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산소산

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목차

1. 개요

산소산은 수소, 산소와 중심 원자를 포함하는 분자 구조를 가진 산의 일종이다. 중심 원자의 전기 음성도와 산소 원자의 수에 따라 산의 세기가 결정되며, 같은 중심 원자일 경우 산소 원자 수가 많을수록, 산소 원자 수가 같을 경우 중심 원자의 전기 음성도가 클수록 산의 세기가 강해진다. 옥소산은 탈수 축합 반응을 통해 폴리옥소산이나 산 무수물을 생성하기도 하며, 폴링의 규칙을 통해 산성도를 추정할 수 있다. 붕산, 과염소산, 황산, 질산 등이 있으며, 라부아지에의 초기 이론과 달리 산소를 포함하지 않는 하이드로산도 존재한다.

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산소산
개요
정의산소 원자를 포함하는 산
특징산소 원자는 중심 원자에 결합되어 있고, 하나 이상의 수소 원자는 다른 산소 원자에 결합되어 있다.
명명법
일반적인 규칙산소산의 이름은 일반적으로 중심 원소의 이름에 접두사 및 접미사를 추가하여 생성된다.
접두사 및 접미사과 (per-): 산소 원자가 가장 많은 경우
아 ( -ic): 일반적인 산
아 ( -ous): 일반적인 산보다 산소 원자가 적은 경우
하이포 (hypo-): 산소 원자가 가장 적은 경우
예시과염소산 (perchloric acid, HClO₄)
염소산 (chloric acid, HClO₃)
아염소산 (chlorous acid, HClO₂)
하이포아염소산 (hypochlorous acid, HClO)
구조와 결합
일반적인 구조산소산은 일반적으로 중심 원자에 산소 원자가 결합되고, 그 산소 원자에 수소 원자가 결합된 구조를 가진다.
결합산소와 중심 원소 사이의 결합은 공유 결합이며, 산소와 수소 사이의 결합 또한 공유 결합이다.
반응성
산성도산소산은 수용액에서 수소 이온을 내놓아 산성을 나타낸다.
산화력산소산은 산화제로서 작용할 수 있으며, 특히 과산화물 형태의 산소산은 강력한 산화력을 가진다.
안정성산소산의 안정성은 중심 원자의 종류와 산소 원자의 수에 따라 달라진다.
종류
황산황산(H₂SO₄) - 강산이며 탈수 작용 및 산화 작용을 한다.
질산질산(HNO₃) - 강산이며 강력한 산화제이다.
인산인산(H₃PO₄) - 비료 및 세제 등에 사용된다.
탄산탄산(H₂CO₃) - 약산이며 음료 등에 사용된다.
아세트산아세트산(CH₃COOH) - 카복실산의 일종이며 식초의 주성분이다.
붕산붕산(H₃BO₃) - 약산이며 살균 및 방부 효과가 있다.
활용
산업비료, 세제, 플라스틱 등 다양한 산업 분야에서 사용된다.
의약의약품 제조 및 소독제 등으로 사용된다.
분석화학 분석 시약으로 사용된다.
위험성
부식성강산성 산소산은 부식성이 강하여 피부나 눈에 접촉 시 심각한 손상을 일으킬 수 있다.
산화성강력한 산화성을 가진 산소산은 가연성 물질과 접촉 시 화재나 폭발을 일으킬 수 있다.
독성일부 산소산은 독성을 가지고 있어 섭취 시 인체에 해로울 수 있다.

2. 이론

라부아지에의 초기 이론에 따르면, 모든 산은 산소를 포함하고 있다고 여겨졌다. 산소라는 이름도 그리스어 'ὀξύς'(oxys, 산, 날카로운)와 '-γενής'(-genes, 생성자)에서 유래했다. 그러나 이후 염산과 같이 산소를 포함하지 않는 산들이 발견되면서, 산은 산소산과 이원산으로 구분되었다.

모든 산소산은 산성 수소가 산소 원자에 결합되어 있다. 따라서 이원 비금속 수소화물과 달리 결합 강도(길이)는 산의 세기를 결정하는 요소가 아니다. 대신, 중심 원자(X)의 전기 음성도와 산소 원자의 수가 산소산의 산성도를 결정한다.

