15.3: 물: 브뢴스테드-로우리 산과 염기

브뢴스테드-로우리 산과 물 사이의 반응을 산 이온화라고 합니다. 예를 들어, 불화수소가 물에 용해되어 이온화되면 양성자가 불화수소 분자에서 물 분자로 이동하여 하이드로늄 이온과 불화물 이온이 생성됩니다.

종의 염기 이온화는 물 분자로부터 양성자를 받아들일 때 발생합니다. 아래 예에서 피리딘 분자 C_5NH_5는 물에 용해되면 염기 이온화를 거쳐 수산화물 이온과 피리디늄 이온을 생성합니다.

앞의 이온화 반응은 물이 염기(불화수소와의 반응에서처럼)와 산(암모니아와의 반응에서처럼)으로 기능할 수 있음을 시사합니다. 양성자를 기증하거나 수용할 수 있는 종을 양쪽성(amphiprotic)이라고 부르며, 더 일반적으로는 양쪽성(amphoteric)이라고 하며, 이 용어는 브뢴스테드-로우리 정의 이외의 정의에 따라 산과 염기에 사용될 수 있습니다. 아래 방정식은 두 가지 양친성 종, 중탄산염 이온 및 물에 대해 가능한 두 가지 산-염기 반응을 보여줍니다.

첫 번째 방정식은 산인 중탄산염과 염기인 물의 반응을 나타내고, 두 번째 방정식은 염기인 중탄산염과 산인 물의 반응을 나타냅니다. 중탄산염을 물에 첨가하면 두 평형이 동시에 이루어지며 결과 용액의 조성은 적절한 평형 계산을 통해 결정될 수 있습니다. 액체 상태에서 양쪽성 물질의 분자는 아래 방정식에서 물에 대해 설명된 것처럼 서로 반응할 수 있습니다.

유사한 분자가 반응하여 이온을 생성하는 과정을 자동 이온화라고 합니다. 액체 물은 아주 약간의 자동 이온화를 겪습니다. 25°C에서는 물 분자 10억 개 중 약 2개가 이온화됩니다. 물의 자동 이온화 과정의 정도는 평형 상수, 즉 물의 이온-곱 상수 K_W 값에 반영됩니다.

순수한 물의 약간의 이온화는 평형 상수의 작은 값에 반영됩니다. 25°C에서 K_W의 값은 1.0 × 10^−14입니다.

이 과정은 흡열이므로 온도에 따라 이온화 정도와 하이드로늄 이온 및 수산화물 이온의 농도가 증가합니다. 예를 들어, 100°C에서 K_W 값은 약 5.6 × 10^−13이며, 이는 25°C에서의 값보다 대략 50배 더 큽니다.

물의 자동 이온화는 동일한 수의 하이드로늄 및 수산화물 이온을 생성합니다. 따라서 25°C의 순수한 물에서는 다음과 같습니다.

용액 내 이러한 이온의 농도는 종종 용액의 특성과 다른 용질의 화학적 거동을 결정하는 중요한 요소이며 이러한 농도를 상대적인 용어로 설명하기 위해 특정 용어가 개발되었습니다. 동일한 농도의 하이드로늄과 수산화물 이온을 포함하는 경우 용액은 중성입니다. 수산화물 이온보다 더 높은 농도의 하이드로늄 이온을 포함하면 산성이고; 수산화물 이온보다 낮은 농도의 하이드로늄 이온을 포함하는 경우 염기성입니다.

산성, 염기성 및 중성 용액의 관계 요약

이 문서는 에서 발췌되었습니다 Openstax, Chemistry 2e, Section 14.1: Brønsted-Lowry Acids and Bases, and Section 14.2: pH and pOH.

양쪽성 분자는 산과 염기 모두의 역할을 할 수 있습니다. 물은 양쪽성 분자의 한 예입니다. 암모니아 수용액에서 물은 염기인 암모니아에 양성자를 기증함으로써 산의 역할을 할 수 있습니다.

대조적으로 물은 산에서 양성자를 받아들임으로써 염산 수용액에서 염기 역할을 합니다. 물은 양쪽성이기 때문에 자동 이온화될 수 있습니다. 이 과정에서 한 분자의 물은 그 양성자를 받아들여 염기 역할을 하는 물의 다른 분자에 양성자를 기증함으로써 산의 역할을 합니다.

이 과정에 하이드로늄 이온과 수산화 이온을 생성하게 됩니다. 물의 자동 이온화를 위한 평형 상수인 Kᴡ를 물의 이온곱 상수라고도 하며, Kᴡ로 표현할 수 있으며 값은10의 마이너스 14승입니다. 평형식은 하이드로늄 이온의 농도와 수산화 이온의 농도로 작성되며 두 반응물이 액체이기 때문에 분모가 없습니다.

섭씨 25도의 순수한 물에서 하이드로늄 이온과 수산화 이온의 농도는 같습니다. 즉 10의 마이너스 7승입니다. Kᴡ를 사용하여 용액 내 하이드로늄 이온과 수산화 이온의 농도를 계산하고 용액이 산성인지 또는 염기인지를 결정할 수 있습니다.

만약 용액이 산성이라면 하이드로늄 이온의 농도는 수산화 이온보다 높을 것입니다. 반대로 용액이 염기라면 수산화 이온의 농도는 하이드로늄 이온보다 더 높을 것입니다. 용액 내 하이드로늄 이온 농도가 5 곱하기 10의 마이너스 7승 몰농도이면 Kᴡ를 이용하여 수산화 이온 농도를 결정할 수 있습니다.

Kᴡ와 하이드로늄 이온의 값을 알기 때문에 수산화 이온의 농도는 2 곱하기 10의 마이너스 8승 몰농도로 계산될 수 있습니다. 하이드로늄 이온 농도가 5 곱하기 10의 마이너스 7승 몰농도로 수산화 이온 농도 2 곱하기 10의 마이너스 8승 몰농도보다 높기 때문에 용액은 산성입니다.