됨 아세트산의이온화반응
예제 7.6 수소이온농도로부터 ph 수소이온농도가 1 10 5 M 인용액의 ph 는무엇인가? 풀이 ph = log [ H ] = log(1 10 5 ) = 5 예제 7.7 ph 로부터수소이온농도계산 ph 가 4 인용액의수소이온농도를구하라. 풀이 ph 4 [ H ] = 10 = 10 M 예제 7.8 수소이온농도로부터 ph 계산 H 의농도가 8 10 4 M 인용액의 ph 는? (a) 2.9 (b) 3.1 (c) 4.2 (d) 4.8 풀이 ph = log [ H ] = log(8 10 4 ) = 3. 1 예제 7.10 짝산 짝염기쌍 (a) HBr 과 (b) HNO 3 의짝염기는무엇인가? (c) OH 와 (d) HSO 4 의짝산은무엇인가? 풀이 (a) Br (b) NO 3 (c) H 2 O (d) H 2 SO 4
7.8 산성비 이산화탄소로포화된빗물의 ph = 5.6 산성비 (acid rain) : ph가 5.6보다낮은비산성비의원인물질 인위적인오염물질 자연적인오염물질 석탄을태울때발생하는 SO 2 화산폭발시발생하는황산화물과황산 자동차배출가스에서나오는 NO 2, NO 등 번개발생시질소산화물과질산 7.9 제산제 : 염기성치료제 (1) 탄산수소나트륨 (NaHCO 3 ) 가장오래된제산제 탄산수소이온이산과반응하면탄산을만들고, 탄산은물과이산화탄소로분해 HCO3 ( aq) H ( aq) ¾ H 2CO3( aq) H CO aq) ¾ CO ( aq) H O( ) 2 3( 2 2 l 과다하게사용시 : 혈액이과다하게알칼리성이됨 알칼리혈증 (2) 탄산칼슘 (CaCO 3 ) 상습적인사용은변비를일으킴 (3) 수산화알루미늄 (Al(OH) 3 ) 변비를일으킬수있음 암포젤의활성성분 (4) 수산화마그네슘 (Mg(OH) 2 ) 물에풀은현탁액은 마그네시아우유 로판매 다량을복용하면설사
7.10 산업과우리몸안의산과염기 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
Chapter 8. 산화와환원 산화 환원반응의예 : 석탄의연소, 철이녹스는것, 얼룩을제거하는표백제, 필름이현상되는것, 우리가먹는음식이뇌와근육을위한에너지로전환되는것등 산화 환원반응은항상같이일어남. (NH 4 ) 2 Cr 2 O 7 Cr 2 O 3 N 2 4 H 2 O 에너지측면 물질의환원된형태 : 높은에너지 (ex. 음식, 석탄, 휘발유 ) 물질의산화된형태 : 낮은에너지 (ex. 이산화탄소, 물 ) 8.1 산화와환원 : 세가지관점 산화 (oxidation) 산소원자를얻음 수소원자를잃음 전자를잃음 ( 산화수증가 ) 환원 (reduction) 산소원자를잃음 수소원자를얻음 전자를얻음 ( 산화수감소 ) 그림 8.2 산화와환원의세가지정의 그림 8.3 산화수에대한산화 환원정의
예제 8.1 산화와환원 산소원자를얻는것또는잃는것 다음각반응에서반응물은산화되는가또는환원되는가? (a) Pb PbO 2 (b) SnO 2 SnO (c) KClO 3 KCl (d) Cu 2 O 2CuO 풀이 a. 납은산소원자를얻음 산화 b. 주석은산소원자를잃음 환원 c. 왼쪽화합물은산소를잃음 환원 d. 구리는산소를얻음 산화 예제 8.2 산화와환원 수소원자를얻는것또는잃는것다음각반응에서반응물은산화되는가또는환원되는가? ( 아래의화학식은완전한화학식이아니다.) (a) C 2 H 6 O C 2 H 4 O (b) C 2 H 2 C 2 H 6 풀이 a. 왼쪽화합물은수소원자를잃음 산화 b. 왼쪽화합물은수소원자를얻음 환원 예제 8.3 산화와환원 전자를얻는것과잃는것 다음각반응에서반응물은산화되는가또는환원되는가? ( 아래의화학식은완전한화학식이아니다.) (a) Zn Zn 2 (b) Fe 3 Fe 2 (c) S 2 S (d) AgNO 3 Ag 풀이 a. 산화수가 0에서 2로증가 산화 b. 산화수가 3에서 2로감소 환원 c. 산화수가 2에서 0로증가 산화 d. 산화수 (Ag) 가 1에서 0로감소 환원
8.2 산화제와환원제 산화제 : 환원되는물질 환원제 : 산화되는물질 8.3 전지화학 : 전지 (cell) 와축전지 전기화학전지 (electrochemical cell) 의예 ( 구리 은전지 ) : 구리선코일을질산은용액에담가두면구리원자는전자를은이온에게준다. 구리는용액안으로녹아들어가고구리 (Ⅱ) 이온때문에용액은푸르게변한다. 은이온은바늘형태의은금속으로석출된다. 구리는산화되고은이온은환원됨 전극 (electrode) : 전자전달이일어나는두금속 음극 (anode) : 산화반응이일어나는전극 양극 (cathode) : 환원반응이일어나는전극 반쪽반응식 2 산화 : Cu( s) Cu ( aq) 2e 환원 : 2Ag ( aq) 2e 2Ag( s) 2 전체반응 : Cu ( s) 2Ag ( aq) Cu ( aq) 2Ag( s) 그림 8.4 산화 환원반응의응용 그림 8.5 전기화학전지.
