화학 고3 산 염기 평형

pH와 수소 이온 농도

Q: pH가 0보다 작거나 14보다 클 수도 있나요?

있습니다. [H+]가 1,M을 넘으면 pH는 음수가 됩니다. 0~14라는 범위는 '흔히 다루는 묽은 수용액에서 그렇다'는 뜻이지, 수학적으로 막혀 있는 벽이 아닙니다.

Q: pH + pOH = 14는 항상 쓸 수 있나요?

25에서만 그렇습니다. 정확히는 pH + pOH = pKw이고, pKw가 14인 것이 25의 값입니다. 문제에 온도 조건이 붙어 있는지 늘 확인하세요.

Q: pH가 생물이나 지구과학에도 나오는 이유는 뭔가요?

[H+]가 조금만 달라져도 단백질의 모양이 바뀌기 때문입니다. 효소 반응 속도가 최적 pH에서 정점을 찍는 것도 그래서입니다. 지구과학에서는 CO2가 녹아 산성을 띤 물이 암석을 녹이는 풍화·침식·퇴적의 원인이 됩니다.

수용액의 산성·염기성 정도를 나타내는 척도로, pH=-log[H⁺] 로 정의되며 0~14 범위를 갖는다. 진로선택 「화학 반응의 세계」 소속.

수용액의 수소 이온 농도를 로그로 나타낸 척도로,

pH = - lo g [H^{+}]

로 정의되며

2 5^{\circ} C

에서 7보다 작으면 산성, 크면 염기성입니다.

지진의 규모처럼 pH도 로그 눈금입니다. 규모 5와 6이 '1 차이'로 보여도 실제 에너지는 크게 다르듯, pH 5와 pH 6은 수소 이온 농도가 10배 차이입니다.

쉽게 말하면

수용액의 $[H^{+}]$ 는 $1 M$ 부터 $1 0^{- 14} M$ 까지 열네 자릿수를 넘나듭니다. 이런 수를 그대로 비교하기는 불편하므로, 지수만 떼어내 부호를 뒤집은 것이 pH입니다.

$pH = - lo g [H^{+}], [H^{+}] = 1 0^{- pH}$

왜 하필 7이 중심일까요? 순수한 물도 아주 조금 이온화하기 때문입니다. 물의 자동 이온화에서 $2 5^{\circ} C$ 일 때 $K_{w} = [H^{+}] [O H^{-}] = 1.0 \times 1 0^{- 14}$ 이고, 순수한 물에서는 두 농도가 같으므로 $[H^{+}] = 1.0 \times 1 0^{- 7} M$ , 즉 pH가 7이 됩니다. 7은 외운 숫자가 아니라 $K_{w}$ 에서 나온 결과입니다.

계산 절차는 산의 종류에 따라 갈립니다. 강산은 거의 완전히 이온화하므로 농도가 곧 $[H^{+}]$ 입니다. 약산은 이온화 상수 $K_{a}$ 로 평형 계산을 해야 $[H^{+}]$ 가 나옵니다. 산·염기 정의 심화에서 정리한 도구가 여기서 전부 동원됩니다.

염기성 용액은 $[O H^{-}]$ 가 먼저 구해지므로 pOH를 거쳐 $pH = 14 - pOH$ 로 넘어오는 편이 빠릅니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

$0.010 M$ 염산의 pH

$[H^{+}] = 1.0 \times 1 0^{- 2} M \Rightarrow pH = - lo g (1 0^{- 2}) = 2.0$

강산이므로 이온화가 사실상 완전합니다. 농도의 지수 $- 2$ 의 부호만 뒤집으면 바로 pH가 됩니다.
예시 2

pH 3인 용액을 물로 10배 묽히면

$[H^{+}] : 1 0^{- 3} \to 1 0^{- 4} M \Rightarrow pH 3 \to 4$

강산이라면 10배 묽힐 때마다 pH가 1씩 올라갑니다. 다만 아무리 묽혀도 pH가 7을 넘어 염기성이 되지는 않습니다 — 물 자신이 만드는 $H^{+}$ 가 바닥을 받쳐 주기 때문입니다.
예시 3

위액과 혈액

위액은 pH가 2 부근, 혈액은 7.4 부근으로 유지됩니다. 두 값의 차이는 5 정도지만 $[H^{+}]$ 로는 약 10만 배 차이입니다. 혈액이 이 좁은 범위를 지키는 원리가 완충 용액이고, 이는 항상성의 한 부분입니다.

