화학의 세계 13판 7장 - KOCWcontents.kocw.net/KOCW/document/2014/Pusan/leesangkuk/7.pdf일상생활에서의염기: 오븐청소용세제나배수구청소액(수산화나트륨),

2014년도 제2학기 현대생활과 화학 제7장 산과 염기 1

산과 염기77.1 산과 염기 : 실험적 정의

7.2 산, 염기, 염

7.3 산성과 염기성 무수물

7.4 강산, 강염기, 약산, 약염기

7.5 중화

7.6 pH 척도

7.7 완충용액과 짝산-짝염기 쌍

7.8 산업과 일상생활에서 쓰이는 산과 염기

산과 염기는 일상생활에서 가장 활용도가 높은 화학제품이다. 이것은 어떻게 구별하는지와 생활에의 응용에 대하여 살펴보자. 이들은바로 여러분의 곁에 있다.


양성자를 전달해 줘

일상생활에서의 산 : 레몬이나 자몽(시트르산), 식초(아세트산), 축전지 산(황산),비타민 C(아스코르브산),

일상생활에서의 염기 : 오븐 청소용 세제나 배수구 청소액(수산화나트륨),

베이킹 소다(중탄산나트륨), 암모니아

그림 7.1 산(왼쪽), 염기(가운데), 염(오른쪽)은 많은 음식물과 낯익은 소비재의 성분들이다.

산(acid)과 염기(base)가 반응하면 염(salt)이 만들어진다.


7.1 산과 염기 : 실험적 정의

산의 성질

- 리트머스 종이의 염료를 붉게 변화시킴

- 신맛이 남

- (아연이나 철 같은) 금속과 반응하여 수소 기체를 발생시킴

- 염기와 반응하여 물과 염이라 불리는 이온성 화합물을 만듦

염기의 성질

- 리트머스 종이의 염료를 푸르게 변화시킴

- 쓴맛이 남

- 피부에 닿으면 미끈거리는 느낌이 남

- 산과 반응하여 물과 염을 생성

그림 7.2 리트머스 염료가 스며든 종이가

산과 염기 구별 위해

가장 단순한 테스트가 리트머스이다.


산-염기 지시약

- 리트머스 종이

: 중성(보라색), 산(붉은색으로 변색),

염기(푸른색으로 변색)

- 자연적인 염료 : 포도주스, 붉은 양배추, 블루베리 등

그림 수국은 심어진 토양의 산도에 따라다른 색의 꽃을 가지는 많은 식물들중의 하나이다. 수국은 약산성 토양에서 푸른색(위 그림)을 약염기성 토양에서 붉은색(아래 그림)을 띤다.

그림 여러분만의 지시약을 만들어 보자.붉은 양배추 2컵을 자르고 더운물을 붓는다. 10분 후에 고체를

커피 필터로 걸러낸다. 이 액체 50mL로 다양한 가정용 화학물질

(식초, 베이킹소다, 암모니아 등)의 pH를 검사해 보자.이 지시약은 pH 2에서 붉은색, pH 4에서 자주색, pH 6에서 보라색,

pH 8에서 푸른색, pH 10에서 푸른 녹색, pH 12에서 녹황색을 만든다.

지시약은 가시광선 영역에서 색이 변하는 일종의 염료(색소)이다. 색의 변화로 산/염기의 세기를 구별한다.


7.2 산, 염기, 염

아레니우스 이론

1887년 아레니우스(Svante Arrhenius)에 의한 산-염기 정의

- 산(acid) : 수용액에서 수소 이온(H+)과 음이온으로

분해되는 분자화합물

ex) 질산의 물에서 이온화

ex) 몇 가지 일반적인 산

그림 스웨덴 과학자 아레니우스(1859~1927)는 물에있는 산, 염기, 염이 이온으로 구성되어 있다는 이론을 제안하였다. 그는처음으로 기 중의 이산화탄소와 온실효과를 연과 지은 사람이었다.

3 3( ) ( ) ( )HNO aq H aq NO aq

1903년 노벨 화학상 수상자이지만 초기에는 이온의 존재를 주장하였다가 많은 비난을 받았다.

같은 수소라도 붙어 있는 원소에 따라 이온으로 되는 수소 (H+)와 그렇지 못한 수소(H)로 구분한다.


