작용기와 탄화수소 유도체의 반응

아세트산, 에탄올, 아세트알데하이드, 아세톤, 아세트산 에틸, 페놀 수용액이 든 여섯 병의 이름표가 모두 떨어졌다. 모두 탄소 두세 개짜리 작은 분자이고 대부분 무색이다. 냄새를 맡아 보는 것은 위험하고 확실하지도 않다. 탄산수소 나트륨, 염화 철(III), 톨렌스 시약 같은 몇 가지 시약만 쓸 수 있다면, 어떤 순서로 시험해야 여섯 병을 모두 가려낼 수 있을까?

4.3.1성질은 작용기가 정한다

탄화수소 유도체의 성질은 탄소 뼈대보다 거기에 붙은 작용기가 정한다. 카복실기를 가진 아세트산은 수소 이온을 내놓는 산이어서 탄산수소 나트륨과 반응해 이산화 탄소 거품을 낸다. 벤젠 고리에 -OH가 붙은 페놀은 철(III) 이온과 보라색 착물을 만든다. 알데하이드는 쉽게 산화되므로 은 이온을 은으로 환원해 시험관 벽에 은거울을 만든다. 에탄올 같은 1차 알코올은 산성 다이크로뮴산 이온의 색을 바꾸지만 탄산수소 나트륨과는 반응하지 않는다. 케톤과 에스터는 이 조건들에서 뚜렷한 변화가 없다.

탄산수소 나트륨에 거품을 내는 것은 여섯 가운데 아세트산뿐이므로 먼저 쓴다. 남은 다섯 병에 염화 철(III)을 넣으면 페놀만 보라색이 된다. 남은 넷에 톨렌스 시약을 넣으면 아세트알데하이드만 은거울을 만든다. 남은 셋에 산성 다이크로뮴산을 넣으면 에탄올만 초록색으로 바뀐다. 마지막 두 병, 아세톤과 아세트산 에틸은 물에 섞어 보면 구별된다. 아세톤은 물과 잘 섞이지만, 아세트산 에틸은 잘 섞이지 않고 층이 생긴다.¹

4.3.2순서가 중요한 까닭

시험의 순서를 바꾸면 결과를 잘못 읽을 수 있다. 다이크로뮴산 시험을 먼저 하면 에탄올과 아세트알데하이드가 모두 색을 바꾸어 둘을 가릴 수 없다. 톨렌스 시약은 산이 있으면 잘 작동하지 않으므로 아세트산을 먼저 빼 두는 것이 좋다. 그래서 한 가지 물질만 반응하는 시험부터 차례로 하고, 결과가 겹칠 수 있는 시험은 뒤로 미룬다. 한 시험에서 두 가지 결과가 나올 가능성을 미리 생각해 두면, 시약을 덜 쓰고 빠르게 결론에 이른다.

4.3.3예제 풀이

식초 10.0 mL에는 아세트산 0.500 g, 곧 \(0.500/60.05 \approx 8.33 \times 10^{-3}\) mol이 있다. 반응식 \(\mathrm{CH_3COOH + NaHCO_3 \rightarrow CH_3COONa + H_2O + CO_2}\)에서 아세트산 1 mol마다 이산화 탄소 1 mol이 생기므로, \(8.33 \times 10^{-3} \times 24.5 \approx 0.204\) L, 곧 약 204 mL이다.

시험관에 몇 방울만 넣어도 수 mL의 거품이 생기므로 눈으로 분명히 보인다. 다른 다섯 물질은 산의 세기가 약하거나 산이 아니어서, 페놀처럼 약한 산도 탄산수소 나트륨과는 거품을 거의 내지 않는다. 그래서 이 시험은 카복실산만 골라낸다. 즉 작용기 시험은 작용기마다 다른 반응성을 이용하며, 한 물질만 반응하는 시험을 먼저 하는 순서로 여러 물질을 차례로 가려낸다.

아래 탐구 카드에서 이름표가 떨어진 시약병들을 시험관 반응으로 가려내는 순서를 정하고 직접 확인해 보자.

1. 은거울 반응은 19세기에 독일의 리비히가 거울을 만드는 방법으로 발전시켰다. 수은을 쓰던 이전의 거울보다 안전하고 밝아서, 지금도 장식용 유리 공예에 같은 반응을 쓴다.