산-염기 중화 반응

 

  4. 산-염기 중화 반응

 

4.1 산-염기 중화 반응이란?

 

산과 염기가 만나 반응하기 위해서 반드시 용액 상태일 필요는 없다. 예를 들어, 산인 염화수소 기체(HCl(g))와 염기인 암모니아 기체(NH3(g))는 기체 상태로 반응한다.

    HCl(g) + NH3(g) → NH4Cl(s)

위와 같은 반응을 ‘산-염기 반응’이라고 할 수 있다. 하지만 ‘산-염기 중화 반응’의 '중화'는 수용액에서의 반응이라는 의미를 내포하고 있다. 왜냐하면 산성, 중성, 또는 염기성은 수용액의 성질이기 때문이다.(* 산성 산, 염기성 염기라는 말은 없다.)

산-염기 중화 반응수용액 속에서 산과 염기가 반응하여, 산성 또는 염기성이 약해지거나 사라지는 반응이다. 산성은 H3O+(aq) 이온에 의해 나타나는 성질이고, 염기성은 OH-(aq) 이온에 의해 나타나는 성질인데, 수용액에 산과 염기가 동시에 존재하면 산으로부터의 H3O+(aq)와 염기로부터의 OH-(aq)가 반응하여 중성인 물이 되기 때문이다.

    H3O+(aq) + OH-(aq) → 2H2O(l)

그리고 두 이온은 25℃에서

    [H3O+(aq)]x[OH-(aq)] = 1.0x10-14

관계를 만족하는 양만 용액 속에 남게 된다.

두 이온이 반응하여 생긴 물은 중성이므로, 반응 후의 수용액은 산성 또는 염기성이 약해진다. 조건이 잘 맞으면 반응 후 수용액이 중성이 되기도 한다.(아래에서 자세히 다름.)

산과 염기를 수용액 상태로 반응시키는 산-염기 중화 반응은 다음 4가지 방법으로 수행할 수 있다.

    물에 산과 염기를 넣는다.

    산성 수용액에 염기를 넣는다.

    염기성 수용액에 산을 넣는다.

    산성 수용액과 염기성 수용액을 섞는다.

4가지 방법 모두 산과 염기가 동시에 존재하는 수용액을 만들기 때문이다. 이제 구체적인 예를 사용하여 어떤 일이 일어나는지 살펴보자. 강산/강염기, 강산/약염기, 그리고 약산/강염기 수용액의 3가지 경우로 나누어 살펴보자.

 

(1) 강산과 강염기 수용액의 중화 반응

    예를 들어, 0.5몰의 HCl이 녹아 있는 산성 수용액과 0.3몰의 NaOH가 녹아 있는 염기성 수용액을 섞어보자.

    HCl은 강산이므로 수용액에서 모두 해리되어 수용액에는 0.5몰의 H3O+(aq)와 0.5몰의 Cl-(aq) 이온이 있다.(물의 자체 이온화에 의해 만들어진 H3O+(aq)는 0.5몰보다 극히 작으므로 무시한다.) NaOH는 강염기이므로 수용액에서 모두 해리되어 수용액에는 0.3몰의 Na(aq)와 0.3물의 OH-(aq) 이온이 있다.

      HCl(aq) + H2O(l) → H3O+(aq) + Cl-(aq)

      NaOH(aq) → Na+(aq) + OH-(aq)

    두 용액을 섞는 순간 0.3물의 H3O+(aq)와 0.3물의 OH-(aq)가 반응하여 물이 된다. 이제 수용액에는 0.2몰의 H3O+(aq)와 아주 극소량의 OH-(aq)가 있다. 따라서 이 수용액은 산성이지만, 원래의 HCl 수용액에 비해서는 산성이 약해졌다.

     

     

    이번에는 0.5몰의 HCl이 녹아 있는 산성 수용액과 0.5몰의 NaOH가 녹아 있는 염기성 수용액을 섞어보자. HCl로부터 생긴 0.5몰의 H3O+(aq)과 NaOH로부터 생긴 0.5몰의 OH-(aq)가 반응하여 물이 된다. 그리고 0.5몰의 NaCl(aq)가 남는다. 이 수용액은 NaCl이 물에 녹은 수용액과 같으며, NaCl이 물에 녹으면 수용액이 중성이므로 중화 반응의 결과 산성과 염기성이 모두 사라진다.