- 염기(base) : 수용액에서 수산화 이온(OH-)을 방출하는 물질

ex) 수산화나트륨의 물에서 이온화

산과 염기의 반응

산 + 염기 → 염 + 물

⇒ 본질적인 반응 H+ + OH- → H2O (중화반응)

2( ) ( ) ( )H ONaOH s Na aq OH aq

아레니우스 방법에 의하면 염기는 수용액에서 OH- 를 배출하는 물질이다. 대표적 경우가 가성소다(NaOH) 이다. 가성소다는 소금물을 전기분해하면 쉽게 얻어진다.


예전의 선조들도 KOH를 만들어 사용하였다. 짚을 태우면 재가 KOH 성분이다.


예제 7.1 산과 염기의 이온화

(a) 질산(HNO3)이 물에서 이온화하는 반응을 써라.

(b) 수산화칼륨(KOH)이 물에서 이온화하는 반응을 써라.

풀 이

a.

b.

)()()( 332 aqNOaqHaqHNO OH

)()()( 2 aqOHaqKaqKOH OH

이온화 방법


아레니우스 이론의 한계

1. 물에서는 단순히 자유로운 양성자가 존재하지 않음

⇒ H+이온은 물과 결합하여 히드로늄 이온(H3O+) 생성

2. 아레니우스 이론은 암모니아나 이와 관련된 화합물의 염기성을 설명하지 못함

3. 아레니우스 이론은 수용액에만 적용됨

HHOHHHOH


브뢴스테드-로우리 산-염기 이론 : 조금 더 진화된 이론

1923년 브뢴스테드(J. N. Bronsted)와 로우리(T. M. Lowry)의 산-염기 정의

- 산(acid) : 양성자 주게

- 염기(base) : 양성자 받게

그림 7.3 브뢴스테드-로우리의산-염기 정의

ex) 염화수소의 이온화

2 3( ) ( ) ( ) ( )HCl aq H O l H O aq Cl aq

수용액 개념이 사라짐


일반식 : HA가 어떤 산을 나타내면

HA(aq) + H2O(l) → H3O+(aq) + A-(aq)

예제 7.2 브뢴스테드-로우리 산

HNO3가 물에서 브뢴스테드-로우리 산으로 작용하는 반응식을 써라.

풀 이)()()( 3323 aqNOaqOHOHaqHNO


염

- 산과 염기의 중화반응으로부터 생성되는 염

: 양이온과 음이온으로 구성되는 이온화합물

- 전해질 : 물에 녹았을 때 전기를 통하는 염

- 사용 용도 : 염화나트륨과 염화칼슘 – 겨울에 도로의 얼음을 녹이는데 사용

황산구리(Ⅱ) – 하수관의 나무뿌리를 제거하는데 사용


7.3 산성과 염기성 무수물

비금속 산화물 : 산 무수물

비금속 산화물 + 물 → 산

ex) SO3 + H2O → H2SO4 CO2 + H2O → H2CO3

예제 7.3 산성 무수물

이산화황이 물과 반응하여 생성되는 산의 화학식을 써라.

풀 이 SO2 + H2O → H2SO3금속 산화물 : 염기성 무수물

금속 산화물 + 물 → 염기

ex) CaO + H2O → Ca(OH)2

Li2O + H2O → 2LiOH

예제 7.4 염기성 무수물

산화바륨에 물을 첨가하여 생성된 염기에 한 화학식을 써라.

풀 이 BaO + H2O → Ba(OH)2

그림 7.4 산화금속은 산소이온과 물과 반응하여 2개의 수산화이온을 생성하기 때문에염기성이다

비금속/금속산화물이 물을 만나면


7.4 강산, 강염기, 약산, 약염기

강산(strong acid) : 물과 완전히 반응하는 산

ex) 염산

약산(weak acid) : 물과 조금만 반응하는 산

ex) 시안산

; 40,000의 HCN 분자 중 1개만이 H+ 생성

강염기(strong base) : 물에서 완전히 이온화

ex) 수산화나트륨

약염기(weak base) : 물에서 조금만 이온화

ex) 암모니아

양쪽성 물질

: 산으로도 작용하고 염기로도

작용하는 물질 (ex. 물)

)()()( aqClaqHaqHCl

)()()( aqCNaqHaqHCN

)()()( aqOHaqNaaqNaOH

)()()()( 423 aqOHaqNHlOHaqNH

그림 7.5 암모니아는 물로부터 양성자를 받음(염기성)

산의 세기를 알아보자.


7.5 중화

중화(neutralization) 반응 : 산과 염기의 반응

H+ + OH- → H2O

ex) 수산화나트륨과 염산의 중화반응

그림 7.6 산(식초) (무색)을 염기(NaOH) (붉은색)로적정실험, 지시약은 페놀프탈레인 사용

산과 염기가 만나면 물을 만든다. 이 과정을 적정(titration)이라고 하며, 이 반응을 중화반응이라고 부른다. 중화과정은 지시약을 사용하여 관찰할 수 있다. 그림은 산에서는 무색, 염기성에서는 붉은색을 나타낸다.

