산과 염기, 중화 반응

본문

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염산, 황산, 식초는 성분이 다른데도 모두 신맛이 나고 푸른 리트머스 종이를 붉게 바꾼다. 수산화 나트륨 수용액과 비눗물은 미끈거리고 붉은 리트머스 종이를 푸르게 바꾼다. 산끼리, 염기끼리 공통으로 가진 것은 무엇이고, 둘을 섞으면 그 성질은 어디로 갈까?

넣은 수산화 나트륨 수용액(mL)

그림 1. 수소 이온과 수산화 이온은 1 : 1로 만나 물이 되므로, 두 이온의 수가 같아지는 순간 용액은 중성이 된다(같은 농도의 염산 10 mL에 넣는 경우).

먼저 알아야 할 것이온과 이온식, 전해질이 물에 녹아 이온으로 나뉘는 것(화학 결합), 10의 거듭제곱.

1.4.1산과 염기에 공통으로 있는 이온

염산(\(\text{HCl}\))은 물에 녹으면 \(\text{H}^+\)와 \(\text{Cl}^-\)으로, 황산(\(\text{H}_2\text{SO}_4\))은 \(\text{H}^+\) 2개와 \(\text{SO}_4^{2-}\)으로 나뉜다. 식초의 아세트산도 일부가 \(\text{H}^+\)를 내놓는다. 이 산들의 음이온은 저마다 다르지만, 모두 수소 이온 \(\text{H}^+\)를 내놓는다는 점은 같다. 실제로 산의 수용액에 전압을 걸면 리트머스를 붉게 바꾸는 성질이 음극 쪽으로 이동하는데, 이것은 양이온인 \(\text{H}^+\)가 그 성질을 지녔다는 뜻이다.

마찬가지로 수산화 나트륨(\(\text{NaOH}\))과 수산화 칼륨(\(\text{KOH}\))은 물에 녹아 공통으로 수산화 이온 \(\text{OH}^-\)을 내놓는다. 그래서 산과 염기를 이 두 이온으로 정한다.

정의 1.4.1 산과 염기 (아레니우스)

물에 녹아 수소 이온(\(\text{H}^+\))을 내놓는 물질을 산, 수산화 이온(\(\text{OH}^-\))을 내놓는 물질을 염기라 한다. 산의 공통적인 성질(산성)은 \(\text{H}^+\) 때문이고, 염기의 공통적인 성질(염기성)은 \(\text{OH}^-\) 때문이다.

1.4.2중화 반응

산과 염기를 섞으면 \(\text{H}^+\)와 \(\text{OH}^-\)이 만나 물이 된다. \(\text{H}^+ + \text{OH}^- \to \text{H}_2\text{O}\). 이 반응을 중화 반응이라 하고, 이때 열이 나온다. 남은 이온인 \(\text{Na}^+\)와 \(\text{Cl}^-\)은 반응하지 않고 용액에 그대로 남는데, 물을 증발시키면 염화 나트륨, 곧 소금이 된다. 이렇게 산의 음이온과 염기의 양이온이 만든 물질을 염이라 한다.

그림 1의 슬라이더로 수산화 나트륨 수용액을 조금씩 넣어 보자. \(\text{H}^+\)는 넣은 만큼 줄어들고 물 분자는 그만큼 늘어난다. 10 mL를 넣으면 \(\text{H}^+\)와 \(\text{OH}^-\)이 모두 사라져 중성이 되고, 그보다 더 넣으면 이번에는 \(\text{OH}^-\)이 남아 염기성이 된다. 따라서 산성이 '사라지는' 것은 \(\text{H}^+\)가 물로 바뀌기 때문이다.

그림 2. pH는 수소 이온의 농도를 나타내며, pH가 1 작아질 때마다 수소 이온 농도는 10배가 된다.

용액이 얼마나 산성인지는 pH로 나타낸다. pH 7이 중성이고, 7보다 작으면 산성, 크면 염기성이다. pH는 수소 이온 농도를 10의 거듭제곱으로 나타낸 지수이므로, pH 3인 용액은 pH 5인 용액보다 수소 이온이 100배 많다.¹

1.4.3예제 풀이

예제 1.4.2

같은 농도의 염산 20 mL에 수산화 나트륨 수용액을 넣어 완전히 중화하려면 몇 mL가 필요할까? 또 같은 농도의 황산(\(\text{H}_2\text{SO}_4\)) 20 mL를 중화하려면 몇 mL가 필요할까?

