(일반화학 상식)산과 염기에 대해 알아보기

우리는 학교에서 산과 염기를 구별할 때 지시약이라는 특정 염료를 통해 색을 변화시킨 경험이 있을 것입니다. 또는 리트머스 종이를 가지고 수용액을 묻혀 붉은색이나 푸른색이냐에 따라 산과 염기를 구분한 적도 있을 것입니다. 조금 더 정확하게 알아보는 방법으로 pH 측정기를 사용하면 용액이 산성인지 염기성인지를 정확한 pH 값을 통해 빠르게 알 수 있습니다. 상온에서 pH가 7보다 낮으면 산성 용액이고 pH가 7보다 높으면 염기성 용액입니다. 

수용액에서 산과 염기

산과 염기에 대한 정확한 정의가 생기기 전에는 화학자들은 그 개념에 대해 많은 논쟁을 하였습니다. 1884년 스웨덴의 화학자인 Svante Arrhenius는 산과 염기를 아래와 같이 정의하였는데, 이를 Arrhenius 산과 염기라고 부릅니다. 

 

산은 수소를 가지고 있고 물과 반응하여 수소 이온을 형성하는 화합물입니다.

염기는 물에서 수산화이온을 생성하는 화합물입니다.

 

예를 들어 염산(HCl)은 물에 녹았을 때 수소 이온 H+를 방출하므로 Arrhenius 산입니다. 메탄(CH4)는 물에서 수소 이온을 발출하지 않으므로 Arrhenius 산이 아닙니다. 수산화나트륨(NaOH)은 물에 녹으면 수산화이온을 방출하므로 Arrhenius 염기입니다.  

Arrhenius 산과 염기의 정의는 물이라는 특정 용매에만 한정되어 있다는 것을 기억해야 합니다. 액체 암모니아와 같은 물이 아닌 용매에서는 Arrhenius 정의를 따르지 않습니다. 1923년 영국의 Thomas Lowry와 덴마크의 Johannes Bronsted는 산과 염기의 성질에 중요한 과정은 한 물질에서 다른 물질로 양성자(수소이온)가 전달되는 것이라고 생각하였습니다. Bronsted-Lowry의 산과 염기는 오늘날 가장 일반적으로 받아들여지고 있는 정의고 다음과 같습니다. 

 

산은 양성자(H+)를 내어놓는 물질입니다.

염기는 양성자(H+)를 받아들이는 물질입니다. 

 

강산/약산

강산/약산을 정의하면 아래와 같습니다. 여기서 탈양성자화란 양성자를 잃는 것을 의미하고, 양성자화란 양성자를 얻는 것을 말합니다. 

 

강산은 용액 속에서 완전하게 탈양성자화됩니다. 

약산은 용액 속에서 불완전하게 탈양성자화됩니다.

 

완전하게 탈양성자된다는 것은 모든 산 분자나 이온이 산성 수소 원자의 양성자를 용매 분자에 수소 이온으로 전달한다는 의미입니다. 불완전하다는 것은 극히 일부의 양성자를 전달한다는 뜻입니다. 

 

강산과 약산의 반응을 살펴보겠습니다. HCl은 물속에서 강산입니다. HCl과 물의 용액은 염산으로 불리는데 물속에서 하이드로늄 이온과 염소 이온으로 존재하고 HCl 분자는 존재하지 않습니다. 반면 아세트산은 물에서 약산입니다. 아세트산은 물속에서 대부분 아세트산 분자로 존재하며 극히 일부의 아세트산 분자만이 물에 수소 이온을 제공하여 하이드로늄 이온을 형성하고 아세트산염 이온으로 됩니다. 대표적인 강산으로는 황산, 염산, 질산이 있고 모든 카복실산은 물에서 약산입니다.

강염기/약염기

강염기/약염기를 정의하면 아래와 같습니다. 

 

강염기는 용액 속에서 완전하게 양성자화됩니다.

약염기는 용액 속에서 불완전하게 양성자화됩니다. 

 

완전하게 양성자된다는 것은 모든 염기 화학종이 양성자를 얻었다는 뜻입니다. 불완전하다는 것은 극히 일부의 양성자를 얻었다는 의미입니다. 

 

대표적인 강염기로는 산화 이온과 수산화 이온이 있습니다. 알칼리 금속(주기율표 1족; 리튬, 나트륨, 칼륨, 루비 둠, 세슘, 프랑슘)과 알칼리 토금속(주기율표 2족;칼슘, 스트론튬, 바륨, 라듐)의 산화물과 수산화물들은 이온화경향이 높은 물질로 물에 녹였을 때 산화 이온과 수산화 이온이 나옵니다. 알칼리금속은 원소 중에서 전기적으로 양성이 가장 높으며 전자 한 개를 잃고 1가 양이온의 화합물을 만들기 쉽고, 알칼리 다음으로 양성이 두드러지는 알칼리 토금속은 항상 2가 양이온으로서의 화합물을 만들기 쉽습니다. 이러한 산화물과 수산화물이 물에 녹아 산화 이온과 수산화 이온을 만들면 물 분자로부터 양성자(수소 이온)를 받아 수산화 이온을 형성합니다. 이 외에 흔한 염기들은 약염기라고 생각하면 됩니다. 암모니아는 물에서 약염기인데, 수용액 상태에서 대부분 암모니아 분자로 존재하면 아주 작은 일부만 암모늄 양이온과 수산화 음이온으로 존재하기 때문입니다.