산-염기 평형 16

산-염기의 성질

산

신맛을 가지고 있다.

많은 금속과 반응하여 수소 기체를 발생시킨다.

탄산(carbonates) 또는 탄산수소(bicarbonates)와 반응하여 이산화탄소를 발생시킨다.

염기

쓴맛을 가지고 있다.

미끄러운 느낌이 있다.

4장. 수용액 반응

Arrhenius 산(acid): 물에 녹아서 H＋ 이온의 농도를 증가시키는 물질. 염기 (base): 물에 녹아서 OH－ 이온의 농도를 증가시키는 물질.

4장. 수용액 반응

Brønsted-Lowry 산과 염기

Brønsted-Lowry: 산-염기 반응에서 H＋ 이온이 한 물질에서 다른 물질로 이동한다.

물에서 H+ 이온

양성자는 물 한 분자와 상호작용하여 하이드로늄 이온 [hydronium ion, H3O＋(aq)]을 형성

수화된 하이드로늄 이온

Brønsted-Lowry 산과 염기 양성자 이동 반응

Brønsted-Lowry: 산-염기 반응에서 H＋ 이온이 한 물질에서 다른 물질로 이동한다.

HCl: Arrhenius의 산

산(Acid) 염기(Base)

Brønsted-Lowry H+ 주개 H+ 받개 수용액, 비수용액에서 모두 정의 됨

HCl H2O

Brønsted-Lowry 산과 염기 짝산-짝염기 쌍

Brønsted-Lowry: 산-염기 반응에서 H＋ 이온이 한 물질에서 다른 물질로 이동한다.

산 염기 염기 산

짝산-짝염기 쌍

짝산-짝염기 쌍

Brønsted-Lowry의 산-염기 반응: 산과 염기가 반응하여 짝염기(conjugate base)와 짝산(conjugate acid)을 내어 놓는 반응

Brønsted-Lowry 산과 염기 짝산-짝염기 쌍

Ex) (a) 다음 각 산의 짝염기는 무엇인가? HClO4, H2S, PH4＋, HCO3

-. (b) 다음 각 염기의 짝산은 무엇인가? CN-, SO4

2-, H2O, HCO3-.

(a) ClO4-, HS-, PH3, CO3

2-. (b) HCN, HSO4

-, H3O+, H2CO3.

Ex) 아황산 수소 이온 (HSO3-) 은 양쪽성(amphoteric)이다. (a) HSO3

-과 물의 반응식을 쓰시오. 이때 이 이온은 산이다. (b) HSO3

-과 물의 반응식을 쓰시오. 이때 이 이온은 염기이다. 이 두 반응에서 짝산-짝염기 쌍을 확인하시오.

(a)

(b)

양쪽성(amphoteric): 산으로도 염기로도 작용할 수 있는 성질

Brønsted-Lowry 산과 염기 산과 염기의 상대적인 세기

H+를 내어 줄 수 있는 능력이 강함 H+를 받을 수 있는 능력이 강함

강산(strong acid) 강염기(strong base)

강산: 물에서 완전 해리. 짝염기는 매우 약한 염기.

무시할 정도의 산도(acidity)를 가진 물질: 물에서해리되지 않음. 짝염기는 매우 강한 염기.

H+(aq) 과 OH-(aq): 수용액에서 평형 상태로 존재할 수 있는 가장 강한 산과 가장 강한 염기 => 평준화 효과 (leveling effect): 물과 반응하는 더 강한 산은 H+(aq) 이온을 생성하고, 더 강한 염기는 OH-(aq) 이온을 생성

약산: 물에서 일부분만 해리. 짝염기는 약염기.

Brønsted-Lowry 산과 염기 산과 염기의 상대적인 세기

산-염기 반응에서 평형이 선호하는 반응은 양성자를 더 강한 염기로 이동시키는 반응

염기도: H2O > X-, 평형: => 염기도: H2O < X- , 평형 <=

HCl(aq) + H2O(l) → H3O+(aq) + Cl−(aq)

* H2O는 Cl− 보다 훨씬 더 강한 염기이다. 따라서 평형은 오른쪽으로 완전 이동하며, K는 측정되지 않는다(K >> 1).