동일한 중심 원자를 가진 산소산의 경우, 중심 원자에 결합된 산소 원자의 수가 많을수록 산의 세기가 증가한다. 같은 수의 산소 원자가 결합된 경우에는 중심 원자의 전기 음성도가 증가함에 따라 산의 세기가 증가한다.

산소산은 탈양성자화된 형태의 염(옥소음이온)에 비해 일반적으로 덜 안정적이다. 많은 산소산은 가상의 물질로만 존재하거나 용액 상태로만 존재하며, 순수한 형태로 분리하기 어렵다. 이러한 이유에는 다음 세 가지가 있다.


  • 올리고머를 형성하기 위해 축합되거나(예: H₂CrO₄ → H₂Cr₂O₇), 무수물을 형성하기 위해 완전히 탈수될 수 있다(예: H₂CO₃ → CO₂).
  • 더 높거나 낮은 산화 상태의 화합물로 불균등화될 수 있다(예: HClO₂ → HClO 및 HClO₃).
  • 더 안정적인 호변 이성질체 형태로 존재할 수 있다(예: 아인산 P(OH)₃는 거의 완전히 인산 HP(=O)(OH)₂로 존재한다).


하지만 과염소산(HClO₄), 황산(H₂SO₄), 질산(HNO₃)과 같이 순수한 물질로 비교적 쉽게 제조되는 산소산도 존재한다.

이미드산은 산소산에서 =O를 =NR로 대체하여 생성된다.[2]

단핵 옥소산의 산성도 강도를 추정하는 경험 법칙으로 '''폴링의 규칙'''이 알려져 있다.

# 중심 원소 E의 옥소산의 화학식이 EOm(OH)n으로 표시될 경우, 산 해리 상수 ''Ka''는 다음 관계식으로 표시된다.

#: p''K''a = -log ''K''a ≈ 8 - 5''m''

# ''n''＞1인 산의 연속적인 산 해리의 p''K''a값은, 양성자 해리가 1회 발생할 때마다 5씩 증가한다.

하지만 이 규칙을 따르지 않는 산소산도 존재한다. 예를 들어 탄산의 추정값은 3이지만, 실제 측정값은 6.4이다. 이는 수용액에 녹아있는 이산화 탄소 중 극히 일부만 탄산이 되기 때문이다. 이를 고려하면 p''K''a값은 규칙대로 약 3.6이다.

:CO2 + H2O <=> H2CO3

:H2CO3 <=> H^+ + HCO3^-

또한, 아황산은 겉보기 p''K''a가 1.9로, 규칙을 따르는 듯 보이지만 실제로는 그렇지 않다. 이는 SO2 수용액 중에 아황산 분자가 검출되지 않고, 이황산 이온을 생성하는 등 복잡한 화학 평형을 이루기 때문이다.

:SO2 + H2O <=> H^+ + HSO3^-

:2HSO3^- <=> S2O5^2- + H2O

2. 1. 옥소산의 구조와 세기

단순한 옥소산의 하나인 탄산의 구조. 탄산은 휘발성 산이지만 옥소산이 휘발성 산인 것만은 아니며, 예를 들어 황산은 불휘발성 산으로 알려져 있다.


옥소산 분자는 X−O−H 구조를 포함하며, 여기서 다른 원자 또는 원자단이 중심 원자 X에 연결될 수 있다. 옥소산의 세기는 중심 원자(X)의 전기 음성도 및 O 원자의 수에 따라 달라진다.

같은 중심 원자 X를 갖는 경우, X에 결합된 산소 원자의 수가 증가함에 따라 산의 세기가 증가한다. 예를 들어 염소의 산소산에서 산의 세기는 다음과 같이 증가한다.

: HClO₄ > HClO₃ > HClO₂ > HClO

중심 원자에 결합한 전기음성적인 산소 원자가 많을수록 OH기로부터 전자를 강하게 끌어당겨 O-H 결합을 더 극성으로 만들기 때문이다.

같은 수의 산소 원자를 갖는 경우, 중심 원자의 전기 음성도가 증가함에 따라 산의 세기가 증가한다. 예를 들어, 중심 원자의 산화수가 +5로 같은 할로젠 원소의 산소산에서 산의 세기는 다음과 같이 증가한다.

