화학 고2 역동적인 화학 반응

산·염기의 정의(아레니우스·브뢴스테드)

Q: 수용액에서 H+은 정말 혼자 떠다니나요?

아닙니다. 양성자 하나가 맨몸으로 존재하기는 어려워서, 실제로는 물 분자에 붙어 하이드로늄 이온 H3O+ 형태로 있습니다. 편의상 H+이라 쓰지만 두 표기는 같은 것을 가리킵니다.

Q: '강산'은 브뢴스테드 정의에서 무슨 뜻인가요?

H+을 잘 내놓는다는 뜻, 즉 물에서 거의 다 이온화한다는 뜻입니다. 산의 세기는 '얼마나 잘 주느냐'이지 '농도가 진하냐'가 아닙니다. 묽은 염산도 여전히 강산입니다.

Q: H+을 아예 주고받지 않는데 산처럼 행동하는 물질도 있나요?

있습니다. 전자쌍을 받는 물질을 산으로 보는 더 넓은 정의가 있습니다 — 루이스 산·염기입니다. 정의는 한 번 더 넓어집니다.

H⁺를 내놓는 산과 OH⁻를 내놓는 염기(아레니우스) 및 양성자 주개·받개(브뢴스테드)로 산염기를 정의한다. 일반선택 화학에서 기초 정의를 다루며, 심화(Ka·Kb·완충)는 진로선택 화학 반응의 세계에서 다룬다.

물에 녹아

H^{+}

을 내놓으면 산,

O H^{-}

을 내놓으면 염기라는 것이 아레니우스 정의이고, 양성자(

H^{+}

)를 주면 산, 받으면 염기라는 것이 브뢴스테드-로리 정의입니다.

정의가 두 개인 이유는 하나가 틀려서가 아니라, 아레니우스의 그물이 너무 촘촘해 암모니아 같은 물고기를 놓쳤기 때문입니다. 브뢴스테드는 같은 바다에 더 넓은 그물을 던진 것입니다.

쉽게 말하면

아레니우스 정의는 명쾌합니다. $HCl \to H^{+} + C l^{-}$ 처럼 $H^{+}$ 을 내놓으면 산, $NaOH \to N a^{+} + O H^{-}$ 처럼 $O H^{-}$ 을 내놓으면 염기입니다. 신맛, 금속과 반응해 수소 기체 발생, 미끈거림 같은 산·염기의 공통 성질이 결국 $H^{+}$ 과 $O H^{-}$ 때문이라는 것을 설명해 줍니다.

하지만 여기에는 두 가지 구멍이 있습니다. 첫째, 물에 녹았을 때만 말할 수 있습니다. 둘째, 분자에 $OH$ 가 아예 없는 암모니아( $N H_{3}$ )가 왜 염기인지 설명하지 못합니다. 실제로 암모니아 수용액은 분명히 염기성인데, $N H_{3}$ 안에는 내놓을 $O H^{-}$ 이 없습니다.

브뢴스테드-로리는 관점을 바꿔 이 문제를 풉니다. 산은 $H^{+}$ (양성자)을 주는 쪽, 염기는 받는 쪽입니다. 그러면 암모니아는 물에서 $H^{+}$ 을 빼앗아 오는 물질이 됩니다.

$N H_{3} + H_{2} O ⇌ N H_{4}^{+} + O H^{-}$

암모니아가 $O H^{-}$ 을 내놓은 것이 아니라, 물에서 $H^{+}$ 을 떼어 간 결과로 물 쪽에 $O H^{-}$ 이 남은 것입니다. 이 정의에서는 산·염기가 물질의 고정된 신분이 아니라 반응에서 맡은 역할이 됩니다. 그래서 물은 상대에 따라 산이 되기도, 염기가 되기도 합니다(양쪽성).

산이 $H^{+}$ 을 내주고 남은 것( $C l^{-}$ )을 그 산의 짝염기, 염기가 $H^{+}$ 을 받아 생긴 것( $N H_{4}^{+}$ )을 그 염기의 짝산이라 부릅니다. 짝은 항상 $H^{+}$ 하나 차이입니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

물은 상대에 따라 산도 되고 염기도 된다

$HCl + H_{2} O \to H_{3} O^{+} + C l^{-} N H_{3} + H_{2} O ⇌ N H_{4}^{+} + O H^{-}$

염산 앞에서 물은 $H^{+}$ 을 받으므로 염기이고, 암모니아 앞에서 물은 $H^{+}$ 을 주므로 산입니다. 같은 물 분자인데 역할이 바뀝니다 — 브뢴스테드 정의가 아니면 설명할 수 없는 현상입니다.
예시 2

짝산-짝염기 찾기

$C H_{3} COOH + H_{2} O ⇌ C H_{3} CO O^{-} + H_{3} O^{+}$ 에서 아세트산의 짝염기는 $C H_{3} CO O^{-}$ 이고, 물의 짝산은 $H_{3} O^{+}$ 입니다. 짝을 찾는 요령은 간단합니다 — 양변에서 수소 하나만 차이 나는 쌍을 고르면 됩니다.
예시 3

산성비가 바위를 녹이는 일

빗물에 이산화 탄소가 녹으면 약한 산성을 띱니다. 이 물이 석회암과 만나면 산이 내놓은 $H^{+}$ 이 탄산 칼슘을 녹여 지형을 바꿉니다 — 풍화·침식·퇴적에서 배우는 화학적 풍화가 바로 이 산·염기 반응입니다.

