산과 염기의 중화 반응

 

산과 염기

 산

산(acid)의 정의는 화학의 발전에 따라 변화해왔다. 산에 대한 최초의 정의는 스웨덴의 화학자 아레니우스가 "산이란 수용액에서 이온화되어 수소이온(H⁺)을 내어놓아 산성의 성질을 나타내는 물질"이라고 한 것이다. 이는 산에 대한 가장 기본적인 정의로, 수용액 속의 수소이온(H⁺)의 농도를 나타내는 pH(수소이온 농도 지수)가 7 미만인 물질을 의미한다. 이후 산의 성질을 나타내는 물질의 종류가 많이 발견되고 보다 포괄적인 성질을 설명해야 할 필요에 따라 브뢴스테드-로우리의 정의, 루이스의 정의 등으로 확대되어왔다.

산의 일반적인 성질은 신맛이 나고, 반응성이 큰 금속과 반응하여 수소 기체를 발생시킨다. 산의 대표적인 예로는, 강산인 염산(HCl), 황산(H₂SO₄), 질산(HNO₃), 약산인 아세트산(CH₃COOH), 탄산(H₂CO₃), 인산(H₃PO₄) 등이 있다.

강산인 염산(HCl)과 염화수소(HCl)의 차이로 다음과 같이 설명된다.

강한 산성을 띠는 대표적인 물질의 사례로 염산이 있다. 염산을 화학식으로 쓰면 HCl인데, 염화수소 기체를 화학식으로 쓸 때도 마찬가지로 HCl이라 쓴다. 그러면 HCl이라 쓰는 염산과 염화수소는 어떻게 다른 걸까? 염화수소는 수소 원자와 염소 원자가 공유결합으로 생성된 분자고, 이 분자는 상온에서 기체 상태의 물질인데 이 염화수소 기체를 물에 용해시켜 만든 수용액이 염산이다.

Boyle의 산과 알칼리를 물질의 중요한 분류로 이해하기는 했지만, 화학의 산-알칼리 이론을 거부했다. Boyle은 산은 신맛과 함께 매우 뛰어난 용해력, 어떤 푸른색 채소가 붉은색으로 염색되게 하는 능력, 용해된 황과 침전반응하는 것이라고 말하였다. 한편 알칼리는 미끌미끌한 느낌, 기름과 황을 용해하는 능력, 산을 중화시키고 그 특성을 없애는 능력을 가지고 있다고 생각하였다. Boyle은 실험을 통하여 일부 물질들은 중성이고 산이나 알칼리로 분류되지 않는다는 것을 보여주었다.

 

 염기

수산화나트륨(NaOH), 수산화칼슘(Ca(OH)₂), 암모니아수는 모두 염기이다. 염기는 쓴맛이 나고 미끈거리는 성질 이외에도, 수용액이 붉은색 리트머스 종이를 푸르게 변화시키고, 페놀프탈레인 용액을 붉게 변화시키며, 전류를 흐르게 하는 공통적인 성질을 지니고 있다. 이와 같이 염기가 가지는 공통적인 성질을 염기성이라고 한다.

염기의 공통적인 성질로 수산화나트륨 수용액과 같은 염기성 수용액에 전류를 흘려 주면 (+)극 쪽으로 움직이는 이온에 의해 붉은색 리트머스 종이의 색깔이 변하는 것을 발견할 수 있다. 즉, 염기성은 염기에 공통적으로 들어있는 음이온 때문에 나타난다는 것을 알 수 있다.

산과 마찬가지로 염기도 물에 녹으면 이온화되는데, 음이온인 수산화 이온(OH⁻)과 양이온이 생성된다. 예를 들어, 수산화나트륨(NaOH)을 물에 녹이면 나트륨 이온(Na⁺)과 수산화 이온이 생성된다.

여러 종류의 염기가 공통적인 성질을 지니는 것은 모든 염기가 물에 녹아 수산화 이온을 내놓기 때문이다. 산과 마찬가지로, 염기도 종류에 따라 수용액 상태에서 내놓을 수 있는 수산화 이온의 개수가 다르다. 수산화칼륨(KOH)이나 수산화암모늄(NH₄OH)은 물에 녹아 하나당 수산화 이온을 1개씩 내놓지만, 수산화칼슘은 하나당 2개의 수산화 이온을 내놓을 수 있다.

