산 (화학)

3. 화학적 성질

산(AH)이 물에 녹으면 다음과 같이 이온화한다.

:{AH} + {H2O} <=> {A^-} + H3O+

이 반응의 평형 상태는 산 해리 상수(Ka)로 나타낸다.

:$K\_a\; =\; \backslash ce\{[A^-]\backslash cdot[H3O+]\; \backslash over\; [AH]\}$

염산(HCl)과 같이 K_a 값이 큰 산을 강산이라고 하며, 아세트산(CH₃COOH)과 같이 K_a 값이 작은 산을 약산이라고 한다.^[4] 예를 들어 염산(HCl)의 K_a값은 10⁷이고, 아세트산의 K_a값은 1.8 × 10^-5이다.

1884년, 스반테 아레니우스(Svante Arrhenius)는 산의 성질이 수소 이온(H⁺) 때문이라고 설명했는데, 이는 나중에 양성자 또는 히드로늄으로 묘사되었다. '''아레니우스 산'''은 물에 녹아 H⁺ 이온 농도를 증가시키는 물질이다.^[18] 화학자들은 산-염기 반응을 설명할 때 H⁺(aq)를 써서 수소 이온을 언급하지만, 자유 수소 핵인 양성자는 물 속에 단독으로 존재하지 않고, '''히드로늄 이온'''(H₃O⁺) 또는 다른 형태(H₅O₂⁺, H₉O₄⁺)로 존재한다. 따라서 아레니우스 산은 물에 첨가되었을 때 히드로늄 이온의 농도를 증가시키는 물질로도 설명할 수 있다.

아레니우스 염기는 물에 녹았을 때 수산화물(OH⁻) 이온의 농도를 증가시키는 물질이다. 이것은 이온들이 반응하여 H₂O 분자를 형성하기 때문에 히드로늄 농도를 감소시킨다.

:H₃O + OH ⇌ H₂O_(liq) + H₂O_(liq)

이 평형으로 인해 히드로늄 농도의 증가는 수산화물 농도의 감소를 수반한다. 따라서 아레니우스 산은 수산화물 농도를 감소시키는 물질이라고 할 수도 있으며, 아레니우스 염기는 그것을 증가시킨다.

산성 용액에서는 히드로늄 이온의 농도가 10⁻⁷ 몰/리터보다 크다. pH는 히드로늄 이온 농도의 음의 로그로 정의되므로, 산성 용액의 pH는 7보다 작다.

산의 반응은 종종 로 일반화되는데, 여기서 HA는 산을, A⁻는 공액 염기를 나타낸다. 이 반응을 '''프로토리시스'''라고 한다. 산의 양성자화된 형태(HA)는 때때로 '''유리산'''이라고도 한다.^[5]

산-염기 공액 쌍은 양성자 하나 차이가 나며, 양성자의 첨가 또는 제거(각각 양성자화 및 탈양성자화)를 통해 상호 변환될 수 있다. 용액에는 산과 그 공액 염기 사이에 평형이 존재한다. 평형 상수 ''K''는 용액 내 분자 또는 이온의 평형 농도를 나타내는 식이다. 산 해리 상수 ''K''_a는 일반적으로 산-염기 반응의 맥락에서 사용된다. ''K''_a의 수치는 반응물이 산(HA)이고 생성물이 공액 염기와 H⁺일 때, 생성물 농도의 곱(곱셈)을 반응물 농도로 나눈 값과 같다.

:$K\_a\; =\; \backslash frac\backslash ce\{[H+]\; [A^\{-\}]\}\backslash ce\{[HA]\}$

두 산 중 더 강한 산은 더 약한 산보다 ''K''_a가 더 높다. 더 강한 산은 양성자를 잃는 경향이 더 크기 때문에, 더 강한 산의 경우 수소 이온 대 산의 비율이 더 높다. ''K''_a의 가능한 값의 범위는 여러 자릿수에 걸쳐 있기 때문에, p''K''_a = −log₁₀ ''K''_a인 더 다루기 쉬운 상수 p''K''_a가 더 자주 사용된다. 더 강한 산은 더 약한 산보다 p''K''_a가 더 작다.

아레니우스 산은 음이온의 이름에 따라 명명된다. 고전적인 명명법에서는 이온 접미사를 제거하고 다음 표에 따라 새로운 접미사로 바꾼다. 산이 수소와 다른 원소 하나로만 구성된 경우 접두사 "하이드로-"를 사용한다. 예를 들어, HCl은 음이온으로 염화물을 가지므로 하이드로- 접두사를 사용하고 -화 접미사를 사용하여 이름을 염산(염산)이라고 한다.

''고전적 명명법:''

IUPAC 명명법에서는 이온 화합물의 이름에 "수용액"을 추가하기만 하면 된다. 따라서 염화수소의 경우 산성 용액으로서 IUPAC 이름은 수용액 염화수소이다.

약산과 그 짝염기의 염 용액은 완충 용액을 형성한다.