* CH3CO2−는 H2O보다 강한 염기이므로, 따라

서 평형은 왼쪽으로 이동한다. (K < 1).

CH3CO2H(aq) + H2O(l)

H3O+(aq) + CH3CO2−(aq)

Brønsted-Lowry 산과 염기 산과 염기의 상대적인 세기

산-염기 반응에서 평형이 선호하는 반응은 양성자를 더 강한 염기로 이동시키는 반응

염기도: H2O > X-, 평형: => 염기도: H2O < X- , 평형 <=

Ex) 다음의 양성자 이동 반응에서, 평형이 왼쪽 (Kc<1) 으로 진행되는지 오른쪽 (Kc>1) 으로 진행되는지를 예측하시오.

=>

물의 자체이온화(Autoionization)

물의 자체이온화 과정

물은 양쪽성이다.

실온에서, 순수한 물은 물 109 분자 중 약 두 분자만이 이온화 !!

물의 자체이온화 물의 이온곱

평형 상수식, Kc = [H3O+] [OH−]

이 평형상수를 이온곱 상수(ion product constant), Kw 라고 한다.

Kw = [H3O+] [OH−] = 1.0 × 10−14 (25°C에서)

Ex) (a) [OH-] = 0.010 M인 용액의 [H+] ? (b) [OH-] = 1.8 × 10-9 M인 용액의 [H+] ? (25°C)

pH 값

수용액에서, [H+]는 일반적으로 매우 작은 값 => pH scale 사용

]log[ +−= HpH

중성 용액, [H+] = 1.0 x 10-7 00.710log 7 =−= −pH

유효 숫자: 2개

2 decimal places

]log[ −−= OHpOH

KpK log−=

]log[]log[log

100.1]][[ 14

−+

−−+

−−=−

×==

OHHKOHHK

w

w

14=+= pOHpHpKw

Ex) 25oC 에서, 혈액의 pH는 7.41 이다. pOH, [H+], [OH-] ?

MOHMH

pHpOH

759.6

841.7

106.210][109.310][59.614

−−−

−−+

×==

×==

=−=

pH 값 pH 측정

pH 미터: 용액의 전압을 측정하여 pH 측정

지시약(리트머스 종이): 색 변화로 pH 추정. 정확도가 떨어짐

강산과 강염기

4장

강산과 강염기 강산, 강염기

주의: 이 표에서 강염기는 이온성 화합물에 속함, 불용성 이온화합물이라도 물에 녹으면 100% 양이온, 음이온으로 해리되어 강전해질로 분류

일양성자 강산(monoprotic strong acids)의 경우, [H3O+] = [acid]

Ex) 0.040 M HClO4 용액의 pH?

NaOH(aq) → Na+(aq) + OH-(aq)

또는 물과 반응하여 OH-(aq)를 100% 만들어내는 물질 (예: Na2O, CaO)

Ex) (a) 0.028 M NaOH의 pH? (b) 0.0011 M Ca(OH)2 용액의 pH?

약산

약산(Weak acids) – 물에서 약간만 해리되어 H+ 이온과 짝염기(음이온)을 내어 놓는다.

산 해리 반응식

또는

산의 해리 반응에 대한 평형 상수식

Ka: 산 해리 상수(acid dissociation constant)

약산

Ka ↑ => 산도 ↑

약산 pH로부터 Ka 계산

Ex) 0.10 M 폼산(HCOOH)을 준비하여 pH를 측정하였더니, 25°C에서 그 값이 2.38이었다. 이 온도에서 폼산의 Ka를 계산하시오.