: HClO₃ > HBrO₃

이는 염소가 브로민보다 전기음성도가 더 커서 O-H 결합의 극성을 더 강하게 만들기 때문이다.[2]

탈양성자화된 형태의 염과 비교하면, 옥소산은 일반적으로 덜 안정적이다. 많은 옥소산은 가상의 물질로만 존재하거나 용액에만 존재하며, 순수한 형태로 분리될 수 없다. 하지만 과염소산(HClO₄), 황산(H₂SO₄), 질산(HNO₃)은 순수한 물질로 비교적 쉽게 제조되는 몇 가지 흔한 산소산이다.

2. 2. 산-염기 반응

옥시산 분자는 X−O−H 구조를 가지며, 용액에서 다음과 같은 두 가지 방식으로 이온화될 수 있다.[3]

  • X−O−H ⇌ (X−O)− + H+
  • X−O−H ⇌ X+ + OH−


중심 원자 X가 강한 전기음성도를 가지면, 산소 원자의 전자를 강하게 끌어당겨 산소와 수소 사이의 결합이 약해진다. 이 경우, 위의 첫 번째 반응식처럼 쉽게 이온화되어 H+(양성자, 수소 이온)를 방출하므로 산으로 작용한다. 예를 들어, 질소, 황, 염소는 강한 전기음성도를 가지는 원소이므로, 질산, 황산, 과염소산은 강산이다.[3]

반대로, X의 전기음성도가 낮으면, 두 번째 반응식에 따라 이온화되어 XOH는 알칼리성 수산화물이 된다. 수산화 나트륨(NaOH) 및 수산화 칼슘(Ca(OH)2)이 그 예시이다.[3] 그러나 산소의 높은 전기음성도로 인해, 수산화 나트륨과 같은 일반적인 옥소염기는 물에서는 강한 염기성을 띠지만, 다른 염기에 비해서는 중간 정도의 염기성을 띤다. 예를 들어 수산화 나트륨의 짝산인 물의 pKa는 14.0인 반면, 아미드 나트륨(NaNH2)의 짝산인 암모니아의 pKa는 40에 더 가깝기 때문에, 수산화 나트륨은 아미드 나트륨보다 훨씬 약한 염기이다.[3]

X의 전기음성도가 중간 정도라면, 그 화합물은 양쪽성일 수 있다. 이 경우 염기와 반응할 때는 첫 번째 반응식으로, 산과 반응할 때는 두 번째 반응식으로 이온화된다. 에탄올과 같은 지방족 알코올이 이에 해당한다.[3]

3. 명명법

IUPAC 명명법에 따르면, 산소산의 이름은 중심 원자의 산화수와 산소 원자의 수에 따라 결정된다. 같은 원소가 여러 산소산을 형성할 때, 산소 원자 수에 따라 접미사 '-ic' (많음) 또는 '-ous' (적음)를 사용한다. 예를 들어, 황산(H₂SO₄)과 아황산(H₂SO₃)이 있다.[8]

염소처럼 4개의 산소산을 가지는 경우, 접두사 'per-'(가장 많음)와 'hypo-'(가장 적음)를 추가하여 구별한다.[8]



산소산에서 파생된 음이온 및 염의 이름은 접미사 '-ite'(산 이름이 '-ous'로 끝나는 경우) 또는 '-ate'(산 이름이 '-ic'로 끝나는 경우)를 사용한다.[8]

