이 단원 문제는 왜 자꾸 '25에서'라는 조건을 붙이나요?

Ka, Kb, Kw가 모두 평형 상수라서 온도에 따라 값이 달라지기 때문입니다. 우리가 외우는 Kw = 1.0 × 10-14, pH 7 = 중성은 25에서만 성립합니다.

화학 고3 산 염기 평형

산·염기 정의 심화(Ka·Kb·pH)

Q: H+와 H3O+ 중 무엇을 써야 하나요?

물속에서 벌거벗은 양성자는 존재하지 않고 반드시 물에 붙어 H3O+(하이드로늄 이온)로 있습니다. 정확하게 쓸 때는 H3O+, 계산이 번거로울 때는 줄여서 H+라고 씁니다. [H+] = [H3O+]로 보고 계산하면 됩니다.

약산·약염기의 이온화 상수(Ka·Kb)와 물의 이온곱(Kw)을 이용하여 수용액의 pH를 정량적으로 계산한다. 진로선택 「화학 반응의 세계」 소속.

산·염기를 '양성자를 주고받는 관계'로 보고, 이온화 상수

K_{a}

K_{b}

와 물의 이온곱

K_{w}

를 이용해 수용액의 pH를 숫자로 계산하는 단계입니다.

중학교에서 배운 '산은 신맛, 염기는 미끄러움'이 인물 소개였다면, 여기서는 그 인물이 '얼마나 세게' 양성자를 내놓는지를 숫자로 매깁니다. 세기를 숫자로 바꾸는 순간 pH를 계산할 수 있습니다.

쉽게 말하면

산·염기의 정의에서 브뢴스테드-로리는 산을 '양성자( $H^{+}$ )를 주는 물질', 염기를 '받는 물질'로 정의했습니다. 이 정의의 진짜 힘은 반응식 양쪽에 산과 염기가 짝을 이뤄 나타난다는 데 있습니다.

$C H_{3} COOH + H_{2} O ⇌ C H_{3} CO O^{-} + H_{3} O^{+}$

$C H_{3} COOH$ (산)이 양성자를 내놓으면 $C H_{3} CO O^{-}$ (짝염기)가 되고, $H_{2} O$ (염기)가 그것을 받으면 $H_{3} O^{+}$ (짝산)가 됩니다. 이 화살표가 양쪽 방향인 것이 핵심입니다 — 약산은 완전히 이온화하지 않고 평형에 머뭅니다.

평형이라는 말이 나온 순간, 평형 상수를 쓸 수 있습니다. 그것이 이온화 상수 $K_{a}$ 이고, 염기 쪽 짝이 $K_{b}$ 입니다. 여기에 물 자신이 만드는 물의 자동 이온화 $K_{w}$ 를 더하면, 어떤 수용액이든 $[H^{+}]$ 를 계산할 수 있는 도구가 갖춰집니다.

결국 이 단원 전체가 하는 일은 하나입니다: 주어진 용액의 $[H^{+}]$ 를 구해서 pH로 바꾸는 것. 강산이면 농도가 곧 $[H^{+}]$ 이고, 약산이면 $K_{a}$ 로 평형 계산을 해야 한다는 차이만 있습니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

물은 산일까 염기일까

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

$HCl$ 앞에서 물은 양성자를 받아 염기로 행동하고, $N H_{3}$ 앞에서는 양성자를 내주어 산으로 행동합니다. 브뢴스테드 정의에서 산·염기는 물질의 고정된 성질이 아니라 상대에 따라 정해지는 역할입니다. 이런 물질을 양쪽성이라고 합니다.
예시 2

$0.10 M$ 강산과 $0.10 M$ 약산의 pH 차이

$HCl: [H^{+}] = 0.10 M \Rightarrow pH = 1.0$

같은 농도라도 강산 $HCl$ 은 거의 100% 이온화해 pH가 1.0이지만, 약산 아세트산은 아주 일부만 이온화해 pH가 3 부근에 머뭅니다. 농도가 같다고 pH가 같지 않다는 것이 이 단원의 출발점입니다.
예시 3

짝산-짝염기 짝 찾기

$HC O_{3}^{-}$ 의 짝산은 $H_{2} C O_{3}$ (양성자 하나 더한 것), 짝염기는 $C O_{3}^{2 -}$ (양성자 하나 뺀 것)입니다. 짝을 찾을 때는 화학식에서 $H^{+}$ 하나를 더하거나 빼기만 하면 됩니다 — 전하도 함께 $+ 1$ 만큼 움직입니다.

