개념 한 쪽
수질환경기사 화학평형의 개념 — 평형상수와 pH
화학평형은 정반응과 역반응이 같은 속도로 진행되는 상태이다. 평형상수 식을 변형해 특정 물질의 비율을 구하고, 약산의 수소이온 농도와 완충용액의 구성 원리를 이해한다. 평형식의 분자와 분모를 뒤집거나, 완충용액의 산과 염을 바꾼 선지가 함정으로 나온다.
이 개념을 문제로 확인하고 싶으면 이 개념 문제 10개 풀기 회원용
가입 없이 오늘의 10문제 바로 풀기 →
뜻
평형상수는 생성물과 반응물의 농도비로 정의된다. Cl2 + H2O ↔ HOCl + H+ + Cl- 반응에서 K = [HOCl][H+][Cl-]/[Cl2]이다. 자유염소와 차아염소산의 비율을 구할 때는 식을 [HOCl]/[Cl2] = K/([H+][Cl-])로 변형한다. pH 7이면 [H+]는 10^-7이고, 염소이온 농도가 커지면 같은 K에서 비율은 작아진다. 평형식에서 구하려는 항만 남기고 나머지를 옮기는 방향을 확인한다.
약산의 pH는 수소이온 농도 근사식으로 구한다. [H+] = √(Ka × C)이고, 초산의 Ka가 1.75×10^-5이며 농도가 0.1M이면 [H+]는 약 1.32×10^-3, pH는 약 2.9가 된다. 이온화도 α를 쓰면 Ka = Cα²/(1-α) 관계가 되며, 짝염기의 Kb는 Ka = Kw/Kb로 연결된다.
완충용액은 약산과 그 염, 또는 약염기와 그 염을 함께 녹인 용액이다. 인산 완충계에서는 H2PO4^-가 약산이고 HPO4^2-가 염이다. Na2HPO4는 약산의 염이지 약산 자체가 아니므로, '약산 Na2HPO4'라는 설명은 구성 성분을 잘못 짚은 것이다. 완충용액의 pH는 헨더슨-하셀바흐 식으로 계산한다.
강산과 강염기를 섞으면 중화가 일어나고, 중화 뒤의 pH는 남은 수소이온이나 수산화이온 농도로 결정된다. 염산 130mg이 녹아 있는 용액 1L에 1N 가성소다 3mL를 넣는 경우처럼 두 물질의 몰수를 비교해 남는 쪽을 먼저 찾는다.
예제
선지 판단은 평형상수 식의 분자·분모, 약산 pH 근사식의 적용, 완충용액의 산과 염 짝, 중화 후 남은 이온에서 갈린다. [HOCl]/[Cl2]를 K/([H+][Cl-]) 대신 K × [H+][Cl-]로 적으면 식 변형이 틀린다. 약산 pH에서 Ka와 C를 곱하지 않고 더하거나, 이온화도 식의 분모를 빠뜨린 선지도 성립하지 않는다. Na2HPO4를 약산으로 적거나 H2PO4^-와 HPO4^2-의 역할을 바꾸면 완충 구성이 어긋난다. 중화 뒤 남은 이온을 무시하고 pH를 항상 7로 적은 선지도 틀린다.
자주 묻는 물음
- 평형상수 식에서 자유염소와 차아염소산의 비율은 어떻게 구하나요?
- Cl2 + H2O ↔ HOCl + H+ + Cl-에서 K = [HOCl][H+][Cl-]/[Cl2]입니다. 이를 [HOCl]/[Cl2] = K/([H+][Cl-])로 변형해 구합니다. pH 7이면 [H+]는 10^-7이고, 염소이온 농도가 커지면 비율은 작아집니다.
- 약산의 pH와 이온화도는 어떤 식으로 계산하나요?
- [H+] = √(Ka × C)로 수소이온 농도를 구한 뒤 pH = -log[H+]로 계산합니다. 초산은 Ka 1.75×10^-5, 0.1M에서 pH가 약 2.9입니다. 이온화도 α를 쓰면 Ka = Cα²/(1-α)이고, 짝염기는 Ka = Kw/Kb로 연결됩니다.
- 완충용액은 어떤 성분으로 이루어지나요?
- 약산과 그 염, 또는 약염기와 그 염을 함께 녹인 용액입니다. 인산 완충계에서는 H2PO4^-가 약산이고 HPO4^2-가 염입니다. Na2HPO4는 약산의 염이지 약산 자체가 아니며, pH는 헨더슨-하셀바흐 식으로 계산합니다.
수질환경기사 풀이 세트에서 이 개념의 문제 10개를 바로 풀어 보세요.