족중심 원자산화수화학식이름음이온음이온 이름
6크로뮴(Chromium)+6H₂CrO₄크로뮴산CrO₄²⁻크로뮴산염
H₂CrO₇중크로뮴산Cr₂O₇²⁻중크로뮴산염
7망가니즈(Manganese)+7HMnO₄과망가니즈산MnO₄⁻과망가니즈산염
+6H₂MnO₄망가니즈산MnO₄²⁻망가니즈산염
8철(Iron)+6H₂FeO₄Ferric acidFeO₄²⁻Ferrate
루테늄(Ruthenium)+6H₂RuO₄루테늄산RuO₄²⁻루테늄산염
+7HRuO₄과루테늄산RuO₄⁻과루테늄산염
+8H₂RuO₅Hyperruthenic acidHRuO₅⁻Hyperruthenate
13붕소(Boron)+3H₃BO₃붕산BO₃³⁻붕산염
(HBO₂)nMetaboric acidBO₂⁻Metaborate
14탄소(Carbon)+4H₂CO₃탄산CO₃²⁻탄산염
규소(Silicon)+4H₄SiO₄규산SiO₄⁴⁻규산염
H₂SiO₃Metasilicic acidSiO₃²⁻Metasilicate
14,15탄소, 질소(Carbon, Nitrogen)+4,-3HOCN시안산OCN⁻시안산염
15질소(Nitrogen)+5HNO₃질산NO₃⁻질산염
HNO₄Peroxynitric acidNO₄⁻Peroxynitrate
H₃NO₄Orthonitric acidNO₄³⁻Orthonitrate
+3HNO₂아질산NO₂⁻아질산염
+2HOONO과산화질소산OONO⁻과산화질소산염
+2H₂NO₂Nitroxylic acidNO₂²⁻Nitroylate
+1H₂N₂O₂하이포아질산N₂O₂²⁻Hyponitratrite
인(Phosphorus)+5H₃PO₄인산PO₄³⁻인산염


4. 옥소산의 종류

옥소산과 해당 음이온
족원소(중심 원자)산화 상태산 화학식산 이름[8][9]음이온 화학식음이온 이름
6크롬+6크롬산크로메이트
이크롬산다이크로메이트
7망가니즈+7과망간산과망간산염
+6망간산망간산염
테크네튬+7과테크네튬산과테크네튬산염
+6테크네튬산테크네튬산염
레늄+7과레늄산과레늄산염
+6테트라옥소레늄(VI)산레늄산(VI)
+5트라이옥소레늄(V)산트라이옥소레늄(V)산염
테트라옥소레늄(V)산테트라옥소레늄(V)산염
헵타옥소디레늄(V)산디레늄산염(V)
8철+6H2FeO4철산FeO42–페르산염
루테늄+6H2RuO4루테늄산RuO42–루테늄산염
+7HRuO4과루테늄산RuO4–과루테늄산염 (오스뮴과 비교하여 사용법의 차이 참고)
+8H2RuO5과루테늄산HRuO5–과루테늄산염[11]
오스뮴+6H6OsO6오스뮴산H4OsO62–오스뮴산염
+8H4OsO6과오스뮴산H2OsO62–과오스뮴산염 (루테늄과 비교하여 사용법의 차이 참고)
13붕소+3붕산
(구 오르토붕산)[10]		붕산염
(구 오르토붕산염)
메타붕산메타붕산염
14탄소+4탄산탄산염
규소+4규산
(구 오르토규산)[10]		규산염 (구 오르토규산염)
메타규산메타규산염
14, 15탄소, 질소+4, −3HOCN시안산시안산염
15질소+5질산질산염
과산질산과산질산염
오르토질산오르토질산염
+3아질산아질산염
HOONO과산아질산과산아질산염
+2니트로실산니트로실산염
+1하이포아질산하이포아질산염
인+5인산
(구 오르토인산)[10]		인산염
(오르토인산염)
메타인산메타인산염
피로인산
(이인산)		피로인산염
(이인산염)
과산단인산과산단인산염
+5, +3다이인산(III,V)산다이인산염(III,V)
+4차인산
(다이인산(IV)산)		차인산염
(다이인산염(IV))
+3포스폰산포스포네이트
다이포스폰산다이포스포네이트
+1포스핀산 (차인산)포스피네이트 (차아인산염)
비소+5비산비산염
+3아비산아비산염
16황+6황산황산염
다이황산다이황산염
과황산과황산염
과이황산과이황산염
+5다이티온산다이티오네이트
+5, 0폴리티온산
(x = 3, 4...)		폴리티온산염
+4아황산아황산염
다이아황산다이아황산염
+4, 0티오황산티오황산염
+3다이티온산다이티오나이트
+3, −1티오아황산티오아황산염
+2설폭실산 (차아황산)설폭실산염 (차아황산염)
+1디히드록시이황산디설파네디올레이트[12]
0설펜산설피나이트
셀레늄+6셀렌산셀렌산염
+4아셀렌산아셀렌산염
텔루륨+6텔루르산텔루르산염
오르토텔루르산오르토텔루르산염
+4아텔루르산아텔루르산염
17염소+7과염소산과염소산염
+5염소산염소산염
+3아염소산아염소산염
+1HClO차아염소산차아염소산염
브로민+7과브로민산과브로민산염
+5브로민산브로민산염
+3아브로민산아브로민산염
+1HBrO차아브로민산차아브로민산염
아이오딘+7과요오드산과요오드산염
오르토과요오드산오르토과요오드산염
+5요오드산요오드산염
+1HIO차아아이오드산차아아이오드산염
18제논+6H2XeO4크세논산HXeO4–수소크세네이트 (이염기성 크세네이트는 알려져 있지 않음)
+8H4XeO6과제논산XeO64–과제논산염

