염의 가수 분해

산과 염기가 중화되면 물과 염이 생긴다. 그렇다면 염을 녹인 물은 늘 중성일 것 같다. 실제로 소금물은 pH 7이다. 그런데 베이킹소다(탄산수소 나트륨)를 녹인 물은 염기성이고, 비료로 쓰는 염화 암모늄을 녹인 물은 산성이다. 이미 중화된 물질인데 왜 다시 산성이나 염기성을 띨까?

염 (0 염화 나트륨, 1 아세트산 나트륨, 2 염화 암모늄)

농도 (M)

1.4.1가수 분해

염은 물에 녹아 양이온과 음이온으로 나뉜다. 그런데 이 이온 가운데 약산의 짝염기나 약염기의 짝산은 물과 양성자를 주고받는다. 이렇게 염의 이온이 물과 반응하여 H₃O⁺나 OH⁻를 만드는 것을 염의 가수 분해라 한다.

아세트산 나트륨(CH₃COONa)을 녹이면 Na⁺와 CH₃COO⁻가 생긴다. Na⁺는 센 염기 NaOH에서 온 이온이라 물과 반응하지 않는다. 그런데 CH₃COO⁻는 약산의 짝염기이므로 \(\text{CH}_3\text{COO}^- + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{CH}_3\text{COOH} + \text{OH}^-\)로 물에게서 양성자를 받아 OH⁻를 만든다. 그래서 수용액은 염기성이다. 반대로 염화 암모늄의 NH₄⁺는 약염기 암모니아의 짝산이므로 물에 양성자를 주어 H₃O⁺를 만들고, 수용액은 산성이다.

그림 1에서 염을 바꾸어 보자. 0.1 M 아세트산 나트륨은 pH 8.9, 0.1 M 염화 암모늄은 pH 5.1이다. 농도를 높이면 가수 분해하는 이온이 많아져 pH가 7에서 더 멀어진다. 그러나 농도가 10배여도 pH는 0.5만 바뀐다. \([\text{OH}^-] \approx \sqrt{K_bC}\)에서 제곱근이 들어가기 때문이다.¹

1.4.2생활 속 가수 분해

베이킹소다 수용액이 약한 염기성인 것은 HCO₃⁻가 물에게서 양성자를 받기 때문이다. 그래서 속쓰림을 달래는 제산제로 쓰인다. 비누는 긴 사슬 지방산의 나트륨염으로, 약산의 짝염기라 수용액이 염기성이다. 한편 산성 토양을 좋아하는 식물에게 황산 암모늄 비료를 주면 NH₄⁺의 가수 분해로 흙이 조금 더 산성으로 바뀐다.

1.4.3예제 풀이

NH₄⁺의 \(K_a = \dfrac{K_w}{K_b} = \dfrac{1.0 \times 10^{-14}}{1.8 \times 10^{-5}} \approx 5.6 \times 10^{-10}\)이다. 반응은 \(\text{NH}_4^+ + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{NH}_3 + \text{H}_3\text{O}^+\)이다.

\([\text{H}_3\text{O}^+] \approx \sqrt{K_aC} = \sqrt{5.6 \times 10^{-11}} \approx 7.5 \times 10^{-6}\) M이므로 pH는 약 5.13이다. 즉 중화로 만든 염인데도 0.1 M 아세트산(pH 2.87)보다는 훨씬 약하지만 분명히 산성이다. 그래서 강산과 약염기를 적정하면 중화점의 pH가 7보다 작고, 지시약으로 메틸 레드처럼 산성 쪽에서 변하는 것을 쓴다.

아래 탐구 카드에서 염의 수용액이 중성이 아닐 수 있는 까닭과, pH 7이 언제나 중성인지 직접 따져 보자.

1. 약산과 약염기에서 온 염(예를 들어 아세트산 암모늄)은 양이온과 음이온이 모두 가수 분해한다. 두 이온의 \(K_a\)와 \(K_b\)가 거의 같으면 수용액이 중성에 가깝다.