일반화학 (I) 제 13 장산 - 염기반응 토목공학과 권순철
13 장산 - 염기반응
4 장복습 산과염기의 Arrhenius 정의 산은물속에서 H + 이온을생성한다 염기는물속에서 OH - 이온을생성한다 산에서나온 H + 이온이염기에서나온 OH - 와결합하면물을생성한다 이반응을중화반응 (neutralization) 이라고부른다 Brønsted-Lowry Arrhenius 모형이산과염기의독립된성질에초점이맞추어져있는반면에 Brønsted-Lowry 모형은산과염기사이에서일어나는반응에초점이맞추어져있다 Brønsted-Lowry 산은염기에게 H + 이온을제공한다 Brønsted-Lowry 염기는산에서 H + 이온을받는다
산염기의정의
Brønsted-Lowry 의산 염기모형 H + 의성질 H + 이온은 Brønsted-Lowry 반응에서교환되는화학종이다 H + 이온은양성자 (proton) 라고부른다 산-염기반응은양성자교환을수반한다 짝쌍 (Conjugate Pairs) 산에서양성자를제거하였을때형성되는화학종을그산의짝-염기라함 만일산이 HB 일때, 짝염기는 B - 이다 짝산-염기쌍의화학종사이의유일한차이는양성자의위치이다 양성자를주거나받을수있는화학종을양쪽성이라부른다 물을생각하자 : OH - H 2 O H 3 O + H + 의제거 H + 를가함
해리식예
Brønsted-Lowry 의산 염기모형 하이드로늄이온 H + 이온은 H 3 O + 으로쓴다 H 3 O + 는하이드로늄이온이다 H + 이온은물속에서하이드로늄이온으로존재한다 그이유는 H + 이온자체는물속에서안정하지않기때문이다 반응식을쓸때, H + 또는 H 3 O + 의어느것으로도사용할수있다 유일한차이점은 H 2 O 분자를포함시키거나배제하는것이다
평형과물의자체이온화 물의이온곱 물은그자신과반응을할수있는데, 이것을자체이온화 (autoionization) 라고부른다 물은산 - 염기반응에서그자체와반응할수있다 : H 2 O + H 2 O H 3 O + (aq) + OH - (aq) 이반응을나타내는다른방법 : H 2 O H + (aq) + OH - (aq ) 평형과물의자체이온화 H 2 O H + (aq) + OH - (aq) 평형상수식에는농도를사용함을기억하라 이반응에대한평형상수식은다음과같다 K = [H + ][OH - ] 이 K 를물의이온곱상수 (ion product constant, K w ) 라고부른다 K w = [H + ][OH - ] 25ºC 에서, K w = 10 X 10-14
순수한물에서 H+ 와 OH- 의농도 물에대하여, [H + ][OH - ] = 10 X 10-14 순수한물에서, 두농도는같다 : [H + ] = 10 X 10-7 M [OH - ] = 10 X 10-7 M 한농도가증가하면다른농도는감소한다 만일 [H + ] > 10 X 10-7 M이면, [OH - ] < 10 x 10-7 M 이고용액은산성이다 만일 [OH - ] > 10 X 10-7 M이면, then [H + ] < 10 x 10-7 M 이고, 용액은염기성이다
ph 와 poh ph ph 에대한식 poh poh 에대한식 poh log[oh [OH ] antilog[ poh] ] 10 poh ph 가높을수록, 용액의산성도는감소 ph 가낮을수록, 용액은산성도증가 poh 가높을수록, 용액의염기성도증가 poh 가낮을수록, 용액의산성도증가
ph 와 poh 의관계 ph 와 poh 와의관계
ph 의영향예 그림 136 산성과염기성토양의영향 센산성토양에서자란수국 (ph 5 이하 ) 은파란색이다 중성이나염기성에서자랐을때는장밋빛분홍색을나타낸다
ph 측정 -ph 지시약 만능지시약 H + 이온의농도에따라색깔변화가달라지는물질의혼합물 ph 미터보다덜정확함 사용하는지시약에따라좁은범위또는넓은범위의 [H + ] 의 ph 를나타낸다 몇가지식물은 ph 지시약으로행동한다 식물의몇가지꽃은식물이자라는토양의 ph에따라색깔이달라진다
ph 측정 -ph 미터 ph 미터 ph 는 ph 미터로측정할수있다 ph 미터는 [H + ] 를전기적인신호로나타낸다 전기적신호는 ph 단위로보정된아날로그눈금또는디지털숫자로나타난다
센산과센염기 센산 HCl, HBr, HI, HClO4, HNO3, H2SO4 이들산은물에서완전히이온화한다 [H + ] 는산의 [H + ] 와같다 HCl 의 010 M 용액에서, [H + ] = 010 M 따라서이용액의 ph = 100 센염기 LiOH, NaOH, KOH, Ca(OH) 2, Sr(OH) 2, Ba(OH) 2 이들염기는물속에서 OH - 이온으로완전히이온화한다 poh는센염기의농도에따라달라진다 010 M NaOH 용액은다음과같다 [Na + ] = [OH - ] = 010 M poh = 100 : ph = 1300