아레니우스 정의와 브뢴스테드-로리 정의

구분	아레니우스	브뢴스테드-로리
산	물에서 $H^{+}$ 을 내놓는 물질	$H^{+}$ 을 주는 물질(양성자 주개)
염기	물에서 $O H^{-}$ 을 내놓는 물질	$H^{+}$ 을 받는 물질(양성자 받개)
적용 범위	수용액에서만	수용액이 아니어도, 기체끼리도
$N H_{3}$ 설명	불가 ( $OH$ 가 없음)	가능 (물에서 $H^{+}$ 을 받음)
산·염기의 성격	물질의 고정된 성질	반응에서 맡은 상대적 역할

자주 하는 오해

브뢴스테드 정의가 아레니우스 정의를 '틀렸다'고 폐기한 것으로 이해하기

이렇게 생각하기 쉬움이제는 브뢴스테드가 맞으니 아레니우스 정의는 쓰면 안 된다

실제로는아레니우스 산·염기는 전부 브뢴스테드 산·염기이기도 합니다. 브뢴스테드는 범위를 넓힌 것이지 앞의 정의를 뒤집은 것이 아닙니다.

HCl

은 두 정의 모두에서 산입니다. 다만 아레니우스로는 설명 못 하던

N H_{3}

가 브뢴스테드에서는 염기로 잡히고, 물이 없는 반응까지 다룰 수 있게 됩니다. 과학의 정의는 보통 이렇게 포함 관계로 확장됩니다 — 옛 정의는 새 정의의 특수한 경우가 됩니다.

분자에

OH

가 있으면 염기라고 판단하기

이렇게 생각하기 쉬움

C H_{3} COOH

에도

OH

가 들어 있으니 염기 성질이 있을 것이다

실제로는아세트산의

- OH

는

O H^{-}

으로 떨어져 나오지 않습니다. 오히려 그

H

가

H^{+}

으로 떨어져 나가 산으로 작동합니다.

중요한 것은 화학식에 어떤 글자가 보이느냐가 아니라 물에 녹았을 때 무엇이 떨어져 나오느냐입니다.

NaOH

에서는

Na

와

OH

사이가 이온 결합이라

O H^{-}

이 통째로 떨어지지만, 아세트산에서는

O - H

가 공유 결합이고 그 수소가 떨어집니다. 결합의 성격이 결과를 정합니다. 화학식을 눈으로 훑어 판단하는 습관은 여기서 반드시 한 번 깨집니다.

선수 개념 — 이걸 먼저 알아야 해요

없음 — 이 개념이 출발점입니다

이후 개념 — 이 개념을 배우면 이어집니다

중화 반응고2 루이스 산·염기고3 물의 자동 이온화(Kw)고3 산·염기 정의 심화(Ka·Kb·pH)고3

연계 개념 — 과목을 넘어 함께 보면 좋아요

풍화·침식·퇴적고2

같은 단원의 개념 — 역동적인 화학 반응

당량점과 지시약고2 산화·환원 반응고2 산화수고2 중화 반응고2 중화 적정고2

자주 묻는 질문

Q1수용액에서

H^{+}

은 정말 혼자 떠다니나요?

아닙니다. 양성자 하나가 맨몸으로 존재하기는 어려워서, 실제로는 물 분자에 붙어 하이드로늄 이온

H_{3} O^{+}

형태로 있습니다. 편의상

H^{+}

이라 쓰지만 두 표기는 같은 것을 가리킵니다.

Q2'강산'은 브뢴스테드 정의에서 무슨 뜻인가요?

H^{+}

을 잘 내놓는다는 뜻, 즉 물에서 거의 다 이온화한다는 뜻입니다. 산의 세기는 '얼마나 잘 주느냐'이지 '농도가 진하냐'가 아닙니다. 묽은 염산도 여전히 강산입니다.

H^{+}

을 아예 주고받지 않는데 산처럼 행동하는 물질도 있나요?

있습니다. 전자쌍을 받는 물질을 산으로 보는 더 넓은 정의가 있습니다 — 루이스 산·염기입니다. 정의는 한 번 더 넓어집니다.

교육과정 2022 개정 · 고2 화학 · 역동적인 화학 반응 수록 기본 (교육과정 단원)

출처 교육부 고시 제2022-33호 (2022 개정 교육과정) · NCIC 국가교육과정정보센터

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정의를 잡았다면 이제 세기를 숫자로 다룰 차례입니다. 산·염기 정의 심화(Ka·Kb·pH)와 물의 자동 이온화(Kw)로 이어집니다.

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