아레니우스 정의 vs 브뢴스테드-로리 정의

구분	아레니우스	브뢴스테드-로리
산	물에 녹아 $H^{+}$ 를 내놓는 물질	양성자를 주는 물질
염기	물에 녹아 $O H^{-}$ 를 내놓는 물질	양성자를 받는 물질
적용 범위	수용액에서만	수용액이 아니어도, 용매가 달라도
$N H_{3}$ 설명	$O H^{-}$ 가 없어 설명이 어색함	물에서 양성자를 받으므로 명확히 염기
짝 개념	없음	짝산-짝염기가 항상 쌍으로 등장

자주 하는 오해

'센 산'과 '진한 산'을 같은 말로 쓰기

이렇게 생각하기 쉬움

1 M

아세트산이

0.001 M

염산보다 진하니까 더 센 산이다

실제로는세기는

K_{a}

가 정하고, 진하기는 농도가 정합니다. 아세트산은 아무리 진해도 여전히 약산입니다.

'세기'는 분자 하나가 양성자를 얼마나 잘 내놓는가(이온화 정도)이고, '진하기'는 그 분자가 몇 개 들어 있는가입니다. 묽은 강산이 진한 약산보다 pH가 낮을 수도 있습니다 — 둘은 서로 다른 축입니다.

짝염기는 항상 염기성이라고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움

C l^{-}

는

HCl

의 짝염기니까 물에 넣으면 염기성이 된다

실제로는강산의 짝염기는 사실상 염기 노릇을 못 합니다.

NaCl

수용액은 중성입니다.

산이 셀수록 그 짝염기는 약합니다.

HCl

은 양성자를 너무 잘 내놓아서, 반대로

C l^{-}

는 양성자를 되받을 능력이 거의 없습니다. '짝염기'라는 이름은 역할의 이름이지 '염기성을 띤다'는 보장이 아닙니다. 실제로 염기성을 띠는 것은 약산의 짝염기입니다 — 염의 가수 분해에서 다룹니다.

선수 개념 — 이걸 먼저 알아야 해요

산·염기의 정의(아레니우스·브뢴스테드)고2

이후 개념 — 이 개념을 배우면 이어집니다

적정 곡선고3 pH와 수소 이온 농도고3

같은 단원의 개념 — 산 염기 평형

루이스 산·염기고3 물의 자동 이온화(Kw)고3 염의 가수 분해고3 완충 용액고3 이온화 상수(Ka·Kb)고3 이온화도고3 적정 곡선고3 헨더슨-하셀발흐 식고3 pH와 수소 이온 농도고3 pOH고3

자주 묻는 질문

H^{+}

와

H_{3} O^{+}

중 무엇을 써야 하나요?

물속에서 벌거벗은 양성자는 존재하지 않고 반드시 물에 붙어

H_{3} O^{+}

(하이드로늄 이온)로 있습니다. 정확하게 쓸 때는

H_{3} O^{+}

, 계산이 번거로울 때는 줄여서

H^{+}

라고 씁니다.

[H^{+}] = [H_{3} O^{+}]

로 보고 계산하면 됩니다.

Q2브뢴스테드 정의가 아레니우스 정의를 틀렸다고 하는 건가요?

아닙니다. 아레니우스 정의가 맞는 경우(수용액)를 포함하면서 더 넓힌 것입니다. 과학의 정의는 대개 이렇게 확장됩니다. 더 넓히면 루이스 산·염기가 되어 양성자가 아예 없는 반응까지 다룰 수 있습니다.

Q3이 단원 문제는 왜 자꾸 '

2 5^{\circ} C

에서'라는 조건을 붙이나요?

K_{a}

K_{b}

K_{w}

가 모두 평형 상수라서 온도에 따라 값이 달라지기 때문입니다. 우리가 외우는

K_{w} = 1.0 \times 1 0^{- 14}

, pH

7 =

중성은

2 5^{\circ} C

에서만 성립합니다.

교육과정 2022 개정 · 고3 화학 · 산 염기 평형 수록 기본 (교육과정 단원)

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

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