유기화학- 산과 염기

산과 염기

산(acid)은 기본적으로 신맛이 나고 푸른색 리트머스 종이를 붉게 변화시킵니다. 수소보다 이온화 경향이 큰 금속과 반응하여 수소 기체를 발생합니다. 염기와 중화 반응을 합니다.

염기(base)는 쓴맛이 나며, 붉은색 리트머스 종이를 푸르게 변화시키고, 페놀프탈레인 용액을 붉게 변화시킵니다. 단백질을 녹이는 성질이 있어 촉감이 미끈미끈합니다. 산과 중화 반응 합니다.

 

아레니우스(Arrhenius)의 정의

H2O에 용해되어 H+를 내놓는 물질을 산, OH-를 내놓는 물질을 염기로 정의하는 것입니다. 아레니우스의 정의는 불용성 물질이나 수용액이 아닌 경우에는 산 염기를 정의할 수 없는 제한이 있습니다.

ex) NH3(g) + HCl(g) -> NH4Cl(s), Cu(OH)2는 불용성 물질

 

브뢴스테드-로우리(Bronsted-Lowry)의 정의

산(acid)은 양성자(수소이온, H+)를 주는 물질이고, 염기는 양성자(H+)를 받는 물질이라는 이론입니다. 여기서 양성자는 H+에 대한 동의어로 사용되고, 중성수소 원자가 전자를 잃으면 수소 핵(양성자)만 남기 때문입니다.

ex) HCl을 물에 녹이면 산 염기 반응이 일어납니다.

HCl(g) + H2O(l) -> H3O+(aq) + Cl-(aq)

<산>      <염기>        <짝산>         <짝염기>

짝산과 짝염기

HCl(g) + H2O(l) -> H3O+(aq) + Cl-(aq) 반응에서 양성자(H+)를 내어주는 HCl은 산, 양성자(H+)를 받는 H2O는 염기로 반응합니다. 역반응으로 보면 H3O+는 산으로 양성자를 내어주고, Cl-은 염기로 양성자를 받습니다. 즉, 염기는 산이 되고(H2O -> H3O+), 산은 염기가 됩니다(HCl -> Cl-). 이러한 산-염기의 상을 짝산, 짝염기하고 합니다.

 

짝산과 짝염기의 상관관계

산(acid) <-> 짝염기 + (H+)

염기(base) + (H+) <-> 짝산

 

산과 염기의 세기

평형상수(equilibrium constant ; Keq)

평형상수는 어떤 반응에서 평형상태가 이루어지면 이때의 반응물과 생성물의 양이 일정한 값을 갖는데 이 값을 평형상수(Keq)라고 합니다.

HA + H2O <-> A- + H3O+

Keq= [H3O+] X [A-] / [HA] X [H2O]

 

산도 상수(acidlity constant ; Ka)

수용액 속에서 주어진 어떤 산(HA)의 세기를 나타내는 상수를 말합니다.

HA + H2O <-> A- + H3O+

Ka = Keq[H2O] = [H3O+] X [A-] / [HA]

*[H2O]는 거의 변화 없이 55.6M 농도로 남아 있게 됩니다. 일반적으로 산의 세기는 pKa 값으로 나타냅니다.

pKa= -log Ka

강산의 평형은 오른쪽을 향해 진행 -> 큰 산도 상수

약산의 평형은 왼쪽을 향해 진행 -> 작은 산도 상수

 

산과 염기의 종류

산의 염기도, 염기의 산도에 따라 분류됩니다.

산의 염기도: 산 1mol이 이온화할 때 생성되는 H+의 mol 수

염기의 산도: 염기 1mol이 이온화할 때 생성되는 OH-의 mol 수

 

1염기산(염기도가 1인 산)

ex) HCl <-> (H+) + (Cl-)

CH3COOH <-> (CH3COO-) + (H+)

 

2염기산(염기도가 2인 산)

ex) H2CO3 <-> 2H+ + CO3^2-

H2SO4 <-> 2H+ + SO4^2-

 

3염기산(염기도가 3인 산)

ex) H3PO4 <-> 3H+ + PO4^3-

 

1산염기(산도가 1인 염기)

ex) NaOH <-> Na+ + OH-

NH4OH <-> NH^4+ + OH-

 

2산염기(산도가 2인 염기)

ex) Ca(OH)2 <-> Ca^2+ + 2OH-

Ba(OH)2 <-> Ba^2+ + 2OH-

 

3산염기(산도가 3인 염기)

ex) Fe(OH)3 <-> Fe^3+ + 3OH-

*강산의 짝염기는 약염기이고, 강염기의 짝산은 약산입니다. 약산의 짝염기는 강염기이고, 약염기의 짝산은 강산입니다.

 

유기산과 유기 염기

유기산

양으로 편극된 수소 원자가 존재합니다. 유기산은 크게 2가지가 있습니다.

1) 산소원자에 결합한 수소원자를 포함하는 alcohol류(O-H)

2) C=O 이중결합 다음으로 탄소원자에 결합한 수소원자를 포함하고 있는 carbonyl류(O=C-C-H)

alcohol류(O-H)는 H+를 잃어버리고 생성되는 짝염기가 전기음성도가 큰 산소 원자에 음전하를 갖게 되어 안정화되는 현상에 기인합니다. carbonyl류(O=C-C-H)는 H+를 잃어버리고 생성되는 짝염기가 공명에 의해 안정화되는 현상에 기인합니다.

 

유기 염기

H+와 결합할 수 있는 하나의 비공유 전자쌍을 가지고 있는 원자입니다. 암모니아(NH3)로 부터 유래된 질소를 포함하고 있는 화합물은 보편적인 염기 입니다.

 

루이스(Lewis)의 정의

산(acid)은 비공유 전자쌍을 받을 수 있는 물질이고, 염기(base)는 비공유 전자쌍을 제공하는 물질이라고 정의했습니다. 이때 염기에서 산으로 제공한 전자를 공유함으로써 공유결합이 형성됩니다.

굽은 화살표: 화살표의 꼬리에 있는 원자로부터 화살표의 머리 부분에 있는 원자로 전자 한 쌍이 이동하는 것을 의미합니다.