개념 한 쪽
수소이온농도 세트는 pH와 농도의 환산, 그리고 산·염기의 정의를 함께 묻는다. pH 2와 4의 농도 차, 약산의 이온화도 계산, 우유처럼 소수점이 붙은 pH의 농도, 수소이온농도가 가장 높은 용액, 물이 산으로 작용하는 반응, pH에서 수산이온농도를 구하는 계산, 산의 정의, 중화 뒤 남은 수소이온으로 pH 구하기, 같은 농도에서 가장 약한 산 찾기가 한 묶음으로 나온다.
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출제기준 단원 「수소이온농도」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 산성 세기 비교 | 1 | 수소 이온 농도 값으로 산성이 가장 강한 것 고르기 |
| 물의 산·염기 역할 판정 | 1 | 양성자 주고받는 반응에서 물의 역할 고르기 |
| pH 차와 농도 배수 계산 | 1 | pH 차이로 수소 이온 농도의 배수 구하기 |
pH는 수소이온농도의 음의 상용로그다. pH = −log[H⁺]이고 거꾸로 풀면 [H⁺] = 10^(−pH)다. pH가 낮을수록 수소이온농도가 높아 산성이 강하다. 로그 눈금이므로 pH가 1 낮아질 때마다 농도는 10배가 되고, pH 2는 pH 4보다 100배 진한 산이다. 수소이온농도가 가장 강한 산을 고르는 문제는 pH가 아니라 [H⁺] 값을 직접 비교한다.
pH와 pOH는 합이 14다. pH 10.7이면 pOH는 3.3이고, [OH⁻] = 10^(−3.3) = 10^(−4) × 10^(0.7) ≈ 5×10⁻⁴M이다. log 2 = 0.3 같은 로그 상수를 주면 10^(0.7) ≈ 5처럼 계수를 빠르게 잡는다.
약산은 완전히 이온화되지 않으므로 농도에 이온화도를 곱한다. 0.1M 아세트산의 이온화도가 1%면 [H⁺] = 0.1 × 0.01 = 0.001M이다. 같은 0.1M 수용액에서 가장 약한 산성을 나타내는 것은 해리가 가장 적은 약산이다. 강산은 물에서 완전히 해리되어 수소이온농도가 높다.
중화 계산은 남은 수소이온을 센다. 0.1N 염산 100mL에는 0.01mol의 수소이온이 있고, 수산화나트륨 0.32g은 40으로 나눈 0.008mol이므로 0.002mol이 남는다. 전체를 1L로 만들면 [H⁺] = 0.002M이고 pH는 약 2.7이다.
산·염기의 정의도 함께 나온다. 브뢴스테드-로우리 이론에서 산은 양성자를 내어주는 물질이고, 염기는 양성자를 받거나 비공유 전자쌍을 제공하는 물질이다. 물이 아세테이트 이온에 양성자를 주면 물이 산으로 작용한다. 산을 「비공유 전자쌍을 제공하는 물질」로 적은 설명은 염기의 정의를 가져다 붙인 것이다.
출제 패턴은 네 가지다. ① pH 차이를 배수로 — 차이 n에 대해 10ⁿ 배이며, 차이를 그대로 쓰거나 역수로 뒤집은 선지가 오답이다. ② pH→농도 — 10^(−pH)에 넣고 소수부를 로그 상수로 풀어 계수를 고른다. ③ pOH — pH와 pOH의 합이 14라는 관계를 먼저 쓴다. ④ 정의·중화 — 산은 양성자 제공, 염기는 양성자 수용 또는 전자쌍 제공이며, 중화 뒤에는 남은 수소이온으로 pH를 구한다.
다음 중에서 산성이 가장 강한 것은?
정답 ① · 주어진 조건 중에서 가장 강한 산성 즉 수소 이온 농도가 가장 높거나 피에이치 수치가 가장 낮은 것을 찾는 문제이다. 1번의 수소 이온 농도는 리터당 2 곱하기 10의 마이너스 3승 몰이므로 피에이치를 계산하면 약 2.7이다.
수소 이온 농도 [H+]가 높을수록 산성이 강하므로 2×10⁻³몰/L가 가장 강합니다.
다음중 물이 산으로 작용하는 반응은 ?
정답 ③ · 브뢴스테드-로우리의 산염기 이론에 따르면 산은 양성자(H+)를 내어주는 물질, 염기는 양성자를 받는 물질입니다. 3번 반응에서 아세트산 이온(CH3COO-)은 물(H2O)로부터 양성자를 받아 아세트산(CH3COOH)이 되므로 염기로 작용하고, 반대로 물은 양성자를 내어주는 산으로 작용하게 됩니다.
브뢴스테드-로우리 이론에서 물이 양성자를 내어주면 산이 되며, 아세테이트 이온이 이를 받아들이는 것이 정답입니다.
pH가 2 인 용액은 pH가 4인 용액의 수소이온농도와 비교하여 몇 배의 용액이 되는가?
정답 ① · pH가 2인 용액이 pH가 4인 용액보다 수소이온농도가 몇 배인지 계산하는 문제이다. pH는 수소이온농도의 음의 로그, 즉 pH = -log[H+]이므로 [H+] = 10^(-pH)이다.
pH는 수소이온농도의 음의 로그이므로 pH가 2 낮아질수록 수소이온농도는 10배씩 증가하여 pH 2는 pH 4보다 100배 농도가 높다.
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