     

     

반응식으로 쓰면

    HCl(aq) + NaOH(aq) → NaCl(aq) + 2H2O(l)

이다.

산으로부터의 음이온과 염기로부터의 양이온으로 이루어진 이온성 화합물이라고 한다. 위의 식에서 염은 NaCl(염화나트륨; 소금)이다.

 

(2) 강산과 약염기 수용액의 중화 반응

    예를 들어, 0.5몰의 HCl이 녹아 있는 산성 수용액과 0.5몰의 NH3가 녹아 있는 염기성 수용액을 섞어보자. HCl은 강산이므로 수용액에서 모두 해리되므로, 수용액에는 0.5몰의 H3O+(aq)와 0.5몰의 Cl-(aq) 이온이 있다. 반면, NH3는 약염기이므로 수용액에서 아주 일부만 OH-(aq)을 만들어내고, 대부분은 NH3(aq)의 형태로 존재한다.

      NH3(aq) + H2O(l)    NH4+(aq) + OH-(aq)

    두 용액을 섞으면, H3O+(aq)가 OH-(aq)와 반응하여 물을 만든다. 존재하던 OH-(aq)가 반응하여 사라지면, NH3(aq)는 다시 OH-(aq)을 만들어낸다. 이 일은 더해준 H3O+(aq)가 다 반응할 때까지 일어난다. 즉, 0.5몰의 NH3가 0.5몰의 OH-(aq)를 만들어 낸다.

     

     

    반응이 끝난 후 용액 속에는 0.5몰의 NH4+Cl이 물에 녹아 있다. 이 용질이 물에 녹은 수용액은 약산성이므로, HCl과 NH3가 1:1로 중화 반응을 하고 남은 수용액은 약한 산성이다. 이것은 강산으로부터의 H3O+(aq)와 약염기로부터 제공될 수 있는 OH-(aq)가 1:1인 모든 반응에 적용된다.

    위의 반응을 반응식으로 쓰면

      HCl(aq) + NH3(aq) → NH4Cl(aq)

    이다, 이 반응에서 생성된 염은 NH4Cl(염화암모늄)이다.

 

(3) 약산과 강염기 수용액의 중화 반응

    예를 들어, 0.5몰의 초산(HAc)이 녹아 있는 산성 수용액과 0.5몰의 NaOH가 녹아 있는 염기성 수용액을 섞어보자. NaOH는 강염기이므로 수용액에는 0.5몰의 OH-(aq)와 0.5몰의 Na+(aq) 이온이 있다. 반면, 약산인 HAc은 수용액에서 일부만 해리하므로, 아주 일부만 H3O+(aq)로 존재하고 대부분은 HAc의 형태로 존재한다.

      HAc(aq) + H2O(l)    3O+(aq) + Ac-(aq)

    두 용액을 섞으면, H3O+(aq)가 OH-(aq)와 반응하여 물을 만든다. 존재하던 H3O+(aq)가 반응하여 사라지면, HAc(aq)는 다시 H3O+(aq)을 만들어낸다. 이 일은 더해준 OH-(aq)가 다 반응할 때까지 일어난다. 즉, 0.5몰의 HAc가 0.5몰의 H3O+(aq)를 만들어 낸다.

    반응이 끝난 후 용액 속에는 0.5몰의 NaAc이 물에 녹아 있다. 이 용질이 물에 녹은 수용액은 약염기성이므로, HAc과 NAOH가 1:1로 중화 반응을 하고 남은 수용액은 약한 염기성이다. 이것은 약산으로부터의 H3O+와 강염기로부터 제공되는 OH-(aq)가 1:1인 모든 반응에 적용된다.

    위의 반응을 반응식으로 쓰면

      HAc(aq) + NaOH(aq) → NaAc(aq) + H2O(l)

    이다, 이 반응에서 생성된 염은 NaAc(초산나트륨)이다.

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