5-4-3. pH와 수소 이온 농도
1. 물의 이온화/2. 산성도/3. pH와 수소 이온 농도/
용액의 산성도를 나타내는 방법으로 쓰이는 pH가
물의 이온화와 어떤 상관 관계가 있는지도 알아봅시다.
1. 물의 이온화
흔히 물은 이온화하지 않는 것으로 알고 있으나,
물도 아주 조금이기는 하지만 이온화하여 다음과 같은 평형을 이룹니다.
이 때 물의 자동 이온화 상수 Kw대하여 알아보면
순수한 물은 농도가 일정하여 상수이므로
Kw = [H+][OH-] 또는 Kw = [H3O+][OH-]로 나타냅니다.
Kw는 평형 상수의 일종으로서 온도에 따라서만 변하는데,
상온(섭씨 25도)에서 1.0 X 10-14(mol/L)2입니다.
순수한 물이 중성인 것은
물 속의 [H+] = [OH-]인 관계가 성립하기 때문인데,
이 때 수소 이온 농도 [H+]를 구하면
Kw = [H+][OH-] = 1.0 X 10-14(mol/L)2에서 [H+] = [OH-]이므로
으로부터
[H+] = 1.0 X 10-7(mol/L)임을 알 수 있습니다.
따라서 산성도의 판단은 [H+] = [OH-]이면 중성이고,
[H+] > [OH-]이면 산성, [H+] < [OH-]이면 염기성이라 합니다.
염기성은 알칼리성이라고도 표현합니다.
수소 이온 농도는 그 자체로 쓰기에는 대개 농도값이 너무 작아서 불편하므로
pH = -log[H+]로 정의하여 사용합니다.
위의 Kw = [H+][OH-] = 1.0 X 10-14식의 양변에 -log를 잡으면
-logKw = -log[H+]-log[OH-] = -log1.0 X 10-14 = 14이므로
pH + pOH = 14 의 관계가 성립합니다.
따라서 중성인 용액은 pH = pOH = 7 이고,
산성인 용액은 pH < 7, pOH > 7 이며,
염기성인 용액은 pH > 7, pOH < 7 이죠.
(예) 다음 산 또는 염기의 pH를 구하라.
(단, log2 = 0.3 이고, 용질은 수용액에서 모두 100% 이온화한다.)
(1) 황산(H2SO4 ; 분자량 = 98) 4.9 g을 물에 녹여 2 L 용액을 만들었다.
(2) 수산화나트륨(NaOH ; 화학식량 = 40) 0.4 g을
물에 녹여 250 mL 용액을 만들었다.
{풀이} 우선 여러분들이 pH를 구하기 전에 알아야 할 것은 [H+]값이죠.
H2SO4 --> 2H+ + SO42- 에서
황산 1분자가 이온화하면 H+는 2개 생기므로
[H+] = 2 X [H2SO4]관계가 성립하게 됩니다.
H2SO4 의 몰 수는 4.9/98 = 1/20 = 0.05몰이고, 용액의 부피가 2 L 이므로
[H2SO4] = 0.05 몰/2 L = 0.025 M가 됩니다.
따라서 [H+] = 2 X 0.025 = 0.05 M 이고, pH = -log[H+] = 1.3 이 됩니다.
NaOH --> Na+ + OH- 에서 NaOH 1개가 이온화하면 OH-가 1개 생기므로
[OH-] = [NaOH]이고, NaOH 몰 수는 0.4/40 = 0.01 몰이므로
[OH-] = [NaOH] = 0.01몰/0.25 L = 0.04 M입니다.
따라서 pOH = -log[OH-] = 2-2log2 = 1.4이므로
pH = 14 - 1.4 = 12.6 이죠.