산과 염기

브뢴스테드의 산과 염기

브뢴스테드가 정의한 산과 염기는 양성자를 기준으로 결정됩니다. 양성자를 줄 수 있는 물질은 산, 양성자를 받아들이는 물질은 염기로 정의됩니다. 이러한 브뢴스테드의 정의를 확장시키면 짝산-짝염기에 대해 정의를 할 수 있습니다. 브뢴스테드의 산에는 짝염기가 존재합니다. 또한 브뢴스테드 염기에는 짝산이 존재합니다. 예를 들어 Cl-의 경우 HCl의 짝염기이고, H2O는 H3O+의 짝염기라고 할 수 있습니다. 브뢴스테드 염기에서 H+ 이온을 받는 원자는 특징이 비공유 전자쌍을 갖고 있다는 것입니다. 

물의 산-염기 성질

물은 특이한 성질을 나타내는 용매입니다. 그 특이성 중 하나는 산-염기에서도 나타납니다. 물은 산과 염기 양쪽으로 작용할 수 있는 특징을 나타냅니다. 물이 만약 HCl이나 CH3COOH와 같은 산과 반응할 경우에는 염기로 작용하지만, NH3와 같은 염기와 반응할 때에는 산으로 작용합니다. 또한 물은 약한 전해질인데, 전기 전도성이 작은 편이고 일부 이온화 되는 특징을 보입니다. 이러한 현상을 물의 자동이온화(Autoionization)이라고 부르기도 합니다. 이러한 자동이온화를 화학반응식으로 나타내면 H2O가 산일때 OH-는 염기이고, H3O+가 산일때 H2O는 염기입니다.

물의 이온곱

물의 자동이온화를 공식으로 표기할 때 평형상수 Kc는 이렇게 정의할 수 있습니다. Kc = [H3O+][OH-] = [H+][OH-]. Kc는 물의 평형상수를 나타내므로 Kc대신 Kw라고 표기하기도 합니다. 이렇게 정의된 Kw를 물의 이온곱 상수(Ion-product constant)라고 부릅니다. 특정 온도에서 H+이온과 OH-이온의 몰농도를 곱한 값으로 계산됩니다. 섭씨 25도씨에서 순수한 물의 경우 H+이온과 OH-이온 모두 1.0x10^-7 몰농도를 나타냅니다. 그래서 순수한 물이거나 어떠한 수용액으로 사용된 것에 관계없이 섭씨 25도씨에서 Kw 값은 1.0x10^-14라는 공식이 항상 성립하게 되는 것입니다. 

pH 측정

1900년대 초반, H+나 OH- 등의 매우 작은 값의 이온농도를 계산하고 다루기가 어려워 pH 척도라는 개념이 처음으로 제안되었습니다. 용액 속 수소 이온의 농도(mol/L)를 음의 로그값으로 정의한 것이 pH입니다. 그래서 pH = -log[H3O+] 로 표현이 가능하고 또한 pH = -log[H+]로도 표기가 가능합니다. 섭씨 25도씨에서 산과 염기를 pH로 정의하자면 기준점은 pH 7이 됩니다. pH가 7보다 낮으면 산성, 높으면 염기성으로 이해하시면 됩니다.

산과 염기의 세기

강한 산은 센 전해질로 물에서 완전히 이온화 된다고 가정합니다. 이러한 센 산은 대부분 무기산입니다. HCl, HNO3, HClO4, H2SO4등이 센 산에 속합니다. 약한 산은 일부만 이온화되는 것으로 HF, CH3COOH, NH4+ 등이 이에 해당합니다. 염기도 마찬가지의 개념으로 물에서 얼마나 이온화가 되느냐에 따라 염기의 강한 정도가 달라집니다. 센 염기의 경우 알칼리 금속 수산화물이나 일부 알칼리 토금속 수산화물이 이에 해당합니다. 예를 들어 NaOH, KOH등이 있습니다. 이를 브뢴스테드의 정의에 따라 생각하자면 염기라고 정의하기는 다소 어렵습니다. 그 이유는 양성자를 받을 수 없기 때문입니다. 그러나 수산화 이온이 생성되는 것은 브뢴스테드 염기로 정의가 가능합니다. 그래서 NaOH 자체를 염기라고 정의하기 보다는 실제 수용액 속에서 나오는 OH-를 염기라고 정의하는 것입니다. 약한 염기의 경우 약전해질로 NH3 등이 이에 해당합니다. 

산 이온화 상수

산의 이온화 정도를 상수로 표현하면 Ka값으로 정의할 수 있습니다. Ka는 산 이온화 상수(acid ionization constant)라고 합니다. 같은 약산이라고 하더라도 Ka값은 수십만배 이상 차이가 날 수 있습니다. 예를 들어 HF와 HCN 모두 약산이지만 HF의 Ka는 7.1x10^-4이고, HCN의 Ka값은 4.9x10^-10으로 100만배가 넘는 차이가 납니다. 

이온화 백분율

산의 세기를 Ka라고 나타낸다고 위에서 말씀드렸습니다. 그런데 또 다른 방법으로 표현이 가능합니다. 그것은 이온화 백분율(percent ionization)이라는 방법입니다. '이온화 백분율 = 평형에서 이온화가 된 산 농도 / 산의 초기 농도 x 100%'로 계산이 가능합니다. 산의 세기가 커진다면 이온화 백분율도 커집니다. 

 

짝산-짝염기와 이온화 상수의 관계

산의 이온화 상수와 짝염기의 이온화 상수 간 관계를 알아보도록 하겠습니다. 짝산-짝염기 쌍에서는 KaKb = Kw라는 규칙이 항상 성립합니다. 

분자구조와 산의 세기

산의 세기에 영향을 미치는 요인은 용매의 성질이나 온도도 영향을 미치지만 산의 분자 구조 자체도 영향을 미칩니다. H와 다른 원소간 결합 강도가 산이 이온화되는 정도에 영향을 미치므로 산의 세기에 영향을 주는 요인이 됩니다. 편극이 되어 있거나 축적된 전하가 많으면 극성의 정도가 커지므로 더 센 산이 될 수 있습니다. 그래서 할로겐화 수소산의 산 세기를 비교하면 HF<<HCl<HBr<HI로 비교할 수 있습니다. H와 X간 결합 에너지 세기 차이에 의해 이와같은 강도가 나타나는 것으로, HF는 562kJ/mol의 결합에너지는 갖는 반면 HI의 경우 298.3kJ/mol로 약 절반 정도의 결합에너지를 갖습니다. 약한 결합에너지를 갖기 때문에 H와 서로 쉽게 깨지는 것이 되고 이온화 정도가 높아지면서 센 산이 되는 개념입니다.