10월15일 시작


예제 7.5 중화반응

화약이나 비료의 성분인 질산칼륨은 중세부터 19세기까지 소변에서 질산칼륨을

얻었다. 초석이라고 불리는 이 침전물은 질산과 수산화칼륨을 반응시켜 얻을 수

있다. 이 반응의 중화반응을 써라.

풀 이

KOH(aq) + HNO3(aq) → KNO3(aq) + H2O(l)강염기 강산

2 KNO3 → 2 KNO2 + O2

2KNO3 → 2KNO2 + O2

발생한 산소가 다른 물질을 빠르게 연소시키므로 폭약의 원료로 사용되었다. 지금은산소를 사용하지 않는 물질을 폭약의 원료로 사용한다.


7.6 pH척도

pH척도 : 1909년 쇠렌센에 의해 산도나 염기도를 나타내는데 사용

- 정의 : : 몰농도

pH < 7 : 산성

pH = 7 : 중성

pH > 7 : 염기성

HpH log H

그림 7.7 pH 척도. pH가 1만큼 변하면 히드로늄 이온의 농도는 10배가 변한다는 뜻임

화학자들은 새로운 단위를 고안했다.

Log는 10배를 1단위로 바꾼다.


순수한 물 분자 107 중에서 1개정도는 이온으로 분리한다.

1몰의 수소이온이 존재

1몰의 OH- 이온이 존재

대기중의 이산화탄소를 흡수

공업지역에서 내리는 빗물의 pH는 약 4.2 정도이다.


예제 7.6 수소 이온 농도로부터 pH

수소 이온농도가 1×10-5 M인 용액의 pH는 무엇인가?

풀 이

예제 7.7 pH로부터 수소 이온 농도 계산

pH가 4인 용액의 수소 이온 농도를 구하라.

풀 이

예제 7.8 수소 이온 농도로부터 pH 계산

H+의 농도가 8×10-4 M인 용액의 pH는?

(a) 2.9 (b) 3.1 (c) 4.2 (d) 4.8

풀 이

5)101log(log 5 HpH

MH pH 41010

1.3)108log(log 4 HpH


예제 7.9 산과 염기에 있는 수소 이온과 수산화 이온

다음 수용액을 산성, 염기성, 중성으로 분류하라. (물 분자는 생략하였다.)

풀 이

- 비이커 Ⅰ : H+ 와 OH- 수가 각각 6개로 같음 ⇒ 중성

- 비이커 Ⅱ : OH- 수 7개, H+ 수 1개 ⇒ 염기성

- 비이커 Ⅲ : H+ 수 6개, OH- 수 1개 ⇒ 산성


7.7 완충용액과 짝산-짝염기 쌍

짝산-짝염기 쌍 – 양성자 하나 (H+)가 다른 화합물과 이온의 쌍을 말한다

예) HF 와 F-는 짝산-짝염기 쌍이고 NH3 와 NH4+는 짝산-짝염기 쌍이다

예제 7.10 짝산-짝염기 쌍

(a) HBr과 (b) HNO3의 짝염기는 무엇인가?

(c) OH-와 (d) HSO4-의 짝산은 무엇인가?

풀 이

(a) Br- (b) NO3-

(c) H2O (d) H2SO4

반응물 쪽의 산/염기에 대응하는 생성물 쪽의 산/염기를 짝산/짝염기라고 부른다.

HBr + H2O → Br- + H3O+

산 염기 짝염기 짝산

반응물쪽에는 산/염기, 생성물쪽에는 짝산/짝염기 이다.


완충용액(buffer solution)

- 정의 : 적은 양의 강산이나 강염기를 첨가해도 거의 일정한 pH 를 유지한다.

- 약산과 그 짝염기(ex. HC2H3O2와 C2H3O2-) 또는

약염기와 그 짝산(ex. NH3와 NH4+) 으로 구성됨

- ex) 아세트산의 이온화 반응

아세트산/아세트산나트륨 완충용액에 강염기를 첨가하면

아세트산/아세트산나트륨 완충용액에 강산을 첨가하면

2 3 2 2 3 2( ) ( ) ( )HC H O aq H aq C H O aq

2 3 2 2 2 3 2( ) ( ) ( ) ( )OH aq HC H O aq H O l C H O aq

2 3 2 2 3 2( ) ( ) ( )H aq C H O aq HC H O aq

pH 거의일정함

대단히 중요한 역할을 한다.