예제 8.4 산화제와환원제다음반응에서산화제와환원제를찾아라. (a) 2C O 2 2CO 2 (b) N 2 3H 2 2NH 3 (c) SnO H 2 Sn H 2 O (d) Mg Cl 2 Mg 2 2Cl 풀이 a. C는산소를얻어서산화됨 환원제, O 2 는산화제 b. N 2 는수소를얻어서환원됨 산화제, H 2 는환원제 c. SnO는산소를잃어서환원됨 산화제, H 2 는환원제 d. Mg는전자를잃어서산화됨 환원제, Cl 2 는산화제 예제 8.5 산화와환원반쪽반응다음반응을 2 개의반쪽반응식, 즉산화반쪽반응과환원반쪽반응으로나타내라. Mg Cl 2 Mg 2 2Cl 풀이산화 : Mg Mg 2 2e 환원 : Cl 2 2e 2Cl 예제 8.6 산화환원반응균형맞추기다음반쪽반응의균형을맞추고이들을합하여전체균형반응식을만들어라. Sn 2 Sn 4 Bi 3 Bi 풀이산화 : Sn 2 Sn 4 2e ] 3 환원 : Bi 3 3e Bi ] 2 전체반응 : 3Sn 2 2Bi 3 3Sn 4 2Bi
감광유리 일반렌즈 : 규산염으로이루어져있어가시광선을통과시킴 감광렌즈 : 빛에노출되면렌즈가어두워짐 빛에대한산화 환원반응결과 염화은과염화구리 (Ⅰ) 결정이유리에고르게분포되어있음 산화 : Cl ¾¾ Cl e 환원 : Ag e ¾¾ Ag 빛의강도에의해검어지는정도가달라짐 렌즈를빛이없는곳에두면빛에의해생성됨염소원자가구리 (Ⅰ) 이온에의해환원됨 2 Cl Cu ¾¾ Cu Cl 2 Cu Ag ¾¾ Cu Ag 그림 감광유리는빛에의해검게된다 알칼리건전지 2 환원반쪽반응 ( 양극 ) Zn( s) Zn ( aq) 2e 산화반쪽반응 ( 음극 ) 2MnO2 ( s) H 2O( l) 2e Mn2O3 ( s) 2OH ( aq) 전체반응 Zn ( 3 2 s) 2MnO2 ( s) H 2O( l) Zn ( aq) Mn2O ( s) 2OH ( aq) 그림 8.6 아연탄소전지의단면
납산축전지 2 환원반쪽반응 ( 양극 ) Pb( s) SO4 ( aq) PbSO4 ( s) 2e 산화반쪽반응 ( 음극 ) 2 PbO 2( s) 4H ( aq) SO4 ( aq) 2e PbSO4 ( s) 2H 2O( l) 전체반응 Pb s) PbO ( s) 2H SO ( aq) 2PbSO ( s) 2H O( ) ( 2 2 4 4 2 l 리튬전지 리튬 SO 2 전지 : 잠수함과주피터같은탐사용로켓에사용 리튬 요오드전지 : 심장박동조절장치에사용 리튬 FeS 2 전지 : 카메라, 라디오, CD 플레이어에사용 그림 8.7 의단면 납 산축전지 Ni Cad 전지 재충전가능한전지 휴대용라디오나무선가전기기에사용 연료전지 화석연료가연소하여전기를생산할때연소에너지의이용 : 3540% 연료전지에서의에너지이용 : 7075% 연료전지의예 : 수산화칼륨용액에백금, 니켈, 로듐전극을가지고있는수소를이용
8.4 부식 철의부식 ( 녹스는것 ) 2 철의산화 : Fe Fe 2e 산소의환원 : O 2 2H 2 O 4e 4OH 전체반응 : 2Fe O2 2H 2O 2Fe( OH ) 2 수산화철 (Ⅱ) 은수산화철 (Ⅲ) 로더산화됨 철의녹 4Fe ( OH ) 2 O2 2H 2O 4Fe( OH ) 3 알루미늄의보호알루미늄은철보다반응성이크나부식은심각하게일어나지않음 알루미늄표면이공기중에서산소와반응하여얇은산화물막을형성함이형성된산화알루미늄은단단하고질기기때문에금속을보호함 은의변색 은의변색 : 은표면이공기중이나음식에있는황화수소에의해산화됨 은의녹제거법 : 탄산수소나트륨용액에서알루미늄과접촉 8.5 폭발반응 그림 8.8 철의부식에는물, 산소, 전해질이필요함 화학적폭발 : 산화환원반응의결과폭발반응에필요한화합물 : 나이트로글리세린 ( 다이너마이트의활성성분 ), 질산암모늄 ( 비료 ), 트라이나이트로툴루엔 (TNT) 같은질소화합물폭발성혼합물의사용예 : 폭탄, 광산, 굴착공사, 건물파괴등폭발반응식 52NH 4NO3( s) C17H36( l) 52N2( g) 17CO2( g) 122H 2O( g)