Q = 0. 평형 =>

[HCOOH] =

약산 이온화 백분율

이온화 백분율(percent ionization)

(물의 자체이온화 무시할 경우)

Ex) 0.10 M 폼산(HCOOH)을 준비하여 pH를 측정하였더니, 25°C에서 그 값이 2.38이었다. 이 온도에서 폼산의 이온화 백분율을 계산하시오.

약산 Ka를 이용하여 pH 계산

Ex) 0.30 M 아세트산 (CH3COOH) 용액의 pH, 이온화 백분율을 계산하시오. (Ka = 1.8 x 10-5)

(5% rule)

(5% rule)

(check 5% rule)

약산 Ka를 이용하여 pH 계산

전기 전도도와 활성 금속과의 반응 속도와 같이, H＋(aq) 의 농도에 직접 관련이 있는 산 용액의 성질은 동일한 농도의 강산보다 약산의 용액인 경우에 덜 중요하다.

약산 Ka를 이용하여 pH 계산

Ex) HF 분자의 이온화 백분율을 계산하시오. (a) 0.10 M HF 용액, (b) 0.010 M HF 용액 (Ka = 6.8 x 10-4)

10.0

2x≈

(5% rule 위반)

(a)

(b)

약산 Ka를 이용하여 pH 계산

MH 3102.4][ −+ ×=

%42.0ondissociati % =

MH 3103.1][ −+ ×=

%3.1ondissociati % =

0

2

0

2

][][][]][[

HAx

xHAx

HAAHKa ≈

−==

−+

← HA(aq) → H+(aq) + A-(aq) initial [HA]0 0 0 eq [HA]0-x x x

← HA(aq) → H+(aq) + A-(aq) HA: weak acid

용액을 순간적으로 10배 묽혔다면,

10][][

10][][

0HAHA

xAH

new

newnew

=

== −+

10][1010/][)10/(

][][][

0

2

0

2a

new

newnew KHAx

HAx

HAAHQ ====

−+

Equilibrium → => more dissociation

약산 다양성자산

다양성자산(polyprotic acid): 둘 이상의 이온화할 수 있는 H 원자를 가지고 있는 산

⋅⋅⋅⋅>>> 321 aaa KKK

타르타르산

약산 다양성자산

Ex) 25°C, 0.1 atm에서 순수한 물에서 CO2의 용해도는 0.0037 M이다. 모든 용해된 CO2는 탄산(H2CO3) 의 형태로 존재한다고 가정하면, 이 반응은 다음과 같이 진행된다. 0.0037 M H2CO3 용액의 pH는 얼마인가?

[H+]는 큰 K 값에 의해 거의 결정됨

(check 5% rule)

약산 다양성자산

Ex) 25°C, 0.1 atm에서 순수한 물에서 CO2의 용해도는 0.0037 M이다. 모든 용해된 CO2는 탄산(H2CO3) 의 형태로 존재한다고 가정하면, 이 반응은 다음과 같이 진행된다. 0.0037 M H2CO3 용액에서 [CO3

2-]는 얼마인가?

약염기

약염기(Weak bases) – 물과 반응하여 OH- 이온과 짝산(음이온)을 약간 내어 놓는다.

Kb: 염기 해리 상수(base dissociation constant)

약염기

Ex) 0.15 M NH3 용액에서 OH－의 농도를 구하시오.

= 1.8 x 10-5

약염기 약염기의 유형

1. 중성 분자로서 양성자를 받아들일 수 있는 비공유 전자쌍을 갖는 경우. Ex) amine

2. 약산의 음이온 짝산

약염기 약염기의 유형

Ex) 고체 NaClO를 충분한 양의 물에 녹인 후 2.00 L로 희석한 용액의 pH가 10.50이었다. 이 용 액 속에 들어간 NaClO의 몰수를 구하시오.

