산 염기의 화학적 특성

용액(solution)의 일반적 정의

우리 주변의 생물학적 화학적 과정들을 설명할 때 가장 필요한 개념 중 하나가 바로 용액에 대한 내용입니다. 용액은 solution이라고 번역이 되는데, 두 개 이상 물질이 혼합된 것을 말합니다. 서로의 많고 적음에 따라 용매 또는 용질로 나뉘게 됩니다. 수용액을 정의하자면 물이 용매가 되고, 나머지 섞인 물질이 용질이 되는 것입니다. 여기에서는 용매가 물인 수용액에 대해서 자세하게 풀어 설명해 보고자 합니다.

 

전해질, 비전해질

우선 물에 무언가 녹아있다고 하면 이것이 전해질인지 혹은 비전해질인지 구분을 할 수 있습니다. 물에 녹았을 때 전기가 통한다고 하면 전해질 그렇지 않으면 비전해질로 구분할 수 있습니다. 예를 들어 NaCl을 물에 녹여 전극을 담그면 전기가 통합니다. 이것이 전해질입니다. 비전해질은 대표적으로 생각하면 에탄올을 예로 들 수 있습니다. glucose나 sucrose도 대표적인 비전해질입니다. 전해질 중에서도 강전해질과 약전해질로 나눌 수 있습니다. 예를 들어 HCl이나 NaOH 등은 강전해질로 분류됩니다. 우리가 익히 알고 있는 강산이나 강염기들이 이에 해당합니다. 반면 약산으로 잘 알려진 CH3COOH 등이 약전해질의 대표적인 예시입니다. 

 

Hydration이란 무엇인가?

그렇다면 hydration이란 무엇인지 개념을 살펴보겠습니다. 이온들이 특정 배열을 이루는 물분자에 의해 둘러싸이는 것을 hydration이라고 부릅니다. Hydration이 되면 이온들이 안정된 상태가 됩니다. 그래서 음이온과 양이온이 서로 결합하는 것을 막아줍니다. 

 

침전물이란 무엇인가?

침전은 Precipitation이라고 합니다. 수용액에서 녹아있지 않고 불용성 물질이 생성되어 가라앉는 것을 뜻합니다. 불용성 고체의 형태라고 생각하면 됩니다. 예를 들어 질산납 용액과 potassium iodide 용액을 서로 섞으면 화학반응이 일어나는데 이때 침전물이 형성됩니다. 침전물은 납과 Iodide가 섞여 PbI2 형태로 노란색 침전물이 형성되게 됩니다. 

 

용해도의 개념

용해도는 영어로 solubility라고 표현합니다. 즉, 얼마나 녹을 수 있느냐를 뜻합니다. 용해도를 규정하려면 특정 온도 조건이 필요합니다. 몇 도의 온도에서 용해도가 몇인지를 표현할 수 있습니다. 용해도의 정도에 따라 잘 녹으면 soluble이라고 표현할 수 있고, 녹지 않으면 insoluble이라고 표현할 수 있습니다. 

 

산과 염기의 반응

아레니우스가 정의한 대로 규정하자면 산은 물속에서 H+ 이온을 내놓는 물질을 말하고, 염기는 OH-를 내놓는 물질을 말합니다. 간단하게 확인하는 방법은 pH 미터기를 이용한 pH 측정법이 있습니다. 초등 교육과정에서는 리트머스지를 이용하여 산과 염기를 구분하는 탐구활동을 하기도 합니다. 대표적인 산의 특징은 신 맛이나 특성을 갖는데 이는 아세트산이나 시트르산 등의 영향을 받아서입니다. 금속을 산과 반응시키면 수소 기체가 형성되는 전형적인 특징을 갖습니다. 염기는 대표적으로 미끌거리거나 쓴 맛을 나타냅니다. 염기가 형성한 수용액은 전기 전도성을 나타냅니다.

 

브뢴스테드와 루이스의 산, 염기

아레니우스의 정의가 수용액에 국한되는 문제가 있다면 브뢴스테드가 정의한 산과 염기는 양성자 donor와 acceptor로 분류됩니다. 산은 proton donor의 성격을 갖고 염기는 proton을 accept 하는 성질을 나타내는 것으로 구분 지었습니다. 한편 루이스의 이론에 따르면 proton 말고 electron으로 donor와 acceptor를 구분하였습니다. 산은 electron을 받는 물질로 규정하였고, 염기는 electron을 주는 물질로 규정하였습니다. 예를 들어 2가 구리 이온과 NH3가 반응할 경우 구리이온은 루이스 정의대로 산에 해당하고, NH3는 루이스 정의에 따라 염기에 해당합니다.

 

산화 환원 반응

산과 염기가 양성자나 전자를 주고받는 것으로 규정이 가능하다면 이렇게 되는 현상을 산화와 환원이라고 구분할 수 있습니다. Oxidation reduction반응을 줄여서 redox 반응이라고도 부릅니다. 산화 환원 반응을 간략하게 규정하자면 이는 전자 전달 반응이라고 할 수 있습니다. 산화의 특징은 전자를 잃고, 산소를 얻거나, 수소를 잃습니다. 반대로 환원은 전자를 얻거나, 산소를 잃을 경우, 또는 수소를 얻을 경우를 환원이라고 말합니다. 각 화학반응마다 산화 환원을 따질 수 있는 형태가 산소인지, 전자인지 혹은 수소인지를 확인하여 규정하면 됩니다. 

 

반쪽 반응에 대해

Half reaction은 산화 환원 과정을 나타낼 때 보다 전자의 이동이 어디로 갔는지 정확하게 확인할 수 있도록 반응을 절반씩 나누어 표기하는 방식입니다. 전자가 어디에 있는지 어디로 이동하는지를 명확하게 확인이 가능한 방법으로, half reaction 두 개를 합치면 결국 전체적인 화학반응식이 완성됩니다. 전자의 이동을 보다 자세히 알고자 한다면 half reaction 반응식을 확인해 보는 것이 좋습니다. 마지막으로 전자를 제공해 주어서 다른 물질을 환원시키는 물질인 경우 환원제(Reducing agent)라고 부릅니다. 반대로 전자를 받아들이고 다른 물질을 산화시키는 대상은 산화제(oxidative agent)라고 부릅니다.