산과 염기

[spectro]

산과 염기의 정의

        아레니우스(Arrhenius)에 의하면 수용액에서 산은 수소이온(H⁺)의 양을 증가시키는 물질이며 염기는 수산화이온(OH^-)의 양을 증가시키는 물질이다. 예를 들면,

HCl_(g) → H⁺_(aq) + Cl^-_(aq)

염화수소(HCl)은 물에서 해리하여 수소이온을 만들므로 산이다. 수용액 중에서 수소이온(H⁺)은 물분자에 배위되어 수화된 H₃O⁺ 이온으로 존재한다.

NaOH_(s) → Na⁺_(aq) + OH^-_(aq)

수산화나트륨(NaOH)은 물에서 해리하여 수산화이온(OH^-)을 만들므로 염기이다. 아레니우스의 정의는 물에서 유래되는 수소이온(H⁺) 및 수산화이온(OH^-)을 중심으로 제안되었으나 물이 아닌 용매에서는 문제점이 있었다. 

        브뢴스테드(Broenstead)와 로우리(Lowry)는 더 넓은 의미의 산과 염기를 제안하였다.  브뢴스테드와 로우리에 의하면 산은 다른 물질에게 양성자를 내주는 물질(양성자 주게)이고 염기는 양성자를 받아들이는 물질(양성자 받게)이다. 산은 양성자를 내 놓으면서 짝염기가 되고 염기는 양성자를 받아서 짝산이 된다.

NH_3(aq) + HCl_(aq) ⇄ NH₄⁺_(aq) + Cl^-_(aq)

 염기₁     산₂       산₁        염기₂

암모니아는 양성자를 받아들여 암모늄이온을 만들므로 염기이고 염화수소는 양성자를  내줄 수 있기 때문에 산이다.

CH₃COOH_(aq) +H₂O_(l) ⇄ CH₃COO^-_(aq) + H₃O⁺_(aq)

    산₁        염기₂       염기₁        산₂     

초산과 초산이온은 H₂O와 H₃O⁺처럼 H⁺를 잃거나 얻음으로 서로 변환된다. 이러한 분자-이온쌍을 짝산-짝염기 쌍이라 한다.  모든 브뢴스테드산은 짝염기를 가지고 있고 모든 브뢴스테드 염기 역시 짝산을 가진다. 브뢴스테드의 산, 염기 정의에 의하면 물은 질산 등의 산에 대하여는 양성자 받게(염기), 암모니아 등의 염기에 대하여는 양성자 주게(산)로 행동한다. 물은 환경에 따라 간과 염기 두 가지의 성질을 나타내는데  이러한 성질을 가진 물질을 양쪽 양성자성(amphiprotic) 물질이라고 한다. 예를 들어 물은 HCl에서 양성자를 받아 염기로 작용한다.

HCl_(aq) + H₂O_(l) ⇄ H₃O⁺_(aq) + Cl^-_(aq)

                           산      염기

그러나 물이 암모니아에 양성자를 줄 때에는 산으로 작용한다.

NH_3(aq) + H₂O_(l) ⇄ NH₄⁺_(aq) + OH^-_(aq)

                         염기      산

흔히 볼 수 있는 중요한 양쪽 양성자성 물질 으로는 HCO₃^-(탄산수소이온), H₂PO₄^-(인산수소이온) 및 HS^-(황화수소이온) 등이 있다.

HCO₃^-_(aq) + H₂O_(l) ⇄ CO₃^2-_(aq) + H₃O⁺_(aq)

                        산         염기

HCO₃^-_(aq) + H₂O_(l) ⇄ H₂CO_3(aq) + OH^-_(aq)

                        염기        산

        루이스(Lewis)는 전자쌍 주게를 염기, 전자쌍 받게를 산이라고 정의하여 물을 포함한 모든 용매 계에 적용할 수 있는 개념을 정의하였다. 산은 전자쌍을 받는 물질이며, 염기는 전자쌍을 주는 물질이다. 에를 들면 암모니아 NH₃와 삼플루오르화 붕소 BF₃ 와의 반응(NH₃ + BF₃ → H₃N:BF₃, :은 고립전자쌍)에 의하여 첨가생성물이 생성되는데 암모니아는 염기, 삼플루오르화 붕소는 산이다. 이렇게 정의된 산, 염기를 루이스 산, 루이스 염기라고 한다. 루이스 염기인 암모니아는 루이스 산인 BF₃에 고립 전자쌍을 제공한다. 루이스 염기가 가지고 있는 고립 전자쌍이 제공되는 결합을 배위공유결합이라고 한다.

다양성자 산과 염기

        하나의 양성자를 줄 수 있는 산을 일양성자산이라고 하며, 한 개의 양성자를 받을 수 있는 염기를 일양자성 염기라고 한다. 그리고 하나 이상의 양성자를 줄 수 있는 산을 다양자성 산이라고 하며 황산(H₂SO₄), 옥살산(H₂C₂O₄), 탄산(H₂CO₃), 인산(H₃PO₄) 등이 속한다. 다양자성 산들은 수용액에서 단계적으로 해리되어 양성자를 제공한다. 황산을 예로 들어 조사해보자. 첫째 단계에서는 황산수소이온이 생성된다.

H₂SO_4(aq) + H₂O_(l) → HSO₄^-_(aq) + H₃O⁺_(aq)

만들어진 황산수소이온이 다음 단계에서 물과 반응하여 황산이온을 만든다.

HSO₄^-_(aq) + H₂O_(l) ⇄ SO₄^2-_(aq) + H₃O⁺_(aq)

황산수소이온이 일양자성 산으로 작용을 하므로 황산수소이온염들은 산성이다. 다양자성 염기의 해리도 다양자성 산과 유사하다. 예로는 인산이온(PO₄^3-), 탄산이온(CO₃^2-), 옥살산이온(C₂O₄^2-), 황화이온(S^2-) 등이 있다.  홯화이온의 반응을 조사해보자.

첫째 단계 S^2-_(aq) + H₂O_(l) → HS^-_(aq) + OH^-_(aq)

두 번째 단계 HS^-_(aq) + H₂O_(l) → H₂S_(aq) + OH^-_(aq)

표 2. 4 여러가지 산(산성이온), 양쪽양성자 이온 및 염기성 이온

산 또는 산성 이온	양쪽양성자 이온	염기성 이온
H2CO3(탄산) H2C2O4(옥살산) H3PO4(인산) H2PO4-(인산이수소이온) H2S(황화수소산)	HCO3-(중탄산이온) HC2O4-(옥살산수소이온) H2PO4-(인산이수소이온) HPO42-(인산일수소이온) HS-(황화수소이온)	CO32-(탄산이온) C2O42-(옥살산이온) HPO42-(인산일수소이온) PO43-(인산이온) S2-(황화이온)