산과 염기

산과 염기

 

화학에서 산과 염기는 서로 대립되는 특성을 가진 개념으로 일상생활이나 화학공장에서 일어나는 모든 반응의 기초를 이룬다. 산과 염기들은 강한 것과 약한 것으로 분류할 수 있 는데, 이들의 상대적 세기는 pH로 표시한다. 어떤 특정한 물질에 대한 산성 또는 염기성의 결정은 여러 가지 산-염기의 정의에 따라 달라진다

In chemistry, acids and bases are concepts with opposing properties and form the basis of all reactions that occur in everyday life or in chemical plants. Acids and bases can be classified as strong and weak, and their relative strength is expressed in pH. The determination of acidity or basicity for any particular substance depends on the definition of several acid-base

 

1. 아레니우스(Arrhenius)의 개념

 

산(acid)은 수용액에서 이온화하여 히드로늄이온(H3O + 또는 H + )을 내고, 염기(base)는 수산화이온(OH- )을 생성하는 물질로 정의한다. 산 HCl ⇄ H + + Cl- 염기 KOH ⇄ K + + OH- 중화 H + (aq) + OH- (aq) → H2O(l) 산의 세기는 산 수용액에 존재하는 H +의 농도로 정의되고, 염기는 OH-의 상대농도에 의 존한다. 대표적인 산과 염기의 강약을 [표 1-6]에 분류하였다.

아레니우스의 개념은 물 및 수용액에서의 반응이라는 점을 강조하기 때문에 물이 아닌 용매 내에서의 반응으로 생성되는 물질의 산성과 염기성 그리고 OH-를 포함하지 않는 종 들의 염기성을 설명하기에는 한계가 있다. 이러한 모순점을 수정한 것이 다음의 Brønsted 와 Lowry의 이론이다.

Arrhenius' concept emphasizes that it is a reaction in water and aqueous solutions, so there is a limit to explaining the acidity and basicity of substances produced by reactions in solvents other than water and the basicity of species that do not contain OH-. It is the following ø nsted and Lowry's theory that corrected this contradiction.

브뢴스테드-로우리(Brønsted-Lowry)의 개념

 

1923년에 Brønsted와 Lowry는 독립적으로 Arrhenius의 이론을 논리적으로 확장해서 보다 일반적인 산-염기의 개념을 발표했다. In 1923, ø nsted and Lowry independently extended the theory of Arrhenius to present the more general concept of acid-base 이들의 개념에서 산은 양성자(H+ )를 주는 물질 (proton donor), 염기는 양성자(H+ )를 받아들이는 물질(proton acceptor)로 정의된다. 이 정의는 매우 광범위하여 H +를 유리할 수 있는 수소를 가지고 있는 모든 분자나 이온은 산이 며, 양성자를 받을 수 있는 모든 분자나 이온은 염기이다. 몇 가지 예를 들면 다음과 같다

 

Ⅰ은 염기인 NH3가 산인 HCl과 반응하여 새로운 산-염기쌍을 형성하는 반응이다. HCl 은 H +을 NH3에 주었으므로 산이고, NH3는 H +를 받았으므로 염기이다. 한편, 이 반응의 역반응에서는 NH4+은 Cl-에 H +을 주었으므로 산이고 Cl-은 H +을 받았으므로 염기이다. 이 때 HCl ↔ Cl- , NH4+ ↔ NH3와 같이 H +의 이동에 의하여 산과 염기로 되는 한 쌍의 물질 을 짝산-짝염기라고 한다. Ⅱ는 HCl이 물에 양성자를 주는 산이며, 따라서 물은 염기로서 작용한다

 

Ⅲ에서는 NH3가 염기이며, 산에 해당하는 H2O로부터 양성자를 받아들여 산 NH4+와 OH-를 생성한다. 물은 산과 반응할 때는 염기로, 염기와 반응할 때는 산으로 작용하게 된 다.

