화학 고3 산 염기 평형 심화

염의 가수 분해

Q: 왜 '가수 분해'라는 이름이 붙었나요?

물(H2O)이 이온과 반응하며 H+와 OH-로 쪼개지는 모습이라 그렇게 부릅니다. 다만 브뢴스테드 관점에서 보면 그냥 짝염기의 이온화, 짝산의 이온화일 뿐이라 특별한 새 반응은 아닙니다.

Q: 약산 + 약염기 염은 계산 없이 판별할 수 있나요?

양이온의 Ka와 음이온의 Kb를 비교해야 합니다. Ka > Kb면 산성, Kb > Ka면 염기성, 비슷하면 거의 중성입니다. 눈으로는 알 수 없으므로 두 상수를 실제로 꺼내 비교해야 합니다.

Q: 가수 분해가 실생활에서 중요한 예가 있나요?

베이킹 소다(NaHCO3) 용액이 약한 염기성을 띠는 것이 대표적입니다. 탄산이 약산이라 그 짝염기인 HCO3-가 물에서 양성자를 빼앗기 때문입니다.

약산·약염기에서 유래한 염이 물과 반응하여 산성 또는 염기성 용액을 만드는 반응이다. 진로선택 「화학 반응의 세계」 소속.

염이 물에 녹았을 때 그 이온이 물과 반응해

H_{3} O^{+}

나

O H^{-}

를 만들어, 중성이어야 할 것 같던 용액이 산성이나 염기성을 띠게 되는 반응입니다.

중화 반응이 끝났으니 남은 것은 '소금물'이고 당연히 중성일 것 같지만, 그렇지 않습니다. 약한 부모에게서 온 이온은 물에게 양성자를 되돌려 달라고 조르거나 떠넘깁니다. 그 조름의 흔적이 pH로 나타납니다.

쉽게 말하면

$C H_{3} COONa$ 를 물에 녹이면 pH가 7보다 큽니다. 왜일까요? 이 염이 내놓는 $C H_{3} CO O^{-}$ 는 약산 아세트산의 짝염기입니다. 약산의 짝염기는 양성자를 되받을 능력이 남아 있으므로 물에서 양성자를 빼앗습니다.

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

$O H^{-}$ 가 생겼으니 염기성입니다. 이 반응의 평형 상수가 바로 짝염기의 $K_{b}$ 이고, 이온화 상수에서 본 $K_{b} = K_{w} / K_{a}$ 로 계산됩니다. 즉 가수 분해는 새로운 법칙이 아니라 짝산-짝염기 관계를 염에 적용한 것뿐입니다.

반대로 $N H_{4} Cl$ 의 $N H_{4}^{+}$ 는 약염기 암모니아의 짝산이라 물에게 양성자를 떠넘겨 $H_{3} O^{+}$ 를 만들고, 용액은 산성이 됩니다.

판별의 요령은 '부모 찾기'입니다. 염을 만든 산과 염기가 각각 강한지 약한지 보고, 약한 쪽의 성질이 이긴다고 기억하면 대부분 맞습니다. 강산-강염기에서 온 염( $NaCl$ )은 양쪽 이온 모두 가수 분해할 능력이 없어 중성입니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

$NaCl$ 수용액이 중성인 이유

$N a^{+}$ 는 강염기 $NaOH$ 에서, $C l^{-}$ 는 강산 $HCl$ 에서 왔습니다. 강산의 짝염기와 강염기의 짝산은 물과 반응할 힘이 없습니다 — 부모가 너무 세서 자식은 무기력합니다. 그래서 물의 pH를 건드리지 못하고 중성이 유지됩니다.
예시 2

$N H_{4} Cl$ 수용액은 산성

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

$C l^{-}$ 는 아무 일도 하지 않지만, $N H_{4}^{+}$ 가 물에 양성자를 넘겨 $H_{3} O^{+}$ 를 만듭니다. 이 반응의 $K_{a}$ 는 $K_{w} / K_{b} (N H_{3})$ 로 구합니다.
예시 3

$0.10 M$ 아세트산 나트륨 용액의 $[O H^{-}]$

$K_{b} = \frac{K _{w}}{K _{a}} = \frac{1.0 \times 1 0 ^{- 14}}{1.8 \times 1 0 ^{- 5}} \approx 5.6 \times 1 0^{- 10}, [O H^{-}] = K_{b} \cdot C \approx 7.5 \times 1 0^{- 6} M$

약염기의 pH 계산과 완전히 같은 절차입니다. $K_{b}$ 가 아주 작아 $[O H^{-}]$ 도 작지만, $1 0^{- 7}$ 보다는 확실히 크므로 용액은 분명한 염기성입니다.

