화학 고3 화학 평형 심화

공통 이온 효과

Q: Ag+를 넣어도 같은 효과가 나나요?

납니다. 공통 이온은 양이온이든 음이온이든 상관없습니다. AgNO3를 넣어 [Ag+]를 올리면 평형이 왼쪽으로 밀려 AgCl의 용해도가 똑같이 줄어듭니다.

이미 존재하는 이온과 공통인 이온을 추가하면 해당 이온의 평형이 억제되는 현상. 난용성 염의 용해도가 공통 이온 존재 시 감소한다.

평형 상태의 용액에 이미 들어 있는 이온과 같은 종류의 이온을 추가로 넣어 주면, 그 평형이 이온을 소모하는 쪽(역반응 쪽)으로 이동해 난용성 염의 용해도가 줄어드는 현상입니다.

이미 사람이 가득 찬 방에 같은 쪽 문으로 사람을 더 밀어 넣으면, 안에 있던 사람들이 반대쪽으로 밀려 나갑니다. 공통 이온을 넣는 것은 평형의 오른쪽에 사람을 더 밀어 넣는 일이고, 밀려 나가는 것이 침전입니다.

쉽게 말하면

용해도곱(Ksp)에서 본 용해 평형을 다시 봅시다.

$AgCl (s) ⇌ A g^{+} (a q) + C l^{-} (a q), K_{s p} = [A g^{+}] [C l^{-}]$

여기에 $NaCl$ 을 넣으면 $C l^{-}$ 가 왕창 늘어납니다. $C l^{-}$ 는 이 평형에 이미 등장하는 이온이므로 '공통 이온'입니다. 이온 곱이 갑자기 $K_{s p}$ 보다 커지므로, 계는 다시 $K_{s p}$ 로 돌아가려고 $A g^{+}$ 와 $C l^{-}$ 를 짝지어 침전시킵니다. 결과적으로 원래 녹아 있던 $AgCl$ 의 일부가 다시 고체로 떨어져 나옵니다.

여기서 반드시 구분해야 할 것이 있습니다. $K_{s p}$ 는 변하지 않습니다. 온도가 그대로면 평형 상수도 그대로입니다. 변하는 것은 '용해도'입니다. 두 이온 농도의 곱은 여전히 $K_{s p}$ 지만, 한쪽이 커진 만큼 다른 쪽이 작아져야 곱이 유지되기 때문입니다. 상수는 고정되어 있고 그 안에서 농도 배분만 바뀌는 것입니다.

이것은 새로운 법칙이 아니라 르 샤틀리에 원리의 한 사례입니다. 산과 염기의 평형에도 똑같이 적용됩니다. 약산 용액에 그 약산의 짝염기 염을 넣으면 이온화가 억제되는데, 이것이 완충 용액이 작동하는 원리입니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

순수한 물 vs $0.10 M$ $NaCl$ 용액에서의 $AgCl$ 용해도

$s = \frac{K _{s p}}{[ C l ^{-} ]} = \frac{1.8 \times 1 0 ^{- 10}}{0.10} = 1.8 \times 1 0^{- 9} mol/L$

순수한 물에서는 $s = K_{s p} \approx 1.3 \times 1 0^{- 5} mol/L$ 였습니다. $C l^{-}$ 가 이미 $0.10 M$ 있는 용액에서는 약 $1.8 \times 1 0^{- 9} mol/L$ 로, 약 만 배 가까이 줄어듭니다. 녹아 나온 $A g^{+}$ 가 $C l^{-}$ 에 비해 무시할 만큼 적으므로 $[C l^{-}] \approx 0.10$ 으로 놓고 계산해도 됩니다.
예시 2

앙금을 씻을 때 순수한 물로 씻으면 안 되는 이유

실험에서 걸러 낸 $AgCl$ 앙금을 증류수로 헹구면 아주 조금이지만 다시 녹아 손실이 생깁니다. 그래서 묽은 $C l^{-}$ 용액으로 헹굽니다. 공통 이온이 있으면 앙금이 덜 녹기 때문입니다. 공통 이온 효과는 이론이 아니라 실험실에서 실제로 쓰는 기술입니다.
예시 3

약산에 짝염기를 넣으면 이온화가 억제된다

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

아세트산 용액에 아세트산 나트륨을 녹이면 $C H_{3} CO O^{-}$ 가 늘어납니다. 평형이 왼쪽으로 밀리므로 $H^{+}$ 가 줄어들고 pH가 올라갑니다. 산을 더 넣은 것도 아닌데 산성이 약해지는 것처럼 보이는 이유가 공통 이온 효과입니다.