5. 탈수 축합

옥소산이 탈수 축합 반응을 통해 폴리옥소산(예: 이인산, 삼인산)을 생성하는 경우가 있다. 산 무수물도 옥소산의 탈수 축합 생성물에 해당한다. 전이 금속 원소의 옥소산은 금속 옥소산(폴리산)이라고 부른다.[2]

6. 폴링의 규칙

'''폴링의 규칙'''(Pauling's rules)은 단핵 옥소산의 산성도 강도를 추정하는 두 가지 경험 법칙이다.

# 중심 원소 E의 옥소산의 화학식이 EOm(OH)n일 때, 산 해리 상수 ''Ka''는 다음 관계식으로 표시된다.

#:: p''Ka'' = -log ''Ka'' ≈ 8 - 5m

# n>1인 산의 연속적인 산 해리의 p''Ka''값은 양성자 해리가 1회 발생할 때마다 5씩 증가한다.

단, 이 규칙을 따르지 않는 옥소산도 존재한다. 예를 들어 탄산의 추정값은 3이지만, 실측값은 6.4이다. 이는 수용액에 녹아있는 이산화 탄소 중 극히 일부만 탄산이 되기 때문이다. 이를 고려하면 p''Ka''값은 규칙대로 약 3.6이다.

: CO2 + H2O <=> H2CO3

: H2CO3 <=> H^+ + HCO3^-

또한, 아황산은 겉보기 p''Ka''가 1.9로, 언뜻 규칙을 따르는 듯한 값을 보인다. 그러나 실제로는 규칙을 따른다고 할 수 없다. 이는 SO2 수용액 중에 아황산 분자가 검출되지 않고, 더 나아가 이황산 이온을 생성하는 등 복잡한 화학 평형을 가지고 있기 때문이다.

: SO2 + H2O <=> H^+ + HSO3^-

: 2HSO3^- <=> S2O5^2- + H2O

참조

[1] 서적 IUPAC Compendium of Chemical Terminology http://goldbook.iupa[...] IUPAC
[2] 서적 IUPAC Compendium of Chemical Terminology http://goldbook.iupa[...] IUPAC
[3] 서적 Kemia
[4] 서적 Otavan iso Fokus, Part 2 (El-Io) Otava
[5] 문서 Otavan suuri Ensyklopedia
[6] 문서 Otavan suuri Ensyklopedia
[7] 문서 Red Book 2005
[8] 서적 Kemia
[9] 문서 Red Book 2005
[10] 문서 Red Book 2005
[11] 서적 Encyclopedia of electrochemical power sources Academic Press 2009
[12] 웹사이트 CSID:7827570 {{!}} O2S2 {{!}} ChemSpider https://www.chemspid[...] 2023-01-01
[13] 웹사이트 IUPAC Gold Book - oxoacids http://goldbook.iupa[...]
[14] 문서 中心金属イオンに配位した水分子が、プロトンを供与できる化合物。例：ヘキサアクア鉄(III)イオン
[15] 문서 隣接するオキソ基が存在せず、ヒドロキシ基がプロトンを供与できる化合物。例：[[ケイ酸|オルトケイ酸]] (H4SiO4)


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