염기성을 띠기 위해서는 물에 녹았을 때 수용액 상태에서 수산화 이온이 생성되어야 하지만, 에탄올에 들어있는 OH⁻는 수용액에서 이온화하지 않는다. 즉, 에탄올은 물에 녹아도 수산화 이온을 생성하지 않기 때문에 염기성을 띠지 않는다.

같은 농도의 수산화나트륨 수용액과 암모니아수에 전류를 흘려 주면, 수산화나트륨 수용액에서 전류가 더 잘 흐른다. 이것은 암모니아수보다 수산화나트륨 수용액에 이온이 더 많기 때문이다. 수산화나트륨처럼 수용액에서 이온화가 잘 되어 수산화 이온을 많이 내놓는 염기를 강염기라고 하고, 암모니아수처럼 일부만 이온화하여 수산화 이온을 조금 내놓는 염기를 약염기라고 한다. 즉, 강염기와 약염기의 차이는 수용액에서 수산화 이온을 내놓는 정도가 다르기 때문이다.

 

 산과 염기 반응 정리

 산·염기의 정의

⑴ 일상적인 산·염기

① 산의 일반적인 성질

신맛

금속과 반응하여 수소 발생

탄산칼슘과 반응하여 이산화 탄소 기체 발생

pH ＜ 7

② 염기의 일반적인 성질

쓴맛

촉감이 미끄러움

단백질을 녹임

pH ＞ 7

⑵ 아레니우스(Arrhenius) 산·염기

① 산 : 수용액에서 수소이온을 내놓는 물질

② 염기 : 수용액에서 수산화 이온을 내놓는 물질

③ 한계

수용액 상태가 아닌 경우 설명 불가

NH3의 경우 물에 녹아 염기성을 나타내지만, 아레니우스 염기의 정의 불만족

⑶ 브뢴스테드-로우리(Brønsted–Lowry) 산·염기

① 1923년 덴마크의 브뢴스테드와 영국의 로우리가 동시에 발표

② 산 : 양성자 주개 (H⁺ donor)

③ 염기 : 양성자 받개 (H⁺ acceptor)

④ 상대성 : 산과 염기의 개념은 상대적임

짝염기(conjugate base) : 브뢴스테드-로우리 산은 양성자를 잃고 짝염기가 됨

짝산(conjugate acid) : 브뢴스테드-로우리 염기는 양성자를 얻고 짝산이 됨

⑤ 양쪽성 : 정상 조건에서 산이나 염기로 작용할 수 있는 것, 물·알코올 등

⑥ 한계

산이 반드시 산성 수소 원자를 포함해야 함

수소이온을 주고받지 않는 산, 염기는 설명 불가

⑷ 루이스(Lewis) 산·염기 : 산화수 변화가 없는 모든 화학반응을 기술

① 루이스라는 미국의 물리학자가 도입

② 산 : 전자쌍 받개

③ 염기 : 염기쌍 주개, 친핵체와 유사

④ 모든 브뢴스테드-로우리 산은 루이스 산이지만 역은 성립하지 않음

예 : BF₃, AlCl₃

⑤ 루이스 염기는 브뢴스테드-로우리 염기와 유사한 개념

⑥ 예 : AlCl₃ + NH₃ → Cl₃Al-NH₃

생성물은 반응물에 비해 옥텟룰을 만족하므로 정반응 우세

루이스 산인 AlCl₃는 루이스 염기인 NH₃로부터 공유전자쌍을 받아 반응 진행

⑸ 중화 반응(neutralization reaction)

① 산과 염기 사이의 반응

② 수용액의 산-염기 반응은 물과 염을 생성시키고 열(중화열)을 발생

 