In Ⅲ, NH3 is the base, and a proton is received from the H2O corresponding to the acid to produce NH4+ and OH-. Water acts as a base when it reacts with an acid and as an acid when it reacts with a base

 

즉, 물은 양성자를 줄 수도 있고 받을 수도 있다. 이러한 물의 성질을 양쪽성 (amphoteric)이라고 한다. Arrhenius의 개념보다 보다 확장된 Brønsted와 Lowry의 산- 염기 개념을 통하여 다음과 같은 사실을 알 수 있다. ① 산과 염기는 분자는 물론 이온이 될 수도 있다. Acids and bases can be ions as well as molecules

 

② 산-염기 반응은 수용액으로만 제한되지 않는다. ③ 어떤 화학종은 상대반응물에 따라 산 또는 염기로 작용한다. Some species act as acids or bases, depending on their relative reactants 그러나 Brønsted-Lowry의 개념은 양성자(H+ )이전이 관여하는 반응에만 적용될 수 있 다. 즉, Brønsted-Lowry의 산은 이온화할 수 있는 수소원자를 포함하는 화학종에 국한되 어 있다.

 

루이스(Lewis)의 개념

1923년 G. N. Lewis교수는 고전적 산-염기 이론들에 대하여 가장 포괄적인 내용을 발 표했다. Lewis 관점에서 산은 전자쌍(electron pair)을 받아들이는 화학종이고, 염기는 전 자쌍을 제공하거나 전자쌍이 유효한 화학종을 말한다. 본질적으로 Lewis염기는 Brønsted염기와 차이가 없다. 물과 양성자 산의 반응에서 전자쌍을 주는 것은 반응물의 전자점 구조를 쓰면 명백하다

Giving electron pairs in the reaction of water and proton acid is obvious using the electron-point structure of the reactants

 

Brønsted염기는 양성자를 받는 화학종이기 때문에 유효한 전자쌍을 가지고 있어야 한다. 예를 들면 다음과 같은 화학종은 모두 Brønsted염기로 작용한다.

 

이들 화학종은 모두 유효한 전자쌍을 줄 수 있으며, 이들이 양성자를 받아 각각 NH4+ 이온, H3O + 이온 또는 HF분자를 생성한다. 이와 같이 Lewis계에서 산-염기반응은 전자쌍 을 내어 놓고 공유하는 배위공유결합을 형성하는 반응이다

 

산화물

 

가. 정의

 

산소는 다른 원소와의 친화력이 강하여 비활성기체를 제외한 거의 모든 원소와 화합 물을 만드는데, 이와 같이 산소와 다른 원소와 화합물을 산화물(oxide)이라고 한다. Defined oxygen has a strong affinity with other elements to make almost all elements and compounds except inert gases. As such, oxygen and other elements and compounds are referred to as oxides

 

나. 산화물의 종류

 

1) 산성과 염기성에 의한 구분 가) 산성 산화물(무수산) : 물에 녹아 산이 되거나 염기와 반응할 때 염과 물을 만드는 비금속산화물 a nonmetallic oxide that dissolves in water to form an acid or makes salts and water when reacted with a base (CO2, NO2, SO3, SiO2, P2O5 등) 나) 염기성 산화물(무수염기) : 물에 녹아 염기가 되거나 산과 반응하여 열과 물을 만 드는 금속산화물 a metal oxide that dissolves in water to form a base or reacts with an acid to make heat and water (CaO, MgO, Na2O, CuO 등) 다) 양쪽성 산화물 : 양쪽성 원소(Al, Zn, Sn, Pb 등)의 산화물로서 산, 염기와 모두 반응하여 열과 물을 만드는 양쪽성 산화물 An amphoteric oxide that reacts with both acids and bases to make heat and water (ZnO, Al2O3, SnO, PbO 등) 2) 산소의 산화수에 의한 구분 가) 초과산화물(superoxide) : 산소의 산화수가 –1/2인 산화물 (CsO2, KO2, RbO2 등) 나) 과산화물(peroxide) : 산소의 산화수가 –1인 산화물 (Na2O2, H2O2 등) 다) 산화물(oxide) : 산소의 산화수가 –2인 산화물 (Li2O, MgO, CaO, Cs2O 등)

 

2024.10.19 - [분류 전체보기] - 원자의 구조

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