순서대로 하면

용액의 pH 구하는 순서

1산성인지 염기성인지, 강한지 약한지부터 분류합니다. 이 네 갈래로 계산 경로가 달라집니다.
2강산이면 $[H^{+}] =$ 산의 농도 $\times$ 내놓는 $H^{+}$ 개수. 약산이면 $K_{a}$ 로 평형 계산을 합니다.
3염기라면 먼저 $[O H^{-}]$ 를 구하고 pOH를 계산한 뒤 $pH = 14 - pOH$ 로 넘어옵니다( $2 5^{\circ} C$ ).
4 $pH = - lo g [H^{+}]$ 를 적용합니다.
5답이 상식적인지 확인합니다 — 산성 용액인데 pH가 7보다 크게 나왔다면 어딘가 틀린 것입니다.

자주 하는 오해

pH 차이를 뺄셈으로 이해하기

이렇게 생각하기 쉬움pH 4와 pH 6은 2만큼 차이 나니까 산성도가 2배쯤 다르다

실제로는

[H^{+}]

는

1 0^{2} = 100

배 차이입니다.

pH는 로그 눈금이라 눈금 1칸이 곱하기 10입니다. 그래서 'pH를 1만 낮췄다'는 말은 산을 10배 진하게 했다는 뜻이 됩니다. 산성비 pH 5.6과 pH 4.6의 차이가 심각하게 받아들여지는 이유입니다.

pH 7이 언제나 중성이라고 믿기

이렇게 생각하기 쉬움온도가 어떻든 pH 7이면 중성이다

실제로는중성의 정의는

[H^{+}] = [O H^{-}]

입니다. pH 7은

2 5^{\circ} C

에서만 그 조건과 일치합니다.

물의 자동 이온화는 흡열 반응이라 온도가 오르면

K_{w}

가 커집니다. 그러면 중성인 물의

[H^{+}]

도 커져 pH가 7보다 작아집니다. 그래도 여전히

[H^{+}] = [O H^{-}]

이므로 중성입니다 — 산성이 된 것이 아닙니다. 'pH 7 = 중성'은 정의가 아니라 특정 온도에서의 결과입니다.

선수 개념 — 이걸 먼저 알아야 해요

물의 자동 이온화(Kw)고3 산·염기 정의 심화(Ka·Kb·pH)고3 이온화 상수(Ka·Kb)고3 pOH고3

이후 개념 — 이 개념을 배우면 이어집니다

중화 반응고2

연계 개념 — 과목을 넘어 함께 보면 좋아요

풍화·침식·퇴적고2 항상성고2 해수의 염분고2 효소 반응 속도고3

같은 단원의 개념 — 산 염기 평형

루이스 산·염기고3 물의 자동 이온화(Kw)고3 산·염기 정의 심화(Ka·Kb·pH)고3 염의 가수 분해고3 완충 용액고3 이온화 상수(Ka·Kb)고3 이온화도고3 적정 곡선고3 헨더슨-하셀발흐 식고3 pOH고3

자주 묻는 질문

Q1pH가 0보다 작거나 14보다 클 수도 있나요?

있습니다.

[H^{+}]

가

1 M

을 넘으면 pH는 음수가 됩니다. 0~14라는 범위는 '흔히 다루는 묽은 수용액에서 그렇다'는 뜻이지, 수학적으로 막혀 있는 벽이 아닙니다.

pH + pOH = 14

는 항상 쓸 수 있나요?

2 5^{\circ} C

에서만 그렇습니다. 정확히는

pH + pOH = p K_{w}

이고,

p K_{w}

가 14인 것이

2 5^{\circ} C

의 값입니다. 문제에 온도 조건이 붙어 있는지 늘 확인하세요.

Q3pH가 생물이나 지구과학에도 나오는 이유는 뭔가요?

[H^{+}]

가 조금만 달라져도 단백질의 모양이 바뀌기 때문입니다. 효소 반응 속도가 최적 pH에서 정점을 찍는 것도 그래서입니다. 지구과학에서는

C O_{2}

가 녹아 산성을 띤 물이 암석을 녹이는 풍화·침식·퇴적의 원인이 됩니다.

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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