chem handout 5 - Chap. 10 산과 염기 1. 평형과...

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Unformatted text preview: Chap. 10 산과 염기 1. 평형과 평형상수 평형 - 화학반응이 평형에 도달했다는 것은 겉으로 보기에 더 이상 반응이 진행되고 있 지 않는 상태이나 정지된 상태라고 볼 수는 없다. 즉 정반응과 역반응의 속도가 일치하는 지점으로 이를 동적 평형(dynamic equilibrium)이라 한다. 평형상수 - 평형에서 반응물과 생성물간의 양적 관계를 표현한 것으로 분모의 항에 반응 물의 농도(M) 또는 압력(atm)을 분자의 항에 생성물의 농도(M) 또는 압력(atm)을 나타낸 다. 단, 반응식에서 화학종 앞의 계수는 농도의 지수 항에 나타낸다. 주의) 기체 반응 -> 농도의 항을 압력단위를 사용하든 몰농도 단위를 사용하든 관계없 다. 예) aA(g) + bB(g) ⇄ cC(g) c a b Kp = PC /(PA x PB ) c a b 또는 Kc = [C] /[A] [B] Kp = Kc(RT)Δng 수용액 반응 -> 농도의 항을 몰농도 단위를 사용한다. 예) aA(aq) + bB(aq) ⇄ cC(aq) K = [C]c/[A]a[B]b 불균일 평형 -> 기체는 압력으로 수용액은 몰농도를 사용하며 순수액체나 고체는 평형상수에 나타내지 않는다. 예) aA(ℓ) + bB(aq) ⇄ cC(aq) + dD(g) K = [C]c x PDd/[B]b 단, 평형상수는 단위가 없다. 2. 산과 염기 1) 산-염기의 정의 ①Arrhenius의 산염기 : 수용액에서 수소이온(H+)을 방출하면 산, 수산기 이온(OH-)을 방출하면 염기라 한다. ②Bronsted-Lowry의 산염기 : 물이 아닌 용액에서도 산-염기의 정의가 가능하며 수소이 온을 잃어버리면 산, 얻으면 염기라 한다. ③Lewis 산염기: 비공유 전자쌍을 수용할 수 있는 화학종을 산, 제공할 수 있으면 염기 라 한다. 2) 산과 염기의 종류 강산 : HI, HBr, HCl, HClO4, H2SO4, HNO3 약산 : ①이성분 원소로 이루어진 산 -> HF, H2S ②산소산 -> 강산을 제외한 산(산소수가 적은 것: HNO2, H2SO3, HClO3, HClO2, HClO), 또는 H2CO3, H3PO4, 유기산(RCOOH) ③약한 염기의 짝(짝산) 강염기 : 1족, 2족의 Ca이하의 양이온과 수산기가 결합된 염 약염기 : ①강염기를 제외한 수산화물 ②NH3 그리고 질소를 포함하는 유기염기(RNH2) ③약한 산의 짝(짝염기) 2) 물의 성질 + - ① 평형 -> H2O(ℓ) + H2O(ℓ) ⇄ H3O (aq) + OH (aq) K w = [ H 3 O + ][OH - ] = [H + ][OH - ] = 10-14 ② 양 쪽성 용매(amphiprotic solvent) -> 물은 산으로도 염기로도 작용하는 양쪽성 용매 이다. ③ 물의 pH는 7이다. (pH = -log[H+]) ④ 물은 평준화 효과(leveling effect)가 있다. 강산은 물이 아닌 순수한 물질일 경우 산 + 의 세기가 다 다르지만 물에서는 모두 H3O 의 형태로만 존재하므로 산의 세기가 모두 같아 진다. 또한 강염기도 물이 아닌 순수한 물질일 경우 수산기 이온(OH-)을 내놓는 정도가 다 르지만 물에서는 모두 OH-의 형태로만 존재하므로 염기의 세기는 모두 같아진다. 3) 강산과 강염기의 pH + 강산과 강염기의 pH는 자신의 농도가 수용액의 수소이온 농도([H ]), 수산기이온 농도 ([OH-])를 결정한다. 예) 0.1M HCl의 pH? pH = -log0.1 = 1 - + 0.1M NaOH의 pH? [OH ] = 0.1 -14 Kw = [H ] x 0.1 = 10 [H+] = 10-13 pH = -log10-13 = 13 4) 약한산의 평형 ①평형상수 Ka(이온화 상수 또는 산 평형상수, ionization constant) HA(aq) ⇄ H+(aq) + A-(aq) Ka = [H+][A-]/[HA] 약한 산은 약 전해질로 수용액에서 극히 일부만 이온화되는 현상이 있다. 그러므로 평형 의 문제를 고려해야만 수소이온 농도를 알 수 있다. 초기농도와 평형상수 값(문헌 값)으로부 터 수소이온 농도를 구한다. 