 이온화 평형

⑴ 이온화 상수 : 산 · 염기가 수용액에서 이온화하는 반응의 평형상수

① pH + pOH = pKw

② 25℃에서 수용액이 중성일 때, Kw = 10-14, pH = pOH = 7

물의 이온화 반응은 흡열반응이기 때문에 온도가 증가하면 Kw 증가

온도가 증가하면 중성 pH는 낮아짐

③ 유용한 공식 : pKa + pKb = pKw

⑵ 이온화도

① 실험결과와 이온화도

② 강산과 강염기 : 100 % 이온화한다고 가정

평준화 효과(leveling effect) : 강산은 물보다 산도가 높으므로 물에 녹으면 전부

H₃O⁺ 가 됨

③ 약산과 약염기 : 일부만 이온화한다고 가정

 

 산도 상수(Ka)와 pKa

⑴ 산도, 염기도를 비교하기 위해 pKa 값을 자주 이용 : pKa = -logKa

⑵ 산과 염기의 세기 : Ka가 클수록 산의 세기가 강하고, Kb가 클수록 염기의 세기가 강함.

Ka × Kb가 일정하므로 산의 세기가 세면 짝염기의 세기는 약하고, 역도 성립

⑶ ΔpKa

① ΔpKa > 0 : 정반응

② ΔpKa < 0 : 역반응

③ ΔpKa = 0 : 평형상태

④ | ΔpKa | ≤ 7 : 정반응과 역반응의 평형 반응

⑤ | ΔpKa | > 7 : 정반응이나 역반응의 일방적 반응

 

 완충용액

⑴ 정의 : 소량의 산이나 염기를 첨가할 때 pH가 거의 일정한 용액

예 : 탄산의 완충작용

⑵ 조건 : 약산과 짝염기가 동시에 존재하는 용액은 완충용액으로 작용할 수 있음

① 제법 1. 약산과 보다 몰수가 적은 강염기를 혼합한 용액

② 제법 2. 약염기와 보다 몰수가 적은 강산을 혼합한 용액

③ 짝산-짝염기 관계가 아닌 서로 다른 약산, 약염기를 혼합하면 완충용액이 아님

한 화학종은 전부 짝산, 다른 화학종은 전부 짝염기인 식으로 반응이 진행하기 때문

⑶ 완충 용량 : 단위 부피의 완충용액에서 일정 수준의 pH 변화가 나타낼 때까지 필요한 H⁺나 OH⁻의 양

① HA와 A-의 총량은 일정하고 [HA]와 [A-]의 비율만 변할 때 [HA] = [A-]일 때 완충 용량이 가장 큼

[HA]＞[A-] : 염기에 대한 완충 용량이 산에 대한 완충 용량보다 큼

[HA]＜[A-] : 산에 대한 완충 용량이 염기에 대한 완충 용량보다 큼

② HA 및 A-의 총량이 많을수록 완충 용량이 큼

③ [HA]와 [A-]의 비율과 HA와 A-의 총량이 모두 변할 때 완충 용량 비교 문제는 출제되지 않음

⑷ 완충용액은 pKa - 1 ＜ pH ＜ pKa + 1일 때 완충작용을 잘한다.

 

 적정(titration)

⑴ 적정 : 농도를 모르는 산이나 염기의 농도를 측정하는 실험

① 적정 용액은 강산이거나 강염기여야 함

② ①의 이유 : 중화 반응이 100% 일어나야 하므로

⑵ 당량점(stoichiometric point) : 미지시약 내 산(염기)의 몰수와 첨가한 염기(산)의 몰수가 같아지는 지점

⑶ 지시약(indicator) : 색깔을 통해 용액의 pH를 확인하기 위해 사용하는 물질

① 종말점(end point) : [HIn] = [In-]인 pH로서 pKIn이기도 함

적정 실험에서 지시약의 변색범위 고려 : pKIn - 1 ＜당량점의 pH ＜ pKIn + 1

이어야 함.

 

 생활에서 산과 염기를 포함한 물질

산과 염기는 우리 생활에서 쉽게 찾을 수 있다. 다양한 동물성・식물성 산을 자연에서 쉽게 얻을 수 있고, 또는 곡식이나 열매의 탄수화물을 발효시켜 여러 가지 산을 만들 수도 있다.

