개념 한 쪽
산과 염기의 성질은 수용액에서의 이온화 정도와 양성자 주고받음으로 정의한다. 산화수 규칙과 예외를 이해하면 산화-환원 및 화합물 성질 판별 문제가 해결된다.
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출제기준 단원 「산과 염기의 반응」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 브뢴스테드 산·염기 판별 | 1 | 반응식에서 H2O의 산·염기 역할을 가려내기 |
| 할로겐 이온 정성반응 | 1 | 질산은 첨가 시 생성되는 침전의 색을 식별하기 |
| 강약 산성 판별 | 1 | 같은 농도에서 강산과 약산을 구분하여 가장 강한 산 선택하기 |
브뢴스테드-로우리 정의에서 산은 다른 물질에 양성자(H+)를 제공하는 물질이고, 염기는 양성자(H+)를 받아들이는 물질이다. 동일한 화학종이 상황에 따라 산 또는 염기로 작용할 수 있으며, 물(H2O)은 양성자를 주면 염기적으로, 양성자를 받으면 염기로 작용하는 쌍역할을 한다는 점을 문제에서 자주 확인한다.
산의 세기는 수용액에서 이온화되는 정도(이온화도)에 의해 결정된다. 강산은 수용액에서 거의 완전히 이온화하여 많은 H+를 내놓으므로 같은 농도에서는 약산보다 더 강한 산성을 나타낸다. 대표적인 강산 예로 HCl, H2SO4, HNO3가 있으며, 강산은 문제에서 '완전 이온화' 성질을 이용해 판별한다.
산화수는 원자가 전자를 잃거나 얻은 가상의 전하량으로 취급한다. 기본 규칙으로는 단원자 이온의 산화수는 전하량과 같고, 중성 화합물에서 모든 원소의 산화수 합은 0이며, 수소는 통상 +1, 산소는 통상 -2로 취급한다. 그러나 산소에도 예외가 존재하므로(예: 과산화물에서 -1, OF2에서 +2, O2 단체에서 0) '항상 -2'라는 절대 표현에 주의해야 한다.
무기염류의 반응성 패턴도 자주 출제된다. 예컨대 탄산염과 산이 반응하면 염과 물과 이산화탄소가 생성되는 일반식을 떠올리면 되며, 염화나트륨 수용액 전기분해의 경우 양극에서는 Cl-가 산화되어 Cl2가, 음극에서는 물이 환원되어 H2와 OH-가 생성된다는 점을 기억하면 전해 과정 문제를 해결하기 쉽다.
정성분석 관점에서는 할로겐 이온을 질산은(AgNO3)으로 확인하면 Cl-는 흰색 침전(AgCl), Br-는 담황색(AgBr), I-는 노란색(AgI) 침전을 형성한다는 색 차이를 이용해 이온을 판별한다.
산화수 계산 예시를 하나 든다. 중크롬산칼륨 K2Cr2O7에서 K는 +1, O는 -2이므로 K(+1)×2 + Cr×2 + O(-2)×7 = 0에서 Cr의 산화수 합은 +12이고 원자 하나당 +6이 된다. 이 계산은 산화수 규칙을 적용해 미지수를 푸는 전형적인 문제 풀이 방식이다.
옥소산 계열 예시로 HClO2의 Cl 산화수 계산을 보인다. H(+1) + Cl(x) + O(-2)×2 = 0이므로 x = +3가 된다. 이와 같은 방식으로 HClO4에서는 Cl의 산화수가 +7임을 유도할 수 있다.
브뢴스테드- 롤리의 산, 염기 정의에 의하면 H2O가 산으로도 염기로도 작용한다. 다음 화학반응식 중 반응이 오른쪽으로 진행될 때 H2O가 산으로 작용하는 것은?
정답 ② · 브뢴스테드-로우리 정의에서 산은 H+를 내놓는 물질이다. HCO3- + H2O ↔ H2CO3 + OH- 반응에서 H2O가 H+를 HCO3-에 주고 자신은 OH-가 되므로 H2O가 산으로 작용한다.
브뢴스테드-로우리 산은 양성자(H+)를 제공하는 물질이므로, H2O가 H+를 내어주는 반응이 정답이다.
염소이온이 포함된 물에 질산은용액 몇 방울을 적가한 결과 침전이 생성 되었다. 이침전의 색깔은?
정답 ② · 염소이온(Cl⁻)이 포함된 용액에 질산은(AgNO3)을 가하면 흰색 침전인 염화은(AgCl)이 생성된다. 이는 할로겐화은 침전 반응의 대표적 예로, AgCl은 흰색, AgBr은 담황색, AgI는 노란색 침전을 만든다는 점을 함께 기억해두면 정성분석에 유용하다.
할로겐화은 침전은 할로겐 이온 종류에 따라 색이 다르며, 염화은(AgCl)은 흰색 침전을 형성한다.
다음 물질의 같은 농도의 수용액중 가장 강한 산성을 나타내는 것은?
정답 ② · HCl은 수용액에서 100% 이온화하는 강산인 반면, H2CO3·H3PO4·CH3COOH는 부분적으로만 이온화하는 약산이다. 같은 농도에서 이온화도가 가장 큰 산이 가장 강한 산성을 나타내므로 정답은 HCl이다.
강산은 수용액에서 완전히 이온화되어 가장 강한 산성을 나타낸다.
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