약산과평형상수 약산은일부분만이온화한다 양성자유형의반응 - HB (aq) + H 2 O H 3 O + (aq) + B - (aq) 약산으로행동하는두가지유형의화학종 1 이온화할수있는수소원자를갖는분자 - HNO 2 (aq) + H 2 O H 3 O + (aq) + NO 2- (aq) 2 양이온 NH 4+ (aq) + H 2 O H 3 O + (aq) + NH 3 (aq) 산으로행동하는금속양이온 많은금속양이온들도수용액에서약산으로작용한다 Zn(H 2 O) 2+ 4 (aq) + H 2 O H 3 O + (aq) + Zn(H 2 O) 3 (OH) + (aq) 산소와금속이온사이에형성되는결합은약화시킨다 H + 이온은약해진결합때문에훨씬더쉽게이온화된다
약산과평형상수 HB (aq) + H 2 O H 3 O + (aq) + B - (aq) K a 는평형상수이다 위의식을단순화시키면다음과같이된다 HB (aq) H + (aq) + B - (aq) K a 값은약한산의세기와관련이있다 K a 값이작을수록산의세기도약해진다 pk a pk a 가작을수록더센산이다 ph와 pk a 는같은경향성을가진다 즉 ph도작을수록더센산이다
계산에사용한근사법 일반적으로, K a 의값은대략 ±5% 보다더정확할수없다 평형문제에서미지값을풀때사용되는식은다음식과같다 약한산의초기농도가주어져있을때위의계산식에서분모의 x 를무시함 으로써생기는오차가 5% 이내라면 x 를무시할수있다
약산과평형상수 - 다양성자약산 하나이상의이온화될수있는수소이온을가지는산을다양성자성 (polyprotic) 이라고부른다 한단계에서생성된음이온 ( 예, HC 2 O 4-, H 2 PO 4- ) 은다음단계에서다른 H + 이온을생성한다 산평형상수는연속된다음단계로갈수록작아진다 삼양성자산
약염기와평형상수 약염기의평형식 약염기의종류 분자 K b 값의의미 K b 값이커질수록, 염기성증가 산의 K a 값에따라 pk b 값을정의 암모니아, NH 3 와아민 NH 3 (aq) + H 2 O NH 4+ (aq) + OH - (aq) pk b = -log K b 음이온 pk b 값이적을수록, 염기성증가 약산으로부터온음이온은약염기이다 I - (aq ) + H 2 O HI (aq ) + OH - (aq ) 약염기의평형상수 약염기인암모니아에대하여 염기평형상수 (base equilibrium constant) 는다음과같다 약염기로작용하는음이온 B - 에대하여
염용액의산 - 염기성질 염 (salt) 이란 H + 이온이외의다른양이온과 OH - 혹은 O 2- 이외의음이온을포함하는이온성고체이다 어떤염이산성, 염기성혹은중성인지를다음의과정으로알아낸다 1 양이온이물속에서어떤영향을미치는지를결정한다 양이온이산성인가아니면중성인가? 2 음이온이물속에서어떤영향을미치는지를결정한다 음이온이염기성인가아니면중성인가? 3 두효과를종합하여그염이물속에서어떻게행동하는지를결정한다
염용액의산 - 염기성질 양이온 약한산인가아니면구경꾼이온인가? 대부분의양이온들은산성이다 이들양이온은 01 M 용액에서 05 ph 단위를변화시킨다 예외 : 이들은구경꾼이온들이다 알칼리금속양이온 음이온 무거운알칼리토금속 (Ca 2+, Sr 2+, Ba 2+ ) 약한염기인가혹은구경꾼인가? 많은음이온들은약한염기이다 이들음이온은 01 M 용액에서 05 ph 단위를변화시킨다 예외 : 이들은구경꾼이온들이다 매우센산의음이온 : Cl -, Br -, I -, NO 3-, ClO 4 -
염 : 산성, 염기성혹은중성 염기성인음이온의 K b 와산성인양이온의 K a 를비교하면, 두이온으로 이루어진염이산성, 염기성혹은중성인지를분류할수있다 만일 K a > K b 이라면, 염은산성이다 NH 4 F, K a = 56 X 10-10 ; K b = 14 X 10-11 만일 K b > K a 이라면, 염은염기성이다 NH 4 ClO, K a = 56 X 10-10 ; K b = 36 X 10-7 HCO 3 - K a = 47 X 10-11 K b = 23 X 10-8 양쪽성음이온 K b > K a NaHCO 3 의용액은염기성
염의산도 / 염기도결정흐름도
주요개념정리 1 화학종을 BrØnsted-Lowry 산또는염기로분류하고, 알짜이온반응식으로설명하기 2 [H + ], [OH - ], ph 또는 poh 중의하나가주어졌을때, 나머지세개의값구하기 3 ph와약산용액의초기농도가주어졌을때, K a 계산하기 4 약산의 K a 와초기농도가주어졌을때, [H + ] 계산하기 5 약염기의 K b 와초기농도가주어졌을때, [OH - ] 계산하기 6 약산의 K a 가주어졌을때, 그짝염기에대한 K b 계산하기 7 어떤염용액이산성인지, 염기성인지, 중성인지예측하기 8 Lewis 산-염기와 Brønsted-Lowry 산-염기사이의차이점과비슷한점이해하기