같은 농도라는 것은 같은 부피에 들어 있는 물질의 입자 수가 같다는 뜻이다. 염산 \(\text{HCl}\) 1개는 \(\text{H}^+\) 1개를, \(\text{NaOH}\) 1개는 \(\text{OH}^-\) 1개를 내놓는다. 중화는 \(\text{H}^+\)와 \(\text{OH}^-\)이 1 : 1로 반응하므로, 염산 20 mL에는 수산화 나트륨 수용액 20 mL가 필요하다.

황산은 \(\text{H}_2\text{SO}_4\) 1개가 \(\text{H}^+\) 2개를 내놓는다. 따라서 같은 부피에 \(\text{H}^+\)가 염산의 2배이므로, 수산화 나트륨 수용액도 2배인 40 mL가 필요하다. 이때 생기는 염은 \(\text{Na}_2\text{SO}_4\)이다.

중화에 필요한 양은 산과 염기 물질의 수가 아니라 \(\text{H}^+\)와 \(\text{OH}^-\)의 수로 정해진다. 위산이 많을 때 먹는 제산제나, 산성화된 토양에 뿌리는 석회도 같은 원리로 \(\text{H}^+\)를 줄인다. 아래 탐구 카드에서 이온이 움직이는 방향과 pH 눈금, 중화 반응을 직접 확인해 보자.

pH는 수소 이온의 몰 농도 \([\text{H}^+]\)에 대해 \(\text{pH} = -\log[\text{H}^+]\)로 정의한다. 순수한 물에서는 \([\text{H}^+] = 10^{-7}\) mol/L이므로 pH가 7이다.

마무리

산은 물에 녹아 수소 이온을, 염기는 수산화 이온을 내놓으며, 이 이온들이 각각의 공통적인 성질을 만든다. 산과 염기를 섞으면 \(\text{H}^+\)와 \(\text{OH}^-\)이 1 : 1로 만나 물이 되고 나머지 이온은 염으로 남는다. 그래서 처음 질문의 산성과 염기성은 섞는 동안 두 이온이 물로 바뀌며 사라진다.

탐구 1

여러 가지 산에 공통으로 들어 있는 것은?

이온의 이동 · 리트머스 실험

색이 바뀐 종이: —
움직이는 쪽: —
색을 바꾼 입자: —

움직이는 빠르기의 비는 25 °C 물속 이온 이동도를 따랐다(H⁺는 OH⁻보다 약 1.8배 빠름). 색 번짐과 거리는 모식이다.

질문염산(HCl), 황산(H₂SO₄), 아세트산(CH₃COOH)은 화학식이 모두 다르다. 그런데 왜 공통된 성질을 보일까?
복원산과 염기는 물에 녹으면 양이온과 음이온으로 나뉜다. 이온은 전하를 띠므로 전압을 걸면 양이온은 (−)극으로, 음이온은 (+)극으로 움직인다.
설명그래서 산을 묻힌 실을 푸른 리트머스 종이 위에 놓고 전원을 켜면 붉게 변한 자리가 (−)극 쪽으로 옮겨 간다. 색을 바꾸는 입자가 양이온이라는 뜻이다. 그런데 세 산에 공통인 양이온은 수소 이온(H⁺)뿐이다.
연결그래서 산은 물에서 H⁺를 내놓는 물질, 염기는 물에서 OH⁻를 내놓는 물질로 정의한다(아레니우스 정의). 즉 산의 공통 성질은 H⁺ 때문이고, 염기의 공통 성질은 OH⁻ 때문이다.
적용세 가지 산과 두 가지 염기를 차례로 실험해 보자. 염기에서는 붉은 리트머스가 푸르게 변한 자리가 (+)극 쪽으로 움직인다. ‘전극 바꾸기’를 누르면 움직이는 방향도 바뀌고, 염화 나트륨은 이온이 있어도 색이 변하지 않는다는 대조 실험이다.
판단“H가 들어 있으면 산이다”는 틀린 말이다. 메테인(CH₄)이나 에탄올(C₂H₅OH)에도 H가 있지만 물에서 H⁺를 내놓지 않는다. 또 아세트산처럼 H⁺를 조금만 내놓는 산도 있어서, 같은 농도라도 산의 세기가 다르다.