과일이나 열매에 흔히 들어있는 시트르산(레몬, 오렌지 등), 사과 속에 들어있는 사과산(말산), 포도산은 타르타르산 또는 주석산이라 하며 곡식이나 과일을 발효시켜 얻는 식초의 주성분은 아세트산이다.

개미나 벌이 쏠 때 내뿜는 물질 성분 또한 산성을 띠는 물질로 주성분은 포름산(HCOOH)이다. 이 밖에 공업용으로 많이 사용하는 황산(H₂SO₄)은 자동차용 배터리의 물질로 이용하는 매우 강한 산성을 띠는 물질이다.

염기가 포함된 물질로 우리 생활에서 흔히 사용하는 것에는 소다(탄산수소나트륨), 주방용 세제(탄산나트륨), 제산제(수산화알루미늄) 등이 있다.

 

 여러 가지 산

신맛을 내는 과일에는 모두 같은 종류의 산이 들어있을까? 에 대한 의문을 가지게 된다. 사과나 오렌지, 딸기 등의 여러 가지 과일에는 서로 다른 종류의 산이 들어 있지만, 신맛은 공통적으로 느낄 수 있다. 톡 쏘는 맛을 즐기는 사람들이 많이 마시며 또 음식을 할 때 신맛을 내기 위해 사용하는 식초에는 아세트산이 들어있고, 잘 익은 김치에는 주로 락트산이 들어있다. 음식에 들어있는 산 이외에도 염산, 황산, 질산 등이 있다.

염산은 색깔이 없고 자극성이 강한 염화수소(HCl) 기체를 물에 녹여 만든다. 위에서도 분비되는 염산은 조미료나 염료 등의 원료로 사용되기도 하며, 단백질의 소화를 돕고 살균 작용을 한다. 또 화장실에서 나는 냄새를 제거할 때 염산을 아주 묽게 희석해서 사진한 황산은 물질의 성분 중에서 물을 뽑아내는 탈수 작용을 한다. 설탕에 진한 황산을 가하면 설탕이 부풀어 오르면서 검게 변하는 것을 볼 수 있는데, 이는 설탕이 물을 빼앗기고 탄소 성분만 남기 때문이다. 실험실에서는 진한 황산을 데시케이터에 넣어 시약을 건조시키는 데 이용하기도 한다. 황산을 다룰 때는 피부나 옷에 닿지 않도록 주의해야 한다.

 

 여러 가지 염기

수산화나트륨(NaOH)은 대표적인 염기로서, 공기 중에 놓아두면 공기에 포함된 수분을 흡수하여 스스로 녹는 성질이 있다. 수산화나트륨은 폐식용유와 섞어 비누를 만들기도 하고, 하수구 세척액의 성분으로 사용되기도 한다. 유리 세정제의 주성분인 암모니아는 기체 상태의 물질이지만 물에 매우 잘 녹으며, 비료나 폭탄을 만드는 중요한 원료로 사용된다.

석회는 산화칼슘(CaO)이 주성분이며, 물과 반응하여 수산화칼슘(Ca(OH)₂)이 된다. 이 석회 반죽은 접착력이 뛰어나 성벽을 지을 때 돌과 돌을 단단하게 연결해 주는 역할을 하였고, 오늘날에도 시멘트를 만들 때 석회를 사용한다. 또 석회수라고 불리기도 하는 수산화칼슘 수용액은 이산화 탄소 기체를 통과시키면 뿌옇게 흐려지므로 이산화 탄소 검출에도 이용한다.

한편, 봄이 되면 중국이나 몽골의 사막 지대에서 발생한 황사가 우리나라로 넘어와 많은 피해를 입힌다. 미세 먼지인 황사는 기계의 틈에 들어가 기계 장애를 일으키기도 하고 호흡기 질환을 비롯한 각종 질병의 원인이 되기도 한다. 그러나 염기성을 띠고 있어 산성화된 토양의 산성도를 감소시키는 효과를 내기도 한다.