NaClO의 몰수 = 0.31 M x 2.00 L = 0.62 mol

Ka와 Kb의 관계

짝산(HA) – 짝염기(A-) 쌍

HA(aq) + H2O(l) → A-(aq) + H3O+(aq) ← ][]][[

HAHAKa

+−

=

A-(aq) + H2O(l) → HA(aq) + OH-(aq) ← ][]][[

−

−

=AOHHAKb

wba KOHHAOHHA

HAHAKK =⋅=⋅=⋅ −+

−

−+−

][][][

]][[][

]][[

염 용액의 산-염기 성질

염(Salt) : 이온화합물

염이 물에 녹으면 해리되어 양이온과 음이온을 생성한다. 각 이온은 산 또는 염기로 작용한다.

음이온과 물의 반응 : 음이온은 물과 가수분해 반응하여, OH-과 짝산을 생성한다.(염기로 작용)

* HX가 일곱 가지의 강산이 아니면 약산. 이 약산의 짝염기인 X－은 약염기.

음이온과 물의 반응

* HCl(aq) + H2O(l) → Cl-(aq) + H3O+(aq)

염 용액의 산-염기 성질 양이온과 물의 반응

한 개 이상의 양성자를 가지고 있는 다원자 양이온은 산

금속 양이온(강염기의 금속 양이온은 제외)은 수용액에서 산으로 작용

전하 ↑, 반경 ↓ => Ka ↑ * NaOH(aq) → Na+(aq) + OH-(aq) Ca(OH)2(aq) → Ca2+(aq) + 2OH-(aq)

HNO3(aq) → H+(aq) + NO3-(aq)

염 용액의 산-염기 성질 양이온과 물의 반응

염 용액의 산-염기 성질 용액에서 양이온과

음이온의 복합적 효과

1. 강산의 짝염기인 음이온은, pH에 영향을 주지 않는다.

2. 약산의 짝염기인 음이온은, pH를 증가시킨다.

3. 약염기의 짝산인 양이온은, pH를 감소시킨다.

4. Arrhenius 강염기의 양이온은, pH에 영향을 주지 않는다.

5. 다른 금속 이온들은, pH를 감소시킨다.

6. 용액이 약산과 약염기를 둘 다 가지고 있을 때, pH에 미치는 영향은, Ka와 Kb 값에 의존한다.

pH는 Ka, Kb, Kw 의 상대적인 크기에 의존

(1) Kb << Kw => Kw dominant => neutral (2) Kb > Kw => Kb dominant => basic (3) Ka > Kw => Ka dominant => acidic (4) Ka << Kw => Kw dominant => neutral (5) Ka > Kw => Ka dominant => acidic (6) Ka > Kb => Ka dominant => acidic Ka < Kb => Kb dominant => basic Ka = Kb => neural

염 용액의 산-염기 성질 용액에서 양이온과

음이온의 복합적 효과

Ex) 다음에 주어진 염의 수용액이 산성인지, 중성인지, 염기성인지를 말하시오. (a) Ba(CH3COO)2, (b) NH4Cl, (c) CH3NH3Br, (d) KNO3, (e) Al(ClO4) 3.

(a) Ba2+ => 영향 없음, CH3COO- => 염기성, => 염기성 (b) NH4

+ => 산성, Cl- => 영향 없음, => 산성 (c) CH3NH3

+ => 산성, Br- => 영향 없음, => 산성 (d) K+ => 영향 없음 , Cl- => 영향 없음, => 중성 (e) Al3+ => 산성, ClO4

- => 영향 없음, => 산성

Ex) Na2HPO4를 물에 녹였을 때, 산성 용액이 될지 또는 염기성 용액이 될지 예측하시오.

Na+ => 영향 없음, HPO42- => ?

HPO42- 의 Ka = 4.2 x 10-13

H2PO4- 의 Ka = 6.2 x 10-8

HPO42- 의 Kb ?