자주 하는 오해

공통 이온을 넣으면

K_{s p}

가 작아진다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움덜 녹으니까

K_{s p}

값이 줄어든 것이다

실제로는

K_{s p}

는 온도만 같으면 절대 변하지 않습니다. 줄어든 것은

K_{s p}

가 아니라 '용해도'입니다.

평형 상수는 그 온도에서 정해진 목표치이고, 계는 무슨 짓을 당하든 결국 그 목표치로 돌아옵니다.

[C l^{-}]

를 크게 만들면 곱을

K_{s p}

로 유지하기 위해

[A g^{+}]

가 작아질 수밖에 없고,

A g^{+}

가 적다는 것은 곧 녹은 양이 적다는 뜻입니다. '상수는 그대로, 농도 배분만 바뀐다' — 이 문장을 붙잡고 있으면 헷갈리지 않습니다.

아무 이온이나 넣으면 다 침전이 생긴다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움

AgCl

포화 용액에

KN O_{3}

를 넣어도 이온 농도가 올라가니 침전이 생긴다

실제로는

K^{+}

와

N O_{3}^{-}

는 이 평형식에 등장하지 않는 이온이라 용해 평형을 직접 밀지 못합니다. '공통' 이온이어야 효과가 있습니다.

르 샤틀리에 원리는 평형에 참여하는 물질의 농도를 바꿨을 때만 평형을 이동시킵니다. 평형식에 없는 이온은 아무리 넣어도

[A g^{+}] [C l^{-}]

값을 직접 바꾸지 않습니다. 문제를 풀 때는 먼저 평형식을 써 놓고, 새로 넣은 물질이 그 식 안에 있는 이온을 내놓는지부터 확인하세요.

선수 개념 — 이걸 먼저 알아야 해요

용해도곱(Ksp)고3

이후 개념 — 이 개념을 배우면 이어집니다

없음 — 이 개념이 마지막입니다

같은 단원의 개념 — 화학 평형

용해도곱(Ksp)고3

자주 묻는 질문

Q1공통 이온을 넣으면 용해도가 항상 줄어드나요?

난용성 염의 단순한 용해 평형에서는 그렇습니다. 다만 넣은 이온이 금속 이온과 착이온을 만드는 경우처럼 다른 반응이 끼어들면 오히려 더 녹기도 합니다. 우리 교육과정에서 다루는 범위에서는 '공통 이온 → 용해도 감소'로 이해하면 충분합니다.

Q2완충 용액도 공통 이온 효과인가요?

네. 약산과 그 짝염기를 함께 넣어 두면 약산의 이온화가 억제된 상태로 유지됩니다. 이 상태에서 산을 조금 넣으면 짝염기가 받아 주고, 염기를 조금 넣으면 약산이 받아 주기 때문에 pH가 크게 변하지 않습니다. 공통 이온 효과가 완충의 출발점입니다.

A g^{+}

를 넣어도 같은 효과가 나나요?

납니다. 공통 이온은 양이온이든 음이온이든 상관없습니다.

AgN O_{3}

를 넣어

[A g^{+}]

를 올리면 평형이 왼쪽으로 밀려

AgCl

의 용해도가 똑같이 줄어듭니다.

교육과정 2022 개정 · 고3 화학 · 화학 평형 수록 심화 (교육과정 밖 확장 개념)

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

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공통 이온 효과의 계산은 결국 $K_{s p}$ 식 하나로 끝납니다. 용해도곱(Ksp)의 $Q$ 와 $K_{s p}$ 비교를 다시 짚어 두면 침전 문제 전체가 한 틀로 정리됩니다.

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