묽은 염산에 BTB 용액을 한두 방울 떨어뜨리고 수산화나트륨 수용액을 넣다 보면 노란색이었던 용액이 어느 순간 초록색으로 변한다. 초록색을 띠는 용액에 수산화나트륨 수용액을 더 넣으면 용액은 파란색으로 변한다. 이렇게 지시약의 색이 변하는 것은 수용액이 산성에서 중성을 거쳐 염기성으로 변했다는 것을 의미한다. 산과 염기가 만나면 산의 수소이온이 염기의 수산화 이온과 반응하여 중성인 물을 만든다. 따라서 수소이온이 나타내던 산성과 수산화 이온이 나타내던 염기성이 사라진다. 이처럼 산과 염기가 반응하여 물이 생성되는 반응을 중화 반응이라고 한다.

또한, 산과 염기가 반응하면 온도가 높아지는데, 이는 중화 반응이 일어날 때 열이 발생하기 때문이다. 중화 반응이 일어날 때 발생하는 열을 중화열이라고 한다. 중화 반응 후의 용액 중에는 산의 음이온과 염기의 양이온이 만나 새로운 물질인 염을 생성한다. 반응하는 산과 염기의 종류에 따라 다양한 염이 생성된다.

 

 신맛을 나게 하는 물질

레몬은 신맛이 강해 쉽게 먹기 어려운 과일이다. 레몬뿐 아니라 오렌지, 자두 또는 덜 익은 과일 등은 신맛이 강해 먹을 때 얼굴을 찡그리기도 한다. 이처럼 과일 등에 포함되어 신맛이 나게 하는 물질이 산이다. 산은 과일뿐 아니라 다른 음식에도 포함되어 있다. 냉면이나 오이냉국 등에 식초를 넣으면 신맛이 더해져 맛이 다양해진다. 또 김치는 오래되면 발효되면서 산이 만들어지기 때문에 신맛이 강해지고, 청량음료나 요구르트에도 산을 넣거나 산이 생성된다. 우리 몸의 위에서도 산이 분비되어 음식물의 소화를 돕고, 운동을 할 때에는 근육에서 산이 만들어지기도 한다.

신맛을 내는 산은 리트머스 종이와 BTB(브로모티몰 블루) 용액의 색깔 변화, 금속과의 반응, 전기 전도성 등에서 공통의 성질을 나타내는데, 이를 산성이라고 한다.

 

 쓴맛이 나고 미끈거리는 물질

우리 조상들이 잿물을 사용하여 빨래를 할 수 있었던 것은 잿물 속에 기름이나 때를 녹이는 물질이 들어있기 때문이다. 마찬가지로 비누나 가루 또는 액체로 만들어진 여러 가지 종류의 세제에도 기름이나 때를 녹이는 물질이 들어있다. 이들은 손이나 피부에 묻으면 미끈거리고 쓴맛이 난다. 이와 같이 잿물이나 비누 등이 공통된 성질을 나타내는 것은 염기가 들어있기 때문이다.

 

 산성이 나타나는 이유

산의 수용액에서 전류가 흐르는 것은 산의 수용액에 이온이 존재하기 때문이다. 페트리 접시에 질산칼륨 수용액을 적신 기름종이를 깔고 직류 전원에 연결한 후 거름종이의 중앙에 묽은 염산을 2~3방울 떨어뜨린 다음, 양쪽 전극 가까이에 BTB 용액을 떨어뜨리면 (-)극 쪽에서 노란색으로 변한다. 묽은 염산 외에 다른 종류의 산을 사용하여도 결과는 같다. 이를 통해 산이 수용액에서 공통적인 양이온을 내는 것을 알 수 있다.

금속과 산을 반응시키면 공통적인 양이온이 무엇인지를 알 수 있는데, 산의 수용액에 마그네슘이나 아연 등의 금속을 넣으면 금속이 녹으면서 수소 기체가 발생한다. 이것은 산이 내놓은 수소이온이 금속으로부터 전자를 받아 수소 기체가 되기 때문이다. 이때 금속은 양이온이 되어 수용액에 녹는다. 이를 통해 산의 공통적인 성질은 수소이온에 의한 것임을 알 수 있다. 산은 수용액에서 이온화하여 수소이온(H±)을 내는 물질이며, 수소이온에 의하여 산성이 나타난다.