예) 0.1M CH3COOH의 pH? (Ka = 1.8 x 10-5) + - CH3COOH(aq) ⇄ H (aq) + CH3COO (aq) Co ΔC Ceq 0.1 -x 0.1 - x 0 0 +x +x x x -5 1.8 x 10 2 = x /(0.1 - x) 근사법(Approximation): 변화량이 초기농도에 비에 매우 작다고 가정한 후 평형농도를 푼다. 처음에 세운 가정이 옳은지를 확인하여 평형농도를 결정한다. 0.1 - x = 0.1 이라면 x2 = 1.8 x 10-5 x = [H+] = 4.2 x 10-3 -3 pH = -log(4.2 x 10 ) = 2.38 ②Ka 는 산의 세기와 관련이 있는 정보이다. 즉 Ka 값이 클수록 분자의 항이 크고 수소 이온 농도는 커지므로 산의 세기는 증가한다. 산의 세기는 분자구조의 정보로부터 상대적으 로 비교될 수 있다. 평형상수의 크기는 수소이온을 잘 내놓기 위한 곁사슬의 요소(수소원자 와의 결합전자를 수소의 반대쪽으로 치우치게 하는 요소)를 찾아내는 데 사용되어 진다.(표 13.2 -> p476) ③이온화 백분율: 약한산의 이온화의 정도는 이온화도(αH) 또는 이온화 백분율(%αH)로 도 나타낸다. αH = [H+]/Co 5 ) 약한 염기의 평형 ①평형상수 Kb(염기 가수분해 상수, base hydrolysis constant) - 약한 염기는 물을 가수분해하면서 수용액에서 OH 을 극히 일부 방출하여 평형에 도달한 다. A- + H2O ⇄ HA + OH- Kb = [HA][OH-]/[A-] ②평형농도 : 약한 염기의 초기농도와 Kb로부터 평형농도를 구할 수 있다. A- + H2O ⇄ HA + OHCo ΔC 0.1 0 -x Ceq +x 0.1 - x 0 +x x x 2 Kb = x /(0.1 - x) 근사법을 사용하면 간단히 미지수를 해결할 수 있다. x = [OH-]= √(0.1 x Kb) + - [H ] = Kw/[OH ] ③Kb는 염기의 세기와 관련이 있는 자료이다. Kb 값이 클수록 분자의 항이 크고 수산기 이온 농도는 증가한다. 그러므로 수소이온 농도는 감소하며 pH는 증가하게 된다. 염기의 세 기는 비공유 전자쌍을 주고싶어 하는 Lewis 염기의 기준으로 비교하는 것이 용이하며 이 때 주변 곁사슬이 전자를 밀어주는 효과로 작용하면 비공유 전자쌍을 주고싶어하는 효과가 커지며 염기의 세기는 상대적으로 크다고 볼 수 있다. 즉, 비공유 전자쌍을 주고싶어하는 곁 사슬의 요소를 찾아낼 수 있다. 6 ) Ka 와 Kb Ka x Kb = Kw 약 한 산의 짝은 약한 염기이며 그 기준은 수용액에서 적용된다. 수용액에서는 물이 가장 약한 산이자 약한 염기이다. 물에서 가장 센 산의 형태는 H3O+(또는 H+)이며 가장 센 염기 - + - 는 OH 이다. 그러므로 약한 산의 영역은 물과 H3O 사이의 화학종이고 약한 염기는 OH 와 물 사이의 화학종 들이며 이들은 서로 짝인 관계에 있다.(표13.4 -> p488) 3. 완충용액(Buffer) 1) 완충용액 완충용액은 약산과 그것의 짝염기를 혼합하여 만들며(산과 염기의 반응 결과 약산과 짝염 기 또는 약염기와 짝산이 공존해 있어도 완충효과가 있다.) 외부에서 강산이나 강염기가 첨 가되어도 pH 변화가 거의 일어나지 않는다. 이유: HA + OH- -> A- + H2O A- + H+ -> HA 강염기는 완충용액의 약한 산과 반응하여 약한 염기로 바뀌고 강산은 짝 염기와 반응하여 약한 산으로 바뀐다. 즉, 약한 산과 약한 염기가 내놓는 수소 이온과 수산기 이온은 극히 일 부이므로 pH에 영향을 미치치 않는다. 2) 완충용액의 pH + HA ⇆ H + A - 약산의 평형에 짝염기를 함께 넣은 용액이므로 약산의 평형상수 관계식으로부터 수소이온 농도를 알아낼 수 있다. 또한 [HA]o = [HA]eq 이고 [A-]o = [A-]eq 이므로 평형상수 값과 함 께 초기농도를 그대로 대입하여 미지수인 수소이온 농도를 계산하면 된다. Ka = [H+][A-]o/[HA]o 또는 pH = pK a + l og([A - ] o /[HA] o ) -> Henderson-Hasselbalch eq. 3) 완충용량 pH = pKa에서 완충용량은 최대이다. 완충영역은 pH = pKa ± 1 이다. 4) 완충계의 선택 만들고자 하는 완충용액의 pH와 거의 일치하는 pKa값을 갖는 산과 짝염기를 혼합하여 제조한다. 