5.6: 레벨링 효과 및 비수성 산-염기 용액

이 강의에서는 산성 및 염기성 용액의 레벨링 효과와 수용액 및 비수성 용액에서의 레벨링 효과를 정의합니다. 화학 시스템에서 다양한 화학종의 경쟁 특성을 이해하는 것이 중요합니다.

용매의 레벨링 효과

일반 산(HA)은 일반 염기(B^-)와 반응하여 해당 짝염기(A^-)와 짝산(HB)을 생성합니다.

그림 1: 일반적인 산-염기 반응

그러나 반응이 용매(HX)에서 일어나는 경우 해당 짝산 또는 염기의 강도에 따라 용매도 반응에 참여할 수 있습니다. 이로 인해 두 가지 상황이 발생합니다.

첫 번째 종류의 경우, 반응에서 일반 산(HA)이 용매(HX)보다 약한 산이라고 가정합니다. 이러한 경우, B^-는 용매의 양성자 제거를 통해 용매의 짝염기(X-)를 생성하고, B-는 완전히 소모되어 반응물(HA)과 상호작용할 수 없게 됩니다.

그림 2: 일반 베이스에 대한 용매의 레벨링 효과를 묘사하는 반응

이러한 현상을 용매에 의한 염기의 레벨링 효과라 합니다.

또는 반응에서 일반 염기(B-)가 용매(HX)보다 약한 염기라고 가정합니다. 이러한 경우 HA는 용매를 양성자화하여 용매의 짝염기(H2X)를 생성하여 HA가 완전히 소비되고 반응물(B-)과 상호작용할 수 없게 됩니다.

그림 3: 일반 산에 대한 용매의 레벨링 효과를 묘사하는 반응

이러한 현상을 용매에 의한 산의 레벨링 효과라고 합니다.

강한 베이스에 대한 물의 레벨링 효과

강염기에 대한 용매의 레벨링 효과를 시각화하려면 나트륨 아미드와 반응하는 아세틸렌 수용액을 고려해 보세요. 이 예에서 아세틸렌(pK_a=25)은 용매인 물(pK_a=15.7)보다 약한 산이며, 이는 산도와 pK_a 값 사이의 역관계에서 분명합니다. 따라서 그림 4에 제공된 것처럼 아미드 이온은 아세틸렌 대신 물의 양성자를 제거하여 강염기에 대한 물의 레벨링 효과를 보여줍니다.

그림 4: 아세틸렌, 나트륨 아미드 및 물의 반응에서 레벨링 효과의 예

이 반응에서는 수산화물 이온이 더 안정적이기 때문에 평형은 용액의 아미드 이온을 대체하는 수산화물 이온의 형성이 유리합니다. 그러나 수산화물 이온은 아세틸렌을 탈양성자화할 만큼 염기성이 없어 용매에 그대로 남아 있습니다. 따라서 아미드를 사용하여 아세틸렌을 탈양성자화하려면 용매의 선택이 중요한 역할을 합니다. 아세틸렌(25)의 pK_a보다 큰 pK_a 38을 갖는 암모니아와 같은 용매를 사용해야 합니다. 이는 아세틸렌을 더 강한 산으로 만들어 용매의 양성자가 제거되지 않도록 합니다.

강산에 대한 물의 레벨링 효과

마찬가지로 강산에 대한 용매의 레벨링 효과를 이해하려면 모르폴린과 상호 작용하는 과염소산 수용액을 고려해 보세요. 이 예에서 모르폴린(pK_a=8.36)은 염기도와 pK_a 값 사이의 직접적인 관계에서 알 수 있듯이 용매인 물(pK_a=15.7)보다 약한 염기입니다. 따라서 그림 5에 제시된 바와 같이 과염소산은 모르폴린 대신 물을 양성자화하여 강산에 대한 물의 레벨링 효과를 보여줍니다.

그림 5: 과염소산, 모르폴린 및 물 사이의 반응에서 레벨링 효과의 예

이 반응에서는 히드로늄 이온이 더 안정적이기 때문에 평형 상태에서는 용액의 과염소산염 이온을 대체하는 히드로늄 이온이 형성되는 데 유리합니다. 그러나 하이드로늄 이온은 모르폴린을 양성자화할 만큼 산성이 아니므로 모르폴린은 그대로 용매에 남아 있습니다. 따라서 과염소산을 사용하여 모르폴린을 양성자화하려면 용매의 선택이 중요한 역할을 합니다. 모르폴린의 pK_a(8.36)보다 낮은 pK_a 4.2를 갖는 벤조산과 같은 용매를 사용해야 합니다. 이는 모르폴린을 더 강한 염기로 만들어 용매가 양성자화되지 않도록 합니다.

요약하자면, 용매 선택은 다른 방응물과 상호작용하기 전에 더 강한 염기에 의해 탈양성화하거나 더 강한 산에 의해 양성화되지 않아야 한다는 핵심 조건을 충족해야 합니다. 일반적으로 물은 대부분의 반응에 사용되는 용매로 강산과 염기에 레벨링 효과를 적용합니다. 따라서 H₃O⁺보다 강한 산과 OH^-보다 강한 염기를 사용하는 반응은 물에서 사용할 수 없습니다.

산-염기 반응에서, 용매의 컨쥬게이트 베이스보다 더 강한 염기는 사용될 때, 용매를 분해하여 컨쥬게이트 베이스를 생성한다. 시간이 지남에 따라 베이스가 완전히 소모되어 용매보다 약한 산을 분해할 수 없습니다.

마찬가지로, 용매의 컨쥬게이트산보다 강한 산이 사용되는 경우, 용매를 프로토네이트하여 더 많은 컨쥬게이트 산을 생성한다. 결국, 용매보다 약한 염기를 프로토네이트하기 위해 산의 어느 것도 존재하지 않는다.

두 경우 모두, 용매는 강한 염기 또는 강한 산이 원하는 화합물과 반응하는 것을 방지합니다. 이것은 용매의 평준화 효과입니다.

성공적인 산염-염기 반응을 위해서는 선택한 용매가 반응하지 않고 반응을 촉진해야 합니다.

설명하려면 아마이드 이온의 수성 용액을 고려하십시오. 아마이드 이온은 물의 공주 기지보다 강하고 덜 안정적이기 때문에 물을 비하하여 수산화 이온의 형성을 선호합니다.

따라서 용액에는 대부분 수산화 이온과 몇 개의 아마이드 이온이 포함되어 있습니다. 물의 평준화 효과로 인해 아마이드 이온이 소비되고, pK가물보다 높은_값을 가지는 아세틸렌과 같은 화합물의 분해를 사용할 수 없습니다.

pK가아세틸렌보다 높은_값을 가진 암모니아와 같은 보다 기본적인 용매가 사용됩니다. 이 경우, 아마이드 이온은 용매 암모니아 대신 아세틸렌을 비하하고, 반응은 원하는 대로 진행되어 아세틸렌의 컨쥬게이트 베이스를 더 많이 생성한다.

요약하자면, 용매의 산도는 강한 염기의 강도를 수준으로 한다. 즉, 사용되는 베이스는 용매의 컨쥬게이트 베이스보다 강할 수 없다.

마찬가지로, 용매 수준의 기본성은 강한 산의 강도로, 이는 사용되는 산이 용매의 컨쥬게이트 산보다 강할 수 없음을 의미한다.