확인조건이 달라지면

같은 장치에서 붉은 리트머스 종이 위에 수산화 칼슘 수용액(석회수)을 묻힌 실을 놓고 전원을 켰다. 예상되는 결과는?

탐구 2

pH는 왜 로그 눈금일까?

pH · 지시약 · 묽히기

pH = 1

[H⁺] (mol/L): —
[OH⁻] (mol/L): —
순수한 물보다 H⁺: —

25 °C 기준이다. 물질의 pH는 대표값이며 제품과 상태에 따라 다르다. 지시약의 색이 바뀌는 범위는 리트머스 4.5~8.3, BTB 6.0~7.6, 페놀프탈레인 8.2~10이다.

질문레몬즙의 H⁺ 농도는 약 0.006 mol/L, 바닷물은 약 0.000 000 008 mol/L이다. 이런 수를 한 자로 비교하려면 어떻게 해야 할까?
복원물속 H⁺ 농도는 물질에 따라 10¹⁴배 넘게 차이 난다. 이렇게 폭이 넓은 양은 값 자체보다 10의 몇 제곱인지로 나타내는 편이 편하다.
설명그래서 H⁺ 농도를 10의 거듭제곱으로 썼을 때 지수에서 − 부호를 뗀 수를 pH라 한다. [H⁺]가 10⁻³ mol/L이면 pH 3이다(식으로는 pH = −log[H⁺]이고, 로그는 대수 과목에서 배운다). 따라서 pH가 1 작아지면 H⁺는 10배, 2 작아지면 100배 많다. 또 25 °C 물에서는 [H⁺]×[OH⁻] = 10⁻¹⁴이라, 중성인 pH 7에서 둘이 10⁻⁷ mol/L로 같다.
연결지시약은 특정 pH 범위에서 색이 바뀌는 물질이다. 범위가 서로 달라서, BTB는 중성 근처를, 페놀프탈레인은 염기성 쪽을 잘 가려낸다.
적용아래 막대 그래프는 같은 양을 선형 눈금으로 그린 것인데, pH가 2 높은 쪽 막대는 거의 보이지 않는다. 그다음 ‘0.1 M 염산’에서 ‘물로 10배 묽히기’를 여러 번 누르면 pH가 7에 다가가기만 할 뿐 넘어가지 않는다.
판단“pH 3은 pH 6보다 두 배 산성”이 아니라, H⁺가 1000배이다. 또 산을 아무리 묽혀도 염기가 되지는 않는다. 물 자체가 H⁺와 OH⁻를 10⁻⁷ mol/L씩 내놓기 때문에, 묽힐수록 pH는 7에 다가갈 뿐이다.

확인조건이 달라지면

pH 4인 빗물과 pH 6인 빗물이 있다. 두 빗물의 H⁺ 농도를 비교한 것으로 옳은 것은?

탐구 3

산과 염기를 섞으면 무엇이 사라질까?

중화 반응 · 이온 모형 · 중화열

넣은 NaOH 수용액 = 10 mL (염산 20 mL에)

pH: —
혼합 용액 온도: —
생긴 물: —

처음 온도는 25 °C이고, 두 용액의 밀도와 비열을 물과 같다고 보고 열 손실은 없다고 가정했다. 중화열은 강산과 강염기의 묽은 용액에서 물 1 mol당 약 56 kJ이다.

