약산·약염기의 pH

암모니아수는 염기성이라 붉은 리트머스 종이를 푸르게 바꾼다. 그런데 암모니아와 염산이 반응해 생긴 염화 암모늄을 물에 녹이면, 이번에는 푸른 리트머스 종이가 붉게 변한다. 산과 염기가 중화되어 생긴 염인데 왜 중성이 아닐까? 약염기의 pH는 어떻게 계산하고, 약염기와 그 짝산의 세기 사이에는 어떤 관계가 있을까?

log 암모니아 농도 (M)

4.5.1약염기의 이온화

암모니아는 물에서 물 분자의 H⁺를 받아 NH₃ + H₂O ⇌ NH₄⁺ + OH⁻의 평형을 이룬다. 이 평형 상수를 염기의 이온화 상수 \(K_b\)라 한다. 약산과 같은 방법으로, 처음 농도 \(C\)인 약염기의 [OH⁻]는 \(K_b\)가 작을 때 \(\sqrt{K_bC}\)로 어림할 수 있다. 그런 다음 pOH = −log[OH⁻]를 구하고, 25 °C에서 pH = 14 − pOH로 바꾼다. 물의 이온곱 \(K_w = [\text{H}_3\text{O}^+][\text{OH}^-] = 1.0 \times 10^{-14}\)이 이 관계를 준다.

그림 1에서 농도를 바꾸어 보자. 0.10 M 암모니아수의 [OH⁻]는 약 \(1.3 \times 10^{-3}\) M로, 같은 농도의 수산화 나트륨보다 약 75배 작다. 그래서 pH가 13이 아니라 약 11.1이다. 암모니아의 짝산인 암모늄 이온의 \(K_a\)는 \(1.0 \times 10^{-14} \div 1.8 \times 10^{-5} \approx 5.6 \times 10^{-10}\)이다. 아주 약한 산이지만, 물보다는 H⁺를 잘 내놓아 용액을 산성으로 만든다.¹

4.5.2염의 가수 분해

염이 물에 녹아 생긴 이온이 물과 반응해 H₃O⁺나 OH⁻를 만드는 것을 염의 가수 분해라 한다. 강산과 강염기로 된 염화 나트륨의 이온은 물과 거의 반응하지 않아 중성이다. 약염기와 강산으로 된 염화 암모늄은 NH₄⁺가 가수 분해해 산성이다. 강염기와 약산으로 된 아세트산 나트륨은 CH₃COO⁻가 물에서 H⁺를 받아 OH⁻를 만들어 염기성이다. 그래서 염의 액성은 그 염을 만든 산과 염기 가운데 강한 쪽을 따른다.

4.5.3예제 풀이

암모니아수에서는 \([\text{OH}^-] \approx \sqrt{1.8 \times 10^{-5} \times 0.10} = \sqrt{1.8 \times 10^{-6}} \approx 1.34 \times 10^{-3}\) M이다. pOH ≈ 2.87이므로 pH ≈ 11.13이다.

염화 암모늄 수용액에서는 NH₄⁺ + H₂O ⇌ NH₃ + H₃O⁺이고, \(K_a = 5.6 \times 10^{-10}\)이다. 따라서 \([\text{H}_3\text{O}^+] \approx \sqrt{5.6 \times 10^{-10} \times 0.10} = \sqrt{5.6 \times 10^{-11}} \approx 7.5 \times 10^{-6}\) M이고, pH ≈ 5.13이다. 두 용액의 pH는 7을 중심으로 거의 대칭이다. 짝산과 짝염기의 이온화 상수가 곱해서 \(K_w\)가 되기 때문이다. 즉 약염기를 강산으로 중화해 생긴 염은 그 짝산의 세기만큼 산성을 띤다. 그래서 질소 비료로 쓰는 황산 암모늄을 오래 뿌리면 흙이 산성으로 바뀐다.

아래 탐구 카드에서 여러 염의 수용액 pH를 재어 보고, 짝산 짝염기의 이온화 상수 관계로 설명해 보자.

1. 수산화 나트륨 0.10 M의 [OH⁻]는 0.10 M이다. 암모니아수의 [OH⁻] \(1.34 \times 10^{-3}\) M와 견주면 약 75배이고, pH로는 2 가까이 차이 난다.