인체에 산/염기가 투입되어도 자체적으로 정화시켜 pH변화가 거의 없다. 이러한 용액을 완충용액이라고 부른다. 모든 생명체는 완충용액이다. 그 원리를 알아보자.

NaC2H3O2 (aq) ⇄ Na+(aq) + C2H3O2-(aq)

⇄산이 아님 산


7.8 산업과 일상생활에서 쓰이는 산과 염기

산성비

이산화탄소 (CO2)로 포화된 빗물의 pH = 5.6

산성비(acid rain) : pH가 5.6보다 낮은 비

산성비의 원인물질

- 인위적인 오염물질

• 석탄을 태울 때 발생하는 SO2 (석탄에는 최 약5% 정도의 황이 포함)• 자동차 배출가스에서 나오는 NO2, NO 등 (산소와 질소가 반응)

- 자연적인 오염물질

• 화산 폭발시 발생하는 황산화물과 황산 (땅속에 황이 많음)• 번개 발생시 질소 산화물과 질산 (질소와 산소의 반응)

[H+] =2.512 x 10-6

황은 고무산업의 주요한 원료이다. 열대지방에서 자라는 고무나무 수액, 라텍스는너무 묽어서 사용이 어렵지만, 여기에 황을 섞으면 단단한 고무가 만들어진다. 일본이 2차 대전시 인도차이나로 들어간 이유는 고무와 석유를 얻기 위함이다.


제산제 : 염기성 치료제

(1) 탄산수소나트륨(NaHCO3)- 가장 오래된 제산제

- 속쓰림을 덜어주는 알카-셀처의 주성분임

- 탄산수소 이온이 산과 반응하면 탄산을 만들고, 탄산은 물과 이산화탄소로 분해

- 탄산수소를 함유한 제산제를 사용하고난 뒤에 생기는 트림은 CO2(g) 때문임

- 과다하게 사용시

: 혈액이 과다하게 알칼리성이 됨

⇒ 알칼리혈증

)()()( 323 aqCOHaqHaqHCO

2 3 2 2( ) ( ) ( )H CO aq CO g H O l

그림 7.8 ‘이 제산제는 빠르게 작용한다’라는 광고문구는 모든 산-염기 반응이 거의 즉시 일어나기때문에 의미가 없다. 어떤 알약은 다른 것보다 더느리게 녹을지 모른다. 약의 작용을 빠르게 하려면 씹어먹으면 된다.

식사를 하면 위에서 산이 배출되는데 과다하게 배출되면 거북함을 느낀다. 여기에 염기를 넣어 중화시키는데, NaHCO3를 섭취하면 효과적임. 그러나발생하는 CO2로 인하여 트림이 난다.

NaHCO3 는 빵을 부풀게 하는 소다 가루임.


(2) 탄산칼슘(CaCO3)- 적은 양은 괜찮지만 상습적인 사용은 변비를 일으킴

- 텀스(Tumsⓡ)와 많은 약국 상표 제산제들이 탄산칼슘을 유일한 활성성분으로

가짐

(3) 수산화알루미늄(Al(OH)3)- 변비를 일으킬 수 있음

- 암포젤(Amphojelⓡ)의 활성성분

(4) 수산화마그네슘(Mg(OH)2) - 물에 풀은 현탁액은 ‘마그네시아 우유’로 판매

- 소량을 사용하면 제산제로 작용하지만

다량을 복용하면 설사를 일으킴


산업과 가정에서의 산과 염기

산이 사용되는 표적인 예1) 황산 : 비료나 공업용 화학약품 제조에 사용,

자동차 축전지와 배수구 청소에 사용

2) 염산 : 금속의 녹 제거에 사용, 욕실설비와 변기로부터 석회석 제거에 사용

염기가 사용되는 표적인 예1) 석회(CaO) : 가장 널리 사용, 2) 소석회(Ca(OH)2) : 회반죽과 시멘트를 만드는데 사용,

토지의 산성을 완화하는데 사용

3) 수산화나트륨 : 오븐 청소제, 배수구를 뚫는 세제

건강과 질병에서 산과 염기

- 진한 강산과 강염기 : 심각한 화학 화상을 일으키는 부식성 독성물질

- 황산 : 강력한 탈수제라 세포 안의 물과 반응

- 묽은 강산과 강염기 : 세포 안의 단백질을 분해하고 변성 시킴


7장 강의가 끝났습니다.

수고하셨습니다.

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