8.6 산소 : 풍부하고꼭필요한산화제 산소 가장흔한산화제 지구상에있는가장중요한원소중의하나 사람몸무게의거의 2/3 를차지 존재형태 대기권에서는수소와결합하여물로존재 암석권에서는규소 (SiO 2 ), 알루미늄 ( 점토안 ) 등다른원소와결합하여존재 순수한산소 : 공기를액화한뒤증류하여질소와아르곤을없애서얻음 나쁜면 : 부식을초래, 음식의부패와나무를썩게함 다른원소와의반응 금속과결합하여금속산화물형성 비금속과결합하여비금속산화물형성 화합물과의반응산소는많은화합물과반응하여화합물안에있는하나이상의원소를산화시킴 오존 (O 3 ) 강력한산화제 해로운공기오염물질 자극적, 고무파괴 성층권의오존층은자외선을차단하여지구의생명을보호
8.7 다른일반적인산화제들 산화제의역할 : 소독제, 살균제, 표백제등으로사용 ex) 과산화수소 (H 2 O 2 ) : 실험실용 30% 용액, 가정용 3% 용액중크롬산칼륨 (K 2 Cr 2 O 7 ) : 실험실에서자주사용 (1) 소독제 여드름치료연고 주성분 : 510% 과산화벤조일포함 피부암유발 (2) 살균제 주성분 : 염소, 차아염소산칼슘 (Ca(OCl) 2 ) 염소는해로운미생물을죽이지만작은분자를산화시켜트라이클로로메탄같은해로운부산물을생성할수있음 차아염소산칼슘 : 알칼리성이라물의 ph 를높임 (3) 표백제 천이나다른물질로부터원하지않는색을제거함 주성분 : 차아염소산나트륨 (NaOCl), 차아염소산칼슘, 과탄산나트륨 (Na 2 CO 3 ) 등
8.8 몇가지관심의대상이되는환원제들 순수한금속을얻기위해선화합물은환원됨 ex) 산화주석 (Ⅳ) 은석탄이나코크스로환원 SnO 2 C Sn CO 2 ex) 산화크롬은알루미늄과함께가열하여환원 Cr 2 O 3 2Al Al 2 O 3 2Cr 산화방지제 아스코르브산 ( 비타민 C) : 공기중의산화를막아과일이갈색으로변하는것을막음 수용성산화방지제 지용성산화방지제 : 토코페롤 ( 비타민 E), 베타 카로틴 ( 비타민 A 전구체 ) 환원제로의수소환원제로사용되는수소의예 텅스텐같은비싼금속을분리하는데사용 WO 3 3H 2 W 3H 2 O 에틸렌을에탄으로환원 C 2 H 4 H 2 C 2 H 6 암모니아합성 N 2 3H 2 2NH 3 물합성 2H 2 O 2 2H 2 O 촉매 (catalyst) : 자신은변하지않고반응속도를증가시키는물질 ex) 백금, 팔라듐, 니켈등 활성화에너지 (activation energy) : 반응을시작시키는데필요한최소한의에너지 촉매의사용으로활성화에너지가낮아짐
8.9 수소자세히보기 질량기준 : 지구표면의 0.9% 차지 원자수로비교 : 10,000 개의원자중 1,510 수소임. ( 산소 = 5,330, 규소 = 1,510) 지구에서산소와결합한물형태로존재 1A 족원소처럼전자를하나잃어 1 이온 (but 금속은아님 ) 7A 족원소처럼전자를하나얻어 1 이온 (but 할로겐은아님 ) 실험실에서얻는방법 : 아연과염산을반응시켜수상치환법으로얻음 Zn(s) 2HCl(aq) ZnCl 2 (aq) H 2 (g) 암모니아와메탄올을만드는데사용됨 미래연료로사용될가능성있음 특징 : 무색, 무취의기체밀도는공기의 1/14 로가장가벼움불꽃에의해점화될수있음 ( 독일비행선의폭발사고 ) 8.10 산화, 환원그리고생물 가장중요한산화환원반응 : 지구에서생명을유지시키는반응 ex) 탄수화물의대사과정 C 6 H 12 O 6 6O 2 6CO 2 6H 2 O 에너지 ex) 광합성과정 ( 식물의대사과정 ) 6CO 2 6H 2 O 에너지 C 6 H 12 O 6 6O 2 광합성 (photosynthesis) 광합성에의한탄수화물은모든음식의궁극적인원천 산소를생산하는유일한자연과정