06 산 염기 평형

산과 염기의 세기

⑴ 이온화와 산·염기의 세기

① 강산과 약산：물에 녹아 대부분 이온화하는 산을 강산, 물에 녹아 일부만 이온화하는 산을 약산이라고 한다.

예) 강산：염산(HCl), 황산(H₂SO₄), 질산(HNO₃) 등

약산：탄산(H₂CO₃), 인산(H₃PO₄), 아세트산(CH₃COOH) 등

• 같은 온도와 농도의 수용액에서 강산은 약산보다 이온화하는 정도가 커 수소 이온(H⁺)을 더 많이 내놓는다.

② 강염기와 약염기：물에 녹아 대부분 이온화하는 염기를 강염기, 물에 녹아 일부만 이온화하는 염기를 약염기라고 한다.

예) 강염기：수산화 나트륨(NaOH), 수산화 칼륨(KOH), 수산화 칼슘(Ca(OH)₂) 등

약염기 : 암모니아(NH₃), 메틸 아민(CH₃NH₂) 등

• 같은 온도, 농도, 부피인 수용액에서 강염기는 약염기보다 수산화 이온(OH^–)을 더 많이 내놓는다.

⑵ 이온화 상수와 산과 염기의 세기

① 산의 이온화 상수(K_a)：산 HA는 물에 녹아 다음과 같이 이온화 평형을 이룬다.

HA(aq)+H₂O(l) ⇆ A^–(aq)+H₃O⁺(aq)

이 반응의 평형 상수 K= [H₃O⁺][A^–]/[HA][H₂O]이다. 수용액에서 용매인 물의 농도는 평형 상수를 구하는 식에 나타내지 않으며, 상수 K_a로 나타내면 K_a= [H₃O=][A^–]/[HA]이고, 이때 K_a를 산의 이온화 상수라고 한다.

② 염기의 이온화 상수(K_b)：염기 B가 물에 녹아 이온화 평형을 이룰 때 염기의 이온화 상수K_b는 다음과 같다.

B(aq)+H₂O(l) ⇆ BH+(aq)+OH^–(aq) K_b= [BH⁺][OH^–]/[B]

③ K_a와 K_b의 성질

• K_a와 K_b는 일종의 평형 상수이므로 온도에만 영향을 받고, 온도가 일정하면 농도에 관계 없이 항상 일정하다.
• K_a가 클수록 이온화가 잘 되어 [H₃O⁺]가 크므로 상대적으로 강한 산이고, K_a가 작을수록 상대적으로 약한 산이다.
• K_b가 클수록 이온화가 잘 되어 [OH^–]가 크므로 상대적으로 강한 염기이고, K_b가 작을수록 상대적으로 약한 염기이다.
• 몇 가지 산의 이온화 상수(K_a)

⇨ 산의 세기：HCl>CH₃COOH>HCN

• 몇 가지 염기의 이온화 상수(K_b)

⇨ 염기의 세기：CH₃NH₂>NH₃

⑶ 짝산 짝염기와 산의 세기

① 산과 염기：브뢴스테드·로리 정의에 의하면 산은 수소 이온(H⁺)을 내놓는 물질, 염기는 수소 이온(H⁺)을 받는 물질이다.

② 짝산 짝염기：수소 이온(H⁺)의 이동에 의해 산과 염기로 되는 한 쌍의 산과 염기를 짝산 짝염기라고 한다.

• 산 HCl의 짝염기는 Cl^–이고, 염기 H₂O의 짝산은 H₃O⁺이다.

③ 이온화 상수와 평형：산이나 염기가 수용액에서 평형을 이룰 때 이온화 상수가 큰 물질은 정반응이 우세한 평형을 이루고, 이온화 상수가 작은 물질은 역반응이 우세한 평형을 이룬다.

④ 짝산과 짝염기의 상대적 세기：짝산과 짝염기의 쌍들이 H⁺을 주고받는 정도에 따라 산과 염기의 상대적 세기를 나타낼 수 있다. ⇨ 산의 세기가 강할수록 그 짝염기의 세기는 약하고,산의 세기가 약할수록 그 짝염기의 세기는 강하다.