산이 수용액에서 수소이온을 내는 정도는 산의 종류에 따라 다르다. 염산, 황산, 질산 등은 물에 녹으면 거의 이온화하지만, 아세트산은 적은 양만 이온화하고 대부분 분자 그대로 녹아 있다. 따라서 서로 다른 산 수용액에 마그네슘 조각을 넣으면 이온화가 잘되는 산 수용액에서 수소 기체가 더 많이 발생하면서 격렬하게 반응한다.

염산, 질산 등과 같이 물에 녹아 이온화가 잘되는 산을 강산, 아세트산과 같이 이온화가 잘되지 않는 산을 약산이라고 한다. 같은 농도의 산 수용액의 경우에도 강산의 수용액일수록 강한 산성을 나타내는데, 이는 이온화가 더 잘되어 수소이온의 수가 상대적으로 많기 때문이다. 여러 가지 산들이 물에 녹아 이온화되는 과정을 이온 반응식으로 나타내면 다음과 같다. 염산이나 아세트산 등은 1개의 분자에서 1개의 수소이온을 생성하지만, 황산과 같이 1개의 분자에서 2개의 수소이온을 생성하는 경우도 있다.

 

 염기성이 나타나는 이유

산이 수용액에서 수소이온을 내는 것처럼 염기는 수용액에서 수산화 이온(OH—)

을 내놓는다. 염기의 공통적인 성질은 수산화 이온 때문에 나타난다. 질산칼륨 수용액을 적신 거름종이의 중앙에 묽은 수산화나트륨 수용액을 떨어뜨린 후 양쪽 전극 가까이에 페놀프탈레인 용액을 2~3방울 떨어뜨리고 직류 전원을 연결하면 (+)극 쪽의 페놀프탈레인 용액이 붉게 변한다.

이는 (-)전하를 띤 수산화 이온이 (+)극 쪽으로 끌려가기 때문이다. 수산화나트륨 대신 수산화칼륨 등 다른 종류의 염기를 사용하여도 같은 결과가 나타난다. 염기는 수용액에서 수산화 이온을 내지만 수산화 이온을 내는 정도는 염기의 종류에 따라 다르다. 꼬마전구가 연결된 전원 장치의 전극을 같은 농도의 서로 다른 염기 수용액에 담갔을 때 불빛의 세기로 이를 확인할 수 있다. 수산화나트륨 수용액과 암모니아수에 전극을 넣으면 수산화나트륨 수용액에서 꼬마전구의 불빛이 더 밝게 빛난다.

 

 화학식

① 2Cu + O₂ → 2CuO

② 2CuO + C → 2Cu + CO₂

③ Mg + Cu²⁺ → Mg²⁺ + Cu

④ 2AgNO₃ + Cu → 2Ag + Cu(NO₃)₂

⑤ 2Al + 3Cu²⁺ → 2Al³⁺ + 3Cu

⑥ 6CO₂ + 6H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6O₂

⑦ C₆H₁₂O₆ + 6CO₂ → 6CO₂ + 6H₂O + 에너지

⑧ 8Al + 3Fe₃O₄ → 4Al₂O₃ + 9Fe

⑨ CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O

⑩ 2C + O₂ → 2CO

⑪ Cu + 2Ag⁺ → Cu²⁺ + 2Ag

⑫ 2Al + 3Cu²⁺ → 2Al³⁺ + 3Cu

⑬ 2Mg + CO₂ → 2MgO + C

⑭ 2Mg + O₂ → 2MgO

⑮ Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂

 

중화 반응

식초에 들어있는 성분은 아세트산(CH₃COOH)이고, 진주의 주성분은 탄산칼슘(CaCO₃)이다. 아세트산은 산성을 띠고 탄산칼슘은 염기성을 띠기 때문에 두 물질이 반응하면 산과 염기의 성질이 약해진다.

 

 pH와 지시약

어떤 수용액이 산성인지 염기성인지를 판단할 때에는 pH라는 척도를 사용하면 편리하다. pH는 수용액에 포함된 수소이온의 농도에 대한 척도로서, 0~14의 범위로 나타낸다. 상온에서 pH가 7보다 작으면 수소이온이 많은 산성이고, pH가 7보다 크면 수산화 이온이 많은 염기성이다.