4. 산의 세기

산의 세기는 양성자를 잃는 능력 또는 경향을 말한다. 강산은 물에서 완전히 해리되는 반면, 약산은 부분적으로만 해리된다. 강산의 예로는 염산(HCl), 요오드화수소산(HI), 브롬화수소산(HBr), 과염소산(HClO₄), 질산(HNO₃), 황산(H₂SO₄)이 있다. 이들은 물에서 거의 100% 이온화된다.^[4] 산이 강할수록 양성자(H⁺)를 잃기 쉽다.

강산은 약산보다 더 큰 산 해리 상수(''K''_a)와 더 작은 p''K''_a를 갖는다. 예를 들어 염산(HCl)의 ''K''_a값은 10⁷이다. 반대로 약산은 작은 값을 가지는데, 아세트산의 ''K''_a값은 1.8 × 10^-5이다.

술폰산은 유기 옥시산의 한 종류로, 강산에 속한다. 일반적인 예로는 톨루엔술폰산(토실산)이 있다. 황산 자체와 달리 술폰산은 고체일 수 있다.

초강산은 100% 황산보다 강한 산이다. 초강산의 예로는 플루오로안티몬산, 매직산, 과염소산이 있다.

5. 염기도

산 1분자에 포함된 수소 원자 중 금속 원자로 치환될 수 있는 수소 원자의 수를 그 산의 염기도라고 하며, 염기도가 2 이상인 산을 다염기산이라고 한다.^[11] 일염기산은 중화 반응에서 분자 하나당 하나의 양성자를 방출한다.

(예: HA=일염기산):

:HA(aq) + H2O(l) <=> H3O^+ (aq) + A^- (aq)         ''K''_a

다염기산은 중화 반응에서 그 염기도의 수만큼 양성자를 내놓을 수 있다.

(예: H₂A = 이염기산)

:H2A(aq) + H2O(l) <=> H3O^+(aq) + HA^- (aq)       ''K''_a1

:HA^{-}(aq) + H2O(l) <=> H3O^+(aq) + A^{2-}(aq)       ''K''_a2

여기서 일반적으로 ''K''_a1 > ''K''_a2가 된다.

다염기산의 농도 분율은 일반적으로 ''α''

:$$

\alpha_{\mathrm{H}_{n-i} \mathrm{A}^{i-} }= {{[\mathrm{H}^+ ]^{n-i} \displaystyle \prod_{j=0}^{i}K_j} \over { \displaystyle \sum_{i=0}^n \Bigl( [\mathrm{H}^+ ]^{n-i} \displaystyle \prod_{j=0}^{i}K_j} \Bigr) }



로 구할 수 있다.

6. 중화 반응

중화 반응은 산과 염기가 반응하여 염과 물을 생성하는 반응이다. 예를 들어, 염산과 수산화나트륨은 염화나트륨과 물을 생성한다.^[12]

:HCl_(aq) + NaOH_(aq) → H₂O_(l) + NaCl_(aq)

중화 반응은 산-염기 적정의 기본 원리이며, 여기서 pH 지시약은 염기의 몰수가 산과 동일해지는 등량점을 나타낸다. 중화 반응의 결과로 pH 7.0의 용액이 생성된다고 잘못 생각하는 경우가 종종 있는데, 이는 반응 중 산과 염기의 세기가 비슷할 때만 해당된다.

산보다 약한 염기를 사용한 중화 반응은 약산성 염을 생성한다. 예를 들어, 강산인 염화수소와 약염기인 암모니아로부터 생성되는 약산성 염화암모늄이 있다. 반대로, 강염기를 사용하여 약산을 중화하면 약염기성 염이 생성된다(예: 불화수소와 수산화나트륨으로부터 생성되는 불화나트륨).

산-염기 적정은 수용액 속 산의 농도를 결정하기 위해 일반적으로 수행된다. 보통 NaOH 또는 KOH인 알려진 농도의 강염기 용액을 첨가하여 첨가된 염기의 양에 따른 지시약의 색 변화에 따라 산 용액을 중화시킨다. 염기로 적정된 산의 적정 곡선은 x축에 염기 부피, y축에 용액의 pH 값을 갖는다. 용액에 염기를 첨가하면 용액의 pH는 항상 증가한다.

7. 산의 응용

산은 산업, 식품, 의약품 등 다양한 분야에서 활용된다.

황산은 비료, 세제, 배터리, 염료 생산 등 여러 산업 공정에 사용되며, 불순물 제거와 같은 많은 제품의 가공에도 사용된다.^[19] 화학 산업에서 산은 중화 반응을 통해 염을 생성한다. 예를 들어, 질산은 암모니아와 반응하여 비료인 질산암모늄을 만든다. 카르복실산은 알코올과 에스터화 반응하여 에스터를 생성할 수 있다. 산은 산세 과정을 통해 금속의 녹 및 부식을 제거하는 데 사용되며, 자동차 배터리의 황산처럼 습식 전지의 전해질로 사용될 수 있다.

7. 1. 산업

7. 2. 식품

7. 3. 인체

8. 대표적인 산

대표적인 산에는 다음과 같은 것들이 있다.