예) 약산인 CH3COOH의 이온화 반응은 K_a가 매우 작으므로 역반응이 우세한 평형을 이룬다. H₃O⁺은 CH₃COOH보다 산의 세기가 강하므로 H₃O⁺의 짝염기인 H₂O은 CH₃COOH의 짝염기인 CH₃COO^–보다 염기의 세기가 약하다.

 

예) 강산인 HCl의 이온화 반응은 K_a가 매우 크므로 정반응이 우세한 평형을 이룬다. HCl은 H₃O⁺보다 산의 세기가 강하므로 HCl의 짝염기인 Cl-은 H₃O⁺의 짝염기인 H₂O보다 염기의세기가 약하다.

 

⑷ 짝산 짝염기의 이온화 상수

① 산 HA의 이온화 평형이 HA(aq)+H₂O(l) ⇆ A^–(aq)+H₃O⁺(aq)일 때 HA의 짝염기인 A^–의 이온화 평형은 A^–(aq)+H₂O(l) ⇆ HA(aq)+OH^–(aq)이다.

② 산 HA의 이온화 상수는 K_a= [H₃O⁺][A^–]/[HA]이고, 염기 A^–의 이온화 상수는

K_b= [HA][OH^–]/[A^–]이므로 K_a×K_b= [H₃O⁺][A^–]/[HA]×[HA][OH^–]/[A^–]=[H₃O⁺][OH^–]=K_w이다.

 

염의 가수 분해

⑴ 염：산의 음이온과 염기의 양이온이 결합하여 생성된 이온 결합 물질을 염이라고 한다. 다음과 같이 산과 염기가 중화 반응하면 물과 염이 생성된다.

⑵ 염의 가수 분해：염의 수용액에서 염을 이루는 이온이 물과 반응하여 H₃O⁺이나 OH^–을 생성하는 반응을 염의 가수 분해라고 한다. 가수 분해에 의해 염 수용액의 액성이 달라진다.

① 강산과 강염기가 반응하여 생성된 염：강산의 음이온과 강염기의 양이온이 모두 가수 분해하지 않는다.

예) NaCl, KCl, NaNO₃ 등：양이온과 음이온이 가수 분해하지 않으므로 수용액은 중성이다.

이온화 : NaCl(aq) → Na⁺(aq)+Cl^–(aq)

② 약산과 강염기가 반응하여 생성된 염：약산의 짝염기인 음이온이 가수 분해하여 OH^–을 생성하므로 수용액은 염기성을 나타낸다.

예) CH₃COONa, NaHCO₃, Na₂CO₃ 등

이온화 : CH₃COONa(aq) → CH₃COO^–(aq)+Na⁺(aq)

가수 분해 : CH₃COO^–(aq)+H₂O(l) ⇆ CH₃COOH(aq)+OH^–(aq)

③ 강산과 약염기가 반응하여 생성된 염：약염기의 짝산인 양이온이 물과 반응하여 H₃O+을 생성하므로 수용액은 산성을 나타낸다.

예) NH₄Cl, (NH₄)₂SO₄ 등

이온화 : NH₄Cl(aq) → NH₄⁺(aq)+Cl^–(aq)

가수 분해 : NH₄⁺(aq)+H₂O(l) ⇆ NH₃(aq)+H₃O⁺(aq)

완충 용액

⑴ 완충 용액：약산과 그 약산의 짝염기가 섞여 있는 수용액이나 약염기와 그 약염기의 짝산이 섞여 있는 수용액은 산이나 염기를 소량 가해도 pH가 거의 변하지 않는다. 이러한 용액을

완충 용액이라고 한다.

• 증류수는 산이나 염기를 조금 넣어도 pH가 크게 변하지만, 완충 용액은 pH가 거의 변하지 않는다.
• 몇 가지 완충 용액과 pH

① CH₃COOH과 CH₃COONa으로 이루어진 완충 용액

• 이온화 평형

CH₃COOH(aq)+H₂O(l) ⇆ CH₃COO^–(aq)+H₃O⁺(aq)

CH₃COONa(aq) → CH₃COO^–(aq)+Na⁺(aq)

• 용액에 약산인 CH₃COOH과 그 짝염기인 CH₃COO^–이 존재한다.

⇨ 소량의 산을 가하거나 염기를 가해도 pH가 거의 변하지 않는다.