약산과 짝염기의 양을 조절하여 pKa를 기준으로 ±1 범위까지 완충용액을 제조할 수 있다. 4 . 산 - 염기 적정(Titration) 적정: 농도를 정확히 알고있는 용액(표준용액)으로 농도를 모르는 분석물질의 을 결정 하는 방법이다. 부피분석법(volumetric analysis)이라고도 한다. 적정은 반응성이 큰 경우 (100% 반응이고 빨리 완결되어야 함)이어야 하며 K값으로 알 수 있다. 반응 완결지점은 pH meter나 지시약을 이용할 수 있다. 적정곡선(Titration curve): 표준용액에 대한 pH 변화곡선 -> 적정곡선 그리기(산-염기의 화학양론) 적정곡선으로부터 알 수 있는 정보들 1) 강산과 강염기의 적정 ①강산과 강염기의 당량점의 pH는 언제나 7이다. -> 수소 이온과 수산기 이온이 1 : 1 반응하는 지점에서 물만 존재한다. ②지시약을 선택할 수 있다. 지시약의 선택: 당량점의 pH와 지시약의 pKa가 거의 일치하는 것을 선택한다. -> 이유: 지시약의 pH = pKa + log[Ind-]/[Hind] - [Hind] : [Ind ] = 10 : 1 인 경우 산성의 색 [Hind] : [Ind-] = 1 : 10 인 경우 염기성의 색을 볼 수 있다. 그러므로 pH = pKa ±1 인 범위에서 색변화를 일으킨다. 지시약의 색변화 지점 -> 종말점(end point) 산과 염기가 1:1 당량비로 반응하는 지점 -> 당량점(equivalent point) -> 지시약은 pKa를 기준으로 ±1범위에서 색변화를 하므로 jump가 일어나는 부분에 색변 화 범위가 포함되어야 한다. 가장 적절한 지시약은 pKa가 7인 bromthymol blue(BB)이나 jump의 폭이 크기 때문에 methyl red(MR)나 phenolphthalein(PP)도 가능하다. ③강산과 강염기의 반응 완결지점의 화학양론을 다룰 수 있다. -> 분석물질의 양을 결정할 수 있음 2) 약산과 강염기의 적정 ①약산과 강염기의 당량점의 pH는 7보다 항상 크다. -> 반응 완결점에서 약산의 짝인 약한 염기만 존재하기 때문이다. ②지시약을 선택할 수 있다. -> 산과 염기가 1:1의 당량비로 반응하는 지점의 pH가 7보 다 크므로 지시약의 pKa가 7보다 큰 것을 선택한다. PP와 같은 지시약의 pKa가 9이므로 종 말점을 용이하게 확인할 수 있다. ③pH jump가 일어나는 부분이 반응완결지점이므로 이 점에서 분석물질의 양을 알 수 있 다.(약산과 강염기의 화학양론) ④완충영역의 pH가 pKa ± 1인 것을 확인할 수 있고 pH = pKa가 완충효과가 최대임을 알 수 있다. ⑤약한 산일 수록 initial curve가 올라간다. -> 약산일수록 Ka값 작으며 pKa는 커지므로 initial curve가 높아진다. 3) 약염기와 강산의 적정 ①약염기과 강산의 당량점의 pH는 7보다 항상 작다. -> 반응 완결점에서 약염기의 짝인 약한 산만 존재하기 때문이다. ②지시약을 선택할 수 있다. -> 산과 염기가 1:1의 당량비로 반응하는 지점의 pH가 7보 다 작으므로 지시약의 pKa가 7보다 작은 것을 선택한다. MR 또는 MO(methyl orange)와 같은 지시약의 pKa가 각각 5와 4이므로 종말점을 용이하게 확인할 수 있다. ③pH jump가 일어나는 부분이 반응완결지점이므로 이 점에서 분석물질의 양을 알 수 있 다.(약염기와 강산의 화학양론) ④완충영역의 pH가 pKa ± 1인 것을 확인할 수 있고 pH = pKa가 완충효과가 최대임을 알 수 있다. ⑤약한 염기일 수록 initial curve가 내려간다. -> 약한 염기일수록 Kb는 감소하고 pKb는 증가하며 pKa는 감소하므로 initial curve가 낮아진다. ...
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This note was uploaded on 11/06/2011 for the course ECON 111 taught by Professor Dkw during the Spring '11 term at University of Utah.

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