염의 출신에 따른 수용액의 액성

구분	예	액성
강산 + 강염기	$NaCl$ , $KN O_{3}$	중성 — 두 이온 모두 가수 분해하지 않음
약산 + 강염기	$C H_{3} COONa$	염기성 — 짝염기가 물에서 양성자를 빼앗음
강산 + 약염기	$N H_{4} Cl$	산성 — 짝산이 물에 양성자를 넘김
약산 + 약염기	$C H_{3} COON H_{4}$	$K_{a}$ 와 $K_{b}$ 중 큰 쪽이 이김

자주 하는 오해

'중화되었으니 중성'이라고 결론짓기

이렇게 생각하기 쉬움아세트산을 수산화 나트륨으로 정확히 중화했으니 그 지점의 pH는 7이다

실제로는생성된

C H_{3} CO O^{-}

가 가수 분해해 염기성이 되므로, 당량점의 pH는 7보다 큽니다.

'중화'는 산과 염기가 몰수 기준으로 딱 맞게 반응했다는 뜻이지, 결과 용액이 pH 7이라는 뜻이 아닙니다. 강산-강염기 적정에서만 우연히 두 개가 일치합니다. 이 오해를 풀지 못하면 적정 곡선에서 당량점 위치를 계속 잘못 잡게 됩니다.

구경꾼 이온까지 가수 분해시키기

이렇게 생각하기 쉬움

C H_{3} COONa

용액에서는

N a^{+}

도 물과 반응해

NaOH

를 만든다

실제로는

N a^{+}

는 물과 반응하지 않습니다. 염기성은 오직

C H_{3} CO O^{-}

때문입니다.

N a^{+}

는 강염기

NaOH

의 짝산인데, 강염기의 짝산은 산으로서 힘이 없습니다. 반응식에 등장하는 이온을 모두 반응시키려 들지 말고, '약한 부모에게서 온 이온'만 골라내는 습관을 들이세요.

선수 개념 — 이걸 먼저 알아야 해요

이온화 상수(Ka·Kb)고3

이후 개념 — 이 개념을 배우면 이어집니다

완충 용액고3

같은 단원의 개념 — 산 염기 평형

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

자주 묻는 질문

Q1왜 '가수 분해'라는 이름이 붙었나요?

물(

H_{2} O

)이 이온과 반응하며

H^{+}

와

O H^{-}

로 쪼개지는 모습이라 그렇게 부릅니다. 다만 브뢴스테드 관점에서 보면 그냥 짝염기의 이온화, 짝산의 이온화일 뿐이라 특별한 새 반응은 아닙니다.

Q2약산 + 약염기 염은 계산 없이 판별할 수 있나요?

양이온의

K_{a}

와 음이온의

K_{b}

를 비교해야 합니다.

K_{a} > K_{b}

면 산성,

K_{b} > K_{a}

면 염기성, 비슷하면 거의 중성입니다. 눈으로는 알 수 없으므로 두 상수를 실제로 꺼내 비교해야 합니다.

Q3가수 분해가 실생활에서 중요한 예가 있나요?

베이킹 소다(

NaHC O_{3}

) 용액이 약한 염기성을 띠는 것이 대표적입니다. 탄산이 약산이라 그 짝염기인

HC O_{3}^{-}

가 물에서 양성자를 빼앗기 때문입니다.

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

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

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약산과 그 짝염기를 함께 넣으면 어떻게 될까요? pH가 잘 흔들리지 않는 완충 용액이 됩니다.

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