⇨ HCl(aq)을 소량 가할 때：HCl(aq)의 H⁺이 CH₃COO^–과 반응하여 CH₃COOH이 되므로 가한 H⁺이 소모되어 수용액의 pH는 거의 변하지 않는다.

⇨ NaOH(aq)을 소량 가할 때：NaOH(aq)의 OH^–은 CH₃COOH과 반응하여 CH₃COO^–과 H₂O이 되므로 가한 OH^–이 소모되어 수용액의 pH는 거의 변하지 않는다.

② NH₃와 NH4Cl으로 이루어진 완충 용액

• 이온화 평형

NH₃(aq)+H₂O(l) ⇆ NH₄⁺(aq)+OH^–(aq)

NH₄Cl(aq) ⇨ NH₄⁺(aq)+Cl^–(aq)

• 용액에 약염기인 NH₃와 그 짝산인 NH₄⁺이 존재한다.

⇨ 소량의 산을 가하거나 염기를 가해도 pH가 거의 변하지 않는다.

⇨ HCl(aq)을 소량 가할 때：HCl(aq)의 H⁺이 NH₃와 반응하여 NH₄⁺이 되므로 가한 H⁺이 소모되어 수용액의 pH는 거의 변하지 않는다.

⇨ NaOH(aq)을 소량 가할 때：NaOH(aq)의 OH^–은 NH₄⁺과 반응하여 NH₃와 H₂O이 되므로 가한 OH^–이 소모되어 수용액의 pH는 거의 변하지 않는다.

⑵ 생체 내 완충 용액

① 혈액은 pH가 7.4 정도로 일정하게 유지되는 완충 용액이다. 생체 내에서 일어나는 화학 반응은 다양한 효소가 관여하며, 효소의 작용은 pH의 영향을 크게 받으므로 적정한 pH를 유지하는 것이 매우 중요하다.

• 혈액에서의 완충 용액：혈액에서는 탄산(H₂CO₃)과 탄산수소 이온(HCO₃^–)의 완충 용액, 인산이수소 이온(H₂PO₄^–)과 인산수소 이온(HPO₄^2-)의 완충 용액 등이 완충 작용을 한다.

② H₂CO₃과 HCO₃^–의 완충 용액

• 혈액에 녹은 이산화 탄소(CO₂)와 물(H₂O)이 반응하여 H₂CO₃을 생성하며, 혈액 속에서H₂CO₃과 그 짝염기인 HCO₃-은 평형을 이룬다.

⇨ 혈액 속 H₃O⁺의 농도 증가：운동으로 생긴 젖산 등으로 혈액 속의 H₃O⁺의 농도가 증가하면, 증가한 H₃O⁺이 HCO₃^–과 반응하여 소모되므로 혈액의 pH가 거의 일정하게 유지된다(㉡의 역반응이 일어남). H₃O⁺(aq)+HCO₃^–(aq) → H₂CO₃(aq)+H₂O(l)이때 증가한 H₂CO₃은 CO₂와 H₂O로 분해되며 CO₂는 호흡으로 몸 밖으로 배출된다(㉠의 역반응이 일어남). H₂CO₃(aq) → CO₂(g)+H₂O(l)

⇨ 혈액 속 OH^–의 농도 증가：혈액 속의 OH^–의 농도가 증가하면 증가한 OH^–이 H₂CO₃과 반응하여 소모되므로 혈액의 pH가 거의 일정하게 유지된다.

H₂CO₃(aq)+OH^–(aq) → HCO₃^–(aq)+H₂O(l)

③ H₂PO₄^–과 HPO₄^2-의 완충 용액：혈액 속의 H₂PO₄^–과 HPO₄^2-의 완충 작용도 혈액의pH 조절에 영향을 미치며 두 이온은 혈액 속에서 다음과 같은 평형을 이룬다.

⇨ 혈액 속 H₃O⁺의 농도 증가：혈액 속 H₃O⁺의 농도가 증가하면, 증가한 H₃O⁺이 HPO₄^2-과 반응하여 소모되므로 혈액의 pH가 거의 일정하게 유지된다.

⇨ 혈액 속 OH^–의 농도 증가：혈액 속의 OH^–의 농도가 증가하면 증가한 OH^–이 H₂PO₄^–과 반응하여 소모되므로 혈액의 pH가 거의 일정하게 유지된다.

참고자료: EBS 수능 특강 화학2