이때 pH가 작을수록 강한 산성이며, pH가 클수록 강한 염기성이다. 중성의 pH는 7이다. pH를 측정할 때에는 만능 pH 시험지나 pH 측정기를 사용한다. pH 측정기를 사용하면 pH를 더 정확하게 측정할 수 있고, 측정된 pH 수치로 산성이나 염기성의 정도를 비교할 수 있다. 실험실에서는 여러 가지 지시약을 사용하여 물질의 액성을 알아보기도 한다. 지시약은 수용액 중의 수소 이온 농도에 따라 다른 색깔을 나타내는데 붉은색 리트머스 종이, 푸른색 리트머스 종이,

BTB 용액, 페놀프탈레인 용액, 메틸 오렌지 용액 등을 많이 사용한다.

한편, 음식 재료로 사용하는 자주색 양배추도 수용액의 액성에 따라 여러 가지 색깔을 나타낸다. 자주색 양배추를 잘게 잘라 뜨거운 물이 담긴 비커에 담가 두었다가 걸러 낸다. 여기에 식초, 비눗물, 수돗물 등을 넣으면 식초에서는 붉은색, 비눗물에서는 초록색, 수돗물에서는 색이 변하지 않는 것을 관찰할 수 있다. 즉, 자주색 양배추로 만든 천연 지시약은 산성에서는 붉은색, 염기성에서는 초록색을 나타내며 강한 염기에서는 노란색을 나타낸다.

 

 산과 염기의 반응

김치가 너무 시어졌을 때 김치 항아리에 달걀 껍데기를 넣어 두면 신맛이 줄어든다. 이는 김치의 신맛을 내는 산과 달걀 껍데기의 탄산칼슘이라는 염기 성분이 반응하기 때문이다. 이와 같이 산의 수용액에 염기의 수용액을 조금씩 가하면 산성이 점차 약해지고, 반대로 염기의 수용액에 산의 수용액을 조금씩 가하면 염기성이 점차 약해진다. 이는 산과 염기가 반응하면 산도 아니고 염기도 아닌 새로운 물질과 물이 생성되기 때문인데, 이와 같은 반응을 중화 반응이라고 한다.

중화 반응이 일어나면 수용액 중의 수소이온이나 수산화 이온의 수가 변하여 용액의 액성이 달라져 지시약의 색이 변할 뿐만 아니라, 열이 발생하여 혼합 용액의 온도가 올라간다. 산의 수용액에 염기의 수용액을 가하면서 온도를 측정하면 산과 염기가 중화 반응하는 동안 열이 발생하므로, 산과 염기가 완전히 중화되는 지점에서 혼합 용액의 온도가 가장 높게 나타난다. 계속 염기의 수용액을 가해 주면 혼합 용액의 온도가 다시 낮아진다. 이것은 더 이상 중화 반응이 일어나지 않고 가해 준 수용액이 혼합 용액의 온도를 낮추기 때문이다. 따라서 산과 염기가 중화 반응을 할 때 온도 변화를 측정하면 산이 모두 중화되는 데 필요한 염기의 양을 알 수 있다. 그리고 중화 반응 과정에서 발생하는 열을 중화열이라고 한다.

산은 수소이온을 내놓는 물질이고 염기는 수산화 이온을 내놓는 물질이므로, 산과 염기가 반응하면 수소이온과 수산화 이온이 반응하여 물이 생성된다. 따라서 산의 수용액에 염기의 수용액을 가하면 수소이온의 수가 점점 줄어들어 산성이 약해지다가 결국 중성이 된다. 또 염기의 수용액에 산의 수용액을 가하면 수산화 이온의 수가 점점 줄어들어 염기성이 약해지다가 결국 중성이 된다. 염산과 수산화나트륨 수용액이 중화 반응을 일으킬 때 수소이온과 수산화 이온이 1 : 1의 개수비로 결합하여 물을 형성하므로 혼합 용액은 남아 있는 이온에 따라 액성이 달라진다.

