5-4-2. 산과 염기의 세기
강산/약산/강염기/약염기/3. 이온화 평형과 이온화 상수/
산과 염기의 세기는 수용액 속에 있는 H+ 이온이
얼마나 많은가에 따라서 결정됩니다.
이것은 물 속에서 이온화되는 정도로부터 알 수 있습니다.
수용액 속에서 양이온과 음이온으로 이온화하는 물질을 전해질,
이온화하지 않는 물질을 비전해질이라 합니다.
수용액 속에서 이온화한 정도를 나타내는 이온화도는
이온화된 몰 수를 총 몰 수로 나눈 값으로 계산합니다.
산이나 염기의 이온화도가 크면 강산, 강염기이고,
이온화도가 작으면 약산, 약염기입니다.
일반적으로 약산이나 약염기는
이온화도 5% 이하일 때를 기준으로 정합니다.
(1) 강산 : 수용액 속에서 거의 100% 이온화하는 산
산소산 : 비금속 원소를 중심으로 산소가 결합해 있고
이온화하는 수소가 있는 산
비산소산 : HF를 제외한 모든 할로겐화수소
염화수소(수용액인 경우는 염산 ; HCl), 브롬화수소(HBr), 요오드화수소(HI)
(2) 약산 : 수용액 속에서 이온화도가 5% 이하인 산
산소산 : 탄산(H2CO3), 아세트산(CH3COOH), 아질산(HNO2)....
비산소산 : 플루오르화수소(HF), 황화수소(H2S), 시안화수소(HCN)....
(3) 강염기 : 수용액 속에서 거의 100% 이온화하는 염기
1, 2족 금속(알칼리 금속, 알칼리 토금속)의 수산화물
(예외) Be(OH)2, Mg(OH)2
(4) 약염기 : 수용액 속에서 5% 이하 이온화하는 염기
1, 2족 이외 금속의 수산화물 : Cu(OH)2, Fe(OH)2....
Be(OH)2, Mg(OH)2
암모니아(NH3), 아민류(-NH2)
(1) 공통 이온 효과
산과 염기와 같은 전해질이 물 속에서 이온화하여 평형 상태에 이르면
일반적인 화학 평형의 원리가 똑같이 적용됩니다.
아세트산이 물 속에서 이온화하면 각 성분의 농도가 일정하게 유지되는데
이 때 산의 이온화 상수 Ka는 평형 상수와 같이 온도에 따라서만 변합니다.
위와 같은 평형 상태에 있는 용액에 아세트산나트륨(CH3COONa)을 첨가하면
아세트산 이온(CH3COO-)이 증가하므로 위의 평형이 좌변으로 이동하게 되지요.
이런 현상을 공통 이온 효과라 합니다.
염기의 이온화 상수는 Kb로 쓰며, 위의 식에서 H2O는 용매이기 때문에
농도가 거의 일정하므로 Kb를 표현하는 식에는 나타내지 않습니다.
이온화 상수값이 클수록 이온화가 잘 되어 센 산, 센 염기임을 뜻하므로
산, 염기의 세기를 비교할 때는 Ka, Kb값을 비교하면 됩니다.
이온화가 여러 단계로 일어나는 경우는
각 단계마다 이온화 상수를 나타낼 수 있습니다.
H2S는 다음과 같이 단계적으로 이온화하여 평형을 이루게 되는데,
단계별 이온화 상수를 각각 K1, K2라 하여 아래와 같이 나타냅니다.
이 때 H2S 전체에 대한 이온화 상수를 Ka라 하면
여기서 위의 두 식과 비교해 보면 Ka = K1 K2가 성립함을 알 수 있습니다.
강한 산은 수소 이온(양성자 = H+)를 쉽게 내놓고
강한 염기는 쉽게 H+를 받아들입니다.
이 반면에 약한 산은 H+를 잘 내놓지 않고
약한 염기는 H+를 잘 받아들이지 않습니다.
이온화 상수를 보면 이런 비교를 할 수 있죠.
암모니아의 이온화 상수 Kb가 25 도에서 1.8 X 10-5일 때
염기인 NH3와 OH-의 염기성의 세기를 비교해 봅시다.
평형 상수의 크기로 보아
평형에서 대부분이 반응물의 상태로 존재함을 알 수 있고,
이것은 수소 이온을 받아들이는 능력이
OH-가 더 크기 때문이라고 볼 수 있는 거죠.
즉, NH3보다 OH-가 수소 이온을 더 잘 받아들이기 때문에
평형 상태에서 그 농도가 매우 낮은 것이고,
반면에 NH3는 수소 이온을 받아들이기 어려우므로 많이 존재하는 것이죠.
한편, 산의 세기를 비교하면 H2O에 비해
NH4+(암모늄 이온)의 농도가 낮은 것은 그만큼 암모늄 이온이 센 산이어서
수소 이온을 잘 내놓는다고 볼 수 있습니다.