• 무기산
• 할로겐화수소 및 그 수용액: 염산, 브롬화 수소산, 아이오딘화 수소산
• 할로겐옥소산: 차아염소산, 염소산, 과염소산 및 브로민과 아이오딘에 해당하는 유사체
• 황산, 플루오로술폰산, 질산, 인산, 헥사플루오로안티몬산, 테트라플루오로붕산, 헥사플루오로인산, 크롬산, 붕산
• 유기산
• 술폰산: 메탄술폰산, 에탄술폰산, 벤젠술폰산, p-톨루엔술폰산, 트리플루오로메탄술폰산, 폴리스티렌술폰산
• 카복실산: 아세트산, 구연산, 포름산, 글루콘산, 젖산, 옥살산, 주석산
• 비닐로그 카복실산: 아스코르브산, 말론산
• 핵산: 데옥시리보핵산, 리보핵산

8. 1. 무기산

• 할로젠화 수소 및 그 수용액: 염산(HCl), 브롬화 수소산(HBr), 아이오딘화 수소산(HI)
• 할로젠 옥소산: 차아염소산(HClO), 염소산(HClO₃), 과염소산(HClO₄) 및 브롬과 아이오딘에 해당하는 유사체
• 황산(H₂SO₄)
• 질산(HNO₃)
• 인산(H₃PO₄)^[11]

8. 2. 유기산

• 아세트산(CH₃COOH)
• 구연산(C₆H₈O₇)
• 개미산(HCOOH)
• 글루콘산 HOCH₂-(CHOH)₄-COOH
• 젖산(CH₃-CHOH-COOH)
• 옥살산(HOOC-COOH)
• 타르타르산(HOOC-CHOH-CHOH-COOH)

• 플루오로아세트산
• 트리플루오로아세트산
• 클로로아세트산
• 디클로로아세트산
• 트리클로로아세트산

• 아스코르브산

• 메탄술폰산(메실산, CH₃SO₃H)
• 에탄술폰산(에실산, CH₃CH₂SO₃H)
• 벤젠술폰산(베실산, C₆H₅SO₃H)
• p-톨루엔술폰산(토실산, CH₃C₆H₄SO₃H)
• 트리플루오로메탄술폰산(트리플릭산, CF₃SO₃H)
• 폴리스티렌술폰산(술폰화된 폴리스티렌, polystyrene sulfonic acid, [CH₂CH(C₆H₄)SO₃H]ₙ)

• 데옥시리보핵산(DNA)
• 리보핵산(RNA)

참조

_[1] 웹사이트 IUPAC Gold Book - acid http://goldbook.iupa[...]
_[2] 서적 General Chemistry: Principles and Modern Applications Prentice Hall 2002
_[3] 웹사이트 Merriam-Webster's Online Dictionary: ''acid'' http://www.merriam-w[...]
_[4] 서적 Principles of Modern Chemistry Brooks Cole 2015
_[5] 서적 Handbook of Pharmaceutical Salts: Properties, Selection, and Use Wiley-VCH 2008
_[6] 웹사이트 Hydridohelium (CHEBI:33689) https://www.ebi.ac.u[...] European Bioinformatics Institute
_[7] 논문 Evaluated Gas Phase Basicities and Proton Affinities of Molecules; Heats of Formation of Protonated Molecules
_[8] 논문 The ECW Model
_[9] 서적 Lewis Basicity and Affinity Scales, Data and Measurement Wiley 2010
_[10] 논문 Graphical display of the enthalpies of adduct formation for Lewis acids and bases
_[11] 서적 Biophysical Chemistry - Volume 1
_[12] 서적 Aqueous Acid–Base Equilibria and Titrations Oxford University Press
_[13] 논문 Assignment of the proton-association constants for 3-(3,4-dihydroxyphenyl)alanine (L-dopa)
_[14] 서적 Ion Exchange https://books.google[...] Courier Corporation 1962-01-01
_[15] 웹사이트 Titration of Diprotic Acid http://dwb.unl.edu/c[...] 2016-01-24
_[16] 서적 Chemistry & Chemical Reactivity https://books.google[...] Cengage Learning 2014-01-24
_[17] 서적 Lehninger Principles of Biochemistry https://books.google[...] Macmillan 2005-01-01
_[18] 서적 General Chemistry https://books.google[...] Cengage Learning 2016-01-01
_[19] 웹사이트 The Top 10 Industrial Chemicals - For Dummies http://www.dummies.c[...] 2016-02-05
_[20] 웹사이트 Sulfuric acid http://www.essential[...] 2016-02-06
_[21] 특허 Method of and apparatus for making and dispensing a carbonated beverage utilizing propellant carbon dioxide gas for carbonating https://patents.goog[...] 2016-02-06
_[22] 서적 8 - Biological roles of amino acids and peptides - University Publishing Online http://ebooks.cambri[...] 2012-06
_[23] 웹사이트 Acid Buffering http://fitsweb.uchc.[...] University of Connecticut 2016-02-06
_[24] 서적 Biochemistry https://archive.org/[...] J. Wiley & Sons 2004
_[25] 웹사이트 酸性（さんせい）の意味 https://dictionary.g[...] goo国語辞書 2020-11-06