즉, 수소이온이 남아 있으면 산성을 띠고 수산화 이온이 남아 있으면 염기성을 띤다. 그리고 중화 반응에 참여하지 않은 염산의 염화 이온과 수산화나트륨 수용액의 나트륨 이온은 이온 상태로 남아 있다. 중화 반응 후 혼합 용액을 가열하여 증발시키면 용액 속에 남아 있던 나트륨 이온과 염화 이온은 흰색 고체의 염화나트륨(NaCl)으로 남는다. 이때 염화나트륨과 같이 중화 반응 후 물과 함께 생성되는 물질을 염이라고 한다. 염은 반응하는 산과 염기의 종류에 따라 달라지며, 물에 잘 녹는 염도 있고 잘 녹지 않는 염도 있다.

산과 염기는 여러 가지로 정의될 수 있지만, 기본적으로 산은 물에 녹아서 수소이온(H⁺)을 내어놓는 물질이고, 염기는 수산화 이온(OH⁻)을 내어놓는 물질로 표현될 수 있다. 염산(HCl)은 물에 녹아 수소이온(H⁺)과 염화 이온(Cl⁻)으로 이온화되므로 산, 수산화나트륨(NaOH)은 물에 녹아 나트륨 이온(Na⁺)과 수산화 이온(OH⁻)으로 이온화되므로 염기이다. 이 두 가지 종류의 수용액을 섞었을 때 수소이온(H⁺)과 수산화 이온(OH⁻)이 반응하여 중성인 물(H₂O)이 생성된다.

그리고 염화 이온(Cl⁻)과 나트륨 이온(Na⁺)은 이온 상태 그대로 수용액 상에 존재하게 된다. 이때 수소이온(H⁺)과 수산화 이온(OH⁻)처럼 반응에 참여한 이온을 알짜 이온이라고 하고, 나트륨 이온(Na⁺)과 염화 이온(Cl⁻)처럼 화학적인 변화 없이 반응에 참여하지 않는 이온을 구경꾼 이온이라고 한다. 그리고 중화 반응이 일어날 때는 열이 발생하여 주변의 온도가 올라가는 특징도 있다.

 

 생활 속의 중화 반응

위산이 너무 많이 분비되어 속이 쓰리면 제산제를 먹는다. 제산제는 수산화마그네슘(Mg(OH)₂)이나 수산화알루미늄(Al(OH)₃)과 같은 약한 염기로 되어 있어서 위산의 주성분인 염산과 중화 반응을 일으켜 속 쓰림을 완화시킨다. 또 생선회를 먹을 때 레몬 조각을 생선회에 뿌리면 비릿한 냄새가 없어진다. 비릿한 냄새의 주범은 아민이라는 약한 염기인데, 아민이 레몬의 시트르산과 중화 반응하여 제거되면 비린내가 덜 나게 된다.

한편, 산성비가 내리면 토양이나 호수가 산성화되기도 하는데 산성화된 토양에서는 식물이 자라기 어렵고 산성화된 호수에서는 물고기가 살기 어렵다. 이러한

토양이나 호수에 염기성 물질인 탄산칼슘을 뿌려 주면 중화 반응이 일어나 생물들이 잘 살 수 있다.

산과 염기를 반응시키면 산의 음이온과 염기의 양이온이 결합하여 염을 만들게 된다.

그리고 수소이온과 수산화 이온이 결합하여 물을 만든다. 이러한 반응을 중화 반응이라고 한다. 중화 반응의 알짜 이온 반응식은 산의 수소이온과 염기의 수산화 이온이 반응하여 물이 생성되는 반응이다. 염기의 양이온과 산의 음이온은 직접 중화 반응에 참여하지는 않는다. 그리고 중화 반응이 완결되려면 수소이온과 수산화 이온의 계수의 비에 맞게 몰수가 섞여야 한다. 어느 한쪽이 많은 경우 산성 용액이 되거나 염기성 용액이 된다.

 

 

참고자료

학생과 교사의 산,염기 개념 이해에 대한 다면적 분석 및 수업 묘둘 개발,

공주대학교 대학원, 원정애, p.11