질문염산에 수산화 나트륨 수용액을 조금씩 넣으면 산성이 점점 약해진다. 비커 속에서 어떤 입자가 줄고, 어떤 입자는 그대로일까?
복원염산에는 H⁺와 Cl⁻가, 수산화 나트륨 수용액에는 Na⁺와 OH⁻가 들어 있다.
설명그런데 H⁺와 OH⁻는 1 : 1로 만나 물이 된다(H⁺ + OH⁻ → H₂O). 이것이 중화 반응의 알맹이이다. 반면 Na⁺와 Cl⁻는 반응하지 않고 용액에 그대로 남는 구경꾼 이온이다.
연결H⁺와 OH⁻가 모두 반응한 지점이 중화점이다. 중화 반응은 열을 내놓는 발열 반응이라 중화점에서 온도가 가장 높고, 그 뒤로는 반응 없이 차가운 용액만 더해져 온도가 내려간다.
적용슬라이더를 0에서 40 mL까지 천천히 옮기며 ‘이온의 양’ 그래프를 보면, H⁺는 줄고 Cl⁻는 그대로이며, Na⁺는 늘고 중화점 뒤에는 OH⁻도 늘어난다. ‘온도’로 바꾸고 농도를 1 M로 올리면 최고 온도 상승이 몇 배가 되는지도 확인해 보자.
판단중화점은 pH 7이 되는 점이라고 외우기 쉽지만, 그것은 강산과 강염기일 때뿐이다. 아세트산과 수산화 나트륨처럼 한쪽이 약하면 중화점의 pH가 7에서 벗어난다. 즉 중화점의 뜻은 ‘H⁺와 OH⁻가 같은 양만큼 반응을 마친 점’이다.

확인조건이 달라지면

속이 쓰릴 때 먹는 제산제에는 수산화 마그네슘 Mg(OH)₂가 들어 있다. 위산(주성분 염산)과 반응할 때 위 속에서 줄어드는 이온은?

탐구 4

이름표가 떨어진 용액 여섯 개, 어떤 시험으로 가려낼까?

실험 · 산과 염기의 공통 성질 · 홈판 시험

시험

용액은 묽은 염산, 식초(아세트산), 묽은 수산화 나트륨, 암모니아수, 소금물, 설탕물이고 농도는 모두 0.1 M 안팎이다. 시험 순서와 횟수는 자유이며, 시험한 결과는 홈판에 남는다.

탐구 문제실험실 선반에서 이름표가 떨어진 무색 용액 여섯 병이 나왔다. 맛보거나 냄새 맡지 않고, 어떤 시험을 몇 번 하면 산, 염기, 중성을 가려낼 수 있을까?
복원산은 물에 녹아 수소 이온(H⁺)을, 염기는 수산화 이온(OH⁻)을 내놓는다. 그리고 이온이 있으면 전류가 흐르고, 같은 이온은 같은 반응을 일으킨다.
설계그래서 시험마다 알려 주는 것이 다르다. 지시약(리트머스, BTB)은 산성, 중성, 염기성을, 전도성은 이온이 있는지를, 마그네슘과 탄산 칼슘은 H⁺가 있는지를 알려 준다. 가장 적은 시험으로 모두 가려내는 순서를 설계해 보자.
분석산은 모두 푸른 리트머스를 붉게, BTB를 노랗게 바꾸고, 마그네슘과 만나 수소 기체를, 탄산 칼슘과 만나 이산화 탄소를 낸다. 이 공통 성질은 모두 H⁺ 때문이다. 염기는 붉은 리트머스를 푸르게, BTB를 파랗게 바꾸는데, 이것은 OH⁻ 때문이다. 한편 소금물과 설탕물은 둘 다 중성이지만 전도성으로 구별된다.
측정시험을 골라 홈판 결과를 보고, 아래에서 각 용액을 산, 염기, 중성으로 분류한 뒤 확인해 보자. 같은 산인데 염산과 식초에서 기포가 나는 속도가 다른 까닭도 생각해 보자.
오차·안전약산(식초)과 약염기(암모니아수)는 이온이 적어 전구가 흐리고 반응이 느리다. 이것을 "산이 아니다"로 판단하면 틀린다. 실제 실험에서는 보안경을 쓰고, 용액은 맛보거나 직접 냄새 맡지 않으며, 수산화 나트륨이 피부에 닿으면 바로 많은 물로 씻는다.

확인공통 성질의 원인

염산과 식초에 마그네슘을 넣으면 모두 기체가 발생한다. 이 공통점의 원인은?