화학 고3 산 염기 평형 심화

루이스 산·염기

Q: 그럼 브뢴스테드 정의는 이제 안 써도 되나요?

아닙니다. 수용액에서 pH를 다룰 때는 브뢴스테드가 훨씬 편하고 정량 계산(Ka, Kb)이 붙어 있습니다. 넓은 정의가 항상 유용한 정의는 아닙니다 — 문제에 맞는 렌즈를 고르는 것이 요령입니다.

전자쌍을 받는 것이 루이스 산, 주는 것이 루이스 염기. 양성자 없이도 적용되는 가장 광범위한 산염기 정의. BF₃(산)+NH₃(염기) → F₃B-NH₃.

전자쌍을 받는 물질이 루이스 산, 전자쌍을 주는 물질이 루이스 염기로, 양성자가 오가지 않는 반응까지 포함하는 가장 넓은 산·염기 정의입니다.

브뢴스테드가 '누가 양성자를 주고받나'를 봤다면, 루이스는 카메라를 한 칸 물려 '누가 전자쌍을 주고받나'를 봅니다. 시야가 넓어지자

H

가 한 개도 없는 반응도 산·염기 반응으로 보이기 시작합니다.

쉽게 말하면

산·염기의 정의의 브뢴스테드 관점에서는 산이 양성자를 내놓아야 합니다. 그런데 $B F_{3}$ 처럼 내놓을 수소가 아예 없는 물질도 분명히 산처럼 행동합니다. 이 곤란함을 해결한 것이 루이스의 정의입니다.

$B F_{3} + N H_{3} \to F_{3} B - N H_{3}$

$B F_{3}$ 의 붕소는 옥텟을 못 채워 전자 두 개가 들어올 빈자리가 있고, $N H_{3}$ 의 질소에는 비공유 전자쌍이 있습니다. 질소가 그 전자쌍을 통째로 내주고 붕소가 받아 결합이 생깁니다. 전자쌍을 받은 $B F_{3}$ 가 루이스 산, 준 $N H_{3}$ 가 루이스 염기입니다. 이때 만들어지는 결합은 한쪽이 전자쌍을 다 낸 결합, 즉 배위 공유 결합입니다.

중요한 것은 이 정의가 앞의 정의를 뒤엎지 않고 포함한다는 점입니다. 브뢴스테드 산-염기 반응도 루이스의 눈으로 보면 전자쌍 이동입니다. $H^{+}$ 가 $N H_{3}$ 에 붙을 때, $H^{+}$ 는 전자가 하나도 없는 빈 껍질이라 전자쌍을 받는 쪽 — 즉 루이스 산입니다.

일반적으로 전자가 부족한 자리(빈 오비탈, 부분 양전하)를 가진 것이 루이스 산, 비공유 전자쌍을 가진 것이 루이스 염기입니다. 금속 이온이 대표적인 루이스 산이며, 이 관점은 착이온과 촉매 반응을 이해하는 열쇠가 됩니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

$H^{+}$ 는 루이스 산

$H^{+} + : N H_{3} \to N H_{4}^{+}$

$H^{+}$ 는 전자가 하나도 없으므로 전자쌍을 받기만 합니다. 브뢴스테드가 '양성자를 주는 산'이라 부른 것과, 루이스가 '전자쌍을 받는 산'이라 부른 것이 여기서 같은 결론에 도달합니다 — 정의가 서로 모순되지 않는다는 증거입니다.
예시 2

금속 이온과 착이온

$C u^{2 +} + 4 N H_{3} \to [Cu (N H_{3})_{4}]^{2 +}$

$C u^{2 +}$ 는 빈 오비탈이 있어 전자쌍을 받고(루이스 산), $N H_{3}$ 는 비공유 전자쌍을 줍니다(루이스 염기). 브뢴스테드로는 산·염기 반응이라 부를 수조차 없지만, 루이스 관점에서는 전형적인 산-염기 반응입니다.
예시 3

$C O_{2}$ 가 물에 녹아 산성을 띠는 과정

$C O_{2}$ 의 탄소는 부분 양전하를 띠어 전자쌍을 받을 수 있습니다(루이스 산). 물의 산소가 비공유 전자쌍을 내주어 결합하면 $H_{2} C O_{3}$ 가 되고, 이것이 이온화해 산성이 됩니다. $C O_{2}$ 자체에는 내놓을 수 있는 산성 수소가 없는데도 산으로 행동하는 이유를 루이스 정의가 설명해 줍니다.

세 가지 산·염기 정의

구분	아레니우스	브뢴스테드-로리	루이스
산	$H^{+}$ 를 내놓음	양성자를 줌	전자쌍을 받음
염기	$O H^{-}$ 를 내놓음	양성자를 받음	전자쌍을 줌
필요 조건	수용액	양성자의 이동	전자쌍의 이동
$B F_{3}$	산이 아님	산이 아님	산
포함 관계	가장 좁음	아레니우스를 포함	셋 중 가장 넓음

자주 하는 오해

전자쌍을 '받는' 쪽을 염기라고 헷갈리기

이렇게 생각하기 쉬움염기는 전자가 많으니까 전자쌍을 받는 쪽이 염기다

실제로는전자쌍을 주는 쪽이 루이스 염기, 받는 쪽이 루이스 산입니다.

브뢴스테드에서 '염기 = 양성자를 받는 쪽'이라 외운 탓에 '염기 = 받는 쪽'이라는 잔상이 남아 뒤집히는 경우가 많습니다. 기준을 바꿔서 확인하세요 — 양성자를 받으려면 그 양성자에 내어 줄 전자쌍이 있어야 합니다. 그러니 브뢴스테드 염기는 곧 전자쌍을 주는 쪽이고, 두 정의는 정확히 일치합니다.

루이스 산이면 pH를 낮춘다고 단정하기

이렇게 생각하기 쉬움루이스 산이니까 물에 넣으면 pH가 내려간다

실제로는루이스 산·염기는 수용액이나 pH와 무관하게 정의됩니다. 물이 없는 반응에도 적용됩니다.

루이스 정의는 '전자쌍이 어느 쪽으로 옮겨 갔는가'만을 봅니다.