HPO42- 의 Ka < Kb => 염기성

산-염기의 거동과 화학 구조 산의 세기에

영향을 주는 인자들

수소 원자를 포함하고 있는 분자는 잠재적인 산이다.

nonpolar polar

C

H

H

H

H H-Cl

결합에너지 (kcal/mol) 102 103 산 ? No 강산

결합 극성

큼

작음

결합 에너지 (the lower, the more acidic) 결합 극성 (the higher, the more acidic)

짝염기의 안정성(the more stable, the more acidic) 에 의해 종합적으로 산의 세기가 결정됨

(같은 주기) 결합 극성 ↑

(

같은

족)

결합에너지

감소

산-염기의 거동과 화학 구조 산소산

산소산(oxyacid): OH기를 가지고 있거나 중심 원자에 산소가 결합한 산

Y의 전기음성도 ↑ => 산의 세기 ↑

산-염기의 거동과 화학 구조 산소산

산소산(oxyacid): OH기를 가지고 있거나 중심 원자에 산소가 결합한 산

중심 원자 Y에 전기음성도가 큰 원자(O, 산소)가 많이 결합할수록 산의 세기는 강해진다.

H-O-Y 는 항상 산? No. NaOH, KOH….

H-O-Y Y 의 전기음성도 큼 매우 작음 O-Y 결합 특성 강한 공유 결합 이온 결합 수용액에서 끊어지는 결합 극성 H-O 결합 극성 O-Y 결합 발생 이온 H+ 와 O-Y- OH- 와 Y+

산, 염기? 산 염기

산-염기의 거동과 화학 구조 카복실산

카복실산(carboxylic cid): 카복실기(carboxyl group, -COOH)기를 가지고 있는 분자

짝염기가 가진 공명 구조는 염기의 안정성을 높이고 짝산을 더욱 산성으로 만든다.

아미노산의 양쪽성

Lewis 산-염기

짝염기가 가진 공명 구조는 염기의 안정성을 높이고 짝산을 더욱 산성으로 만든다.

산, 염기의 정의

산(Acid) 염기(Base)

Arrhenius H+ 를 생성 OH- 를 생성 수용액에서만 정의 됨

Brønsted-Lowry H+ 주개 H+ 받개 수용액, 비수용액에서 모두 정의 됨

Lewis e- 쌍(pair) 받개 e- 쌍(pair) 주개 산의 범위가 확대 됨

Fe3+ + 6H2O → [Fe(H2O)6]3+

H2O + CO2 → H2CO3

종합 개념

Ex) 아인산 (phosphorous acid, H3PO3)의 Lewis 구조는 다음과 같다. (a) H3PO3 가 왜 삼양성자산이 아니고 이양성자산인지 설명하시오. (b) 25.0 mL의H3PO3 용액을 0.102 M NaOH 용액으로 적정하였다. 23.3 mL의 NaOH 용액이 두

양성자 모두를 중화시키는 데 소모되었다면, H3PO3 용액의 몰농도는 얼마인가?

(a) χH = 2.1, χP = 2.1 => H-P 비극성결합

(b)

1 : 2

MV = M’V’

NV = N’V’

종합 개념

Ex) 아인산 (phosphorous acid, H3PO3)의 Lewis 구조는 다음과 같다. (c) 앞의 문제 (b) 에서 적정 전의 H3PO3 용액의 pH는 1.59였다. Ka1 >> Ka2라 가정하고, H3PO3 의 이온화 백분율과 Ka1 을 구하시오. (d) 0.050 M HCl 용액의 삼투압을 0.050 M H3PO3 용액과 정성적으로 비교할 때 얼마가 되겠는가? 이유를 설명하시오.

(c) 초기 [H3PO4] = 0.0476 M

0.0 4765 M H3PO4 용액의 pH = 1.59

평형 [H+]

(d) 0.050 M HCl(aq) => 0.050 M H+(aq) + Cl-(aq) => 0.100 M 입자

0.050 M H3PO4 (aq) => 대략 0.025 M H+(aq) + 0.025 M H2PO4

-(aq) + 0.025 M H3PO4 => 대략 0.075 M 입자

ΠHCl > ΠH3PO4