염은 산과 염기의 반응으로 생성되는 이온 화합물이다. 염은 용액의 증발, 불용성 염의 침전, 금속과 비금속의 반응 등 다양한 방법으로 형성될 수 있으며, 산성염, 염기성염, 정염으로 분류된다. 염의 성질은 이온 결합, 물리적 성질, 화학적 성질로 나타나며, 앙금 생성 반응과 같은 특수한 반응도 보인다. 염은 소금, 붕사, 황산 등 다양한 형태로 존재하며, 식품, 제조, 농업 등 광범위하게 활용된다.
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염
일반 정보
화학식
다양한 화학식 존재 (예: NaCl, NH₄Cl, CH₃COONa)
분자량
화합물에 따라 다름
CAS 등록 번호
화합물에 따라 다름
화학적 특성
정의
금속 양이온과 비금속 음이온의 이온 결합으로 이루어진 화합물 산과 염기의 중화 반응으로 생성되는 화합물 양이온과 음이온으로 구성된 이온 화합물
용해도
일반적으로 물에 잘 녹지만, 용해도는 화합물에 따라 다름
전기 전도성
고체 상태에서는 전기를 통하지 않음 용융 상태 또는 수용액 상태에서는 이온의 이동으로 인해 전기를 통함
두 개의 서로 다른 염을 물에 혼합하는 염 metathesis 반응에서, 이들의 이온이 재결합하고 새로운 염은 불용성이 되어 침전된다. 예를 들어, 다음과 같은 반응이 일어난다.[6]
:Pb(NO3)2 + Na2SO4 → PbSO4↓ + 2 NaNO3
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불용성 염은 두 용액을 혼합하여 침전시킬 수 있는데, 하나는 양이온을 포함하고 다른 하나는 음이온을 포함한다. 모든 용액은 전기적으로 중성이므로, 혼합된 두 용액은 또한 반대 전하를 가진 반대이온을 포함해야 한다. 침전된 염이 오염되지 않도록 하기 위해, 반대이온이 또한 침전되지 않도록 하는 것이 중요하다. 만약 두 용액이 수소 이온과 수산화 이온을 반대이온으로 가지고 있다면, 이들은 산-염기 반응(중화 반응)을 통해 서로 반응하여 물을 형성한다. 또는, 반대이온은 단일 용액으로 결합될 때에도 구경꾼 이온으로 용해된 상태로 유지되도록 선택할 수 있다.
강산과 강염기로 이루어진 염은 수용액에서 산 성분과 염기 성분 모두 완전히 전리되어 양이온과 음이온 모두 가수 분해되지 않으므로 pH 7의 중성이 된다. 반면, 산 성분 또는 염기 성분 중 한쪽의 전리도가 작은 경우에는 산-염기 평형에 의해 유리형으로 되돌아가므로 수소 이온 농도가 중성에서 벗어난다. 즉, 약산과 강염기로 이루어진 염의 수용액은 음이온의 가수 분해에 의해 알칼리성을 나타내고, 강산과 약염기로 이루어진 염의 수용액은 양이온의 가수 분해에 의해 산성을 나타낸다. 약산과 약염기의 염에서는 양이온 및 음이온이 모두 가수 분해되어 상호 산-염기 평형에 의존한다.
:CH3COO^- + H2O <=> CH3COOH + OH^-
:NH4^+ + H2O <=> NH3 + H3O+
강산과 약염기로 이루어진 염에 과량의 약염기를 첨가한 용액, 또는 약산과 강염기로 이루어진 염에 과량의 약산을 첨가한 용액은, 거기에 새롭게 강산이나 강염기를 첨가해도 평형 상태의 변화에 의해 pH가 크게 변동하지 않으므로 '''완충 용액'''이라고도 불린다. 혈액은 완충 용액으로서의 성질도 지니고 있다.
3. 1. 화학식에 따른 분류
'''정염''': 어떤 산과 염기에서의 수산화 이온과 수소 이온이 완전히 다른 이온으로 치환되어 있는 염으로, 중성염이라고도 한다. (pH = 7 인 상태의 화합물)
'''산성염''': 수소가 포함된 산에서 수소 양이온의 일부만이 다른 금속 이온으로 치환된 염으로 수소 이온이 포함된 염이다. (pH < 7 인 상태의 화합물)
'''염기성염''': 수산화물이 포함된 염으로 대부분 불용성이다. (pH > 7 인 상태의 화합물)
그러나 이름과 달리 산성염이라고 해서 염의 수용액이 반드시 산성이라는 것은 아니다. 실제로 염이 수용액에서 어떤 성질을 띠는지는 염이 가수분해될 때 어떤 액상이 되는지가 중요하다. 염이 가수분해될 때 어떤 산과 염기의 염인지에 따라 다른 액상을 띠게 된다. 염의 액상은 다음과 같다.
'''강산-강염기''': 가수분해시 액성은 염의 종류와 일치
'''강산-약염기''': 가수분해시 염의 종류와 관계없이 무조건 산성
'''약산-강염기''': 가수분해시 염의 종류와 관계없이 무조건 염기성
'''약산-약염기''': 가수분해시 액성은 염의 종류와 일치
(다만 일부 경우에는 예외적인 상황이 발생할 수 있다.)
수용액으로 만들었을 경우, 강산과 강염기로 이루어진 염은 산 성분과 염기 성분 모두 완전히 전리되어 양이온, 음이온 모두 가수 분해되지 않으므로 pH 7의 중성이 된다. 한편, 산 성분 또는 염기 성분 중 한쪽의 전리도가 작은 경우에는 산-염기 평형에 의해 유리형으로 되돌아가므로 수소 이온 농도가 중성에서 벗어난다. 즉, 약산과 강염기로 이루어진 염의 수용액은 음이온의 가수 분해에 의해 알칼리성을 나타내고, 강산과 약염기로 이루어진 염의 수용액은 양이온의 가수 분해에 의해 산성을 나타낸다. 약산과 약염기의 염에서는 양이온 및 음이온이 모두 가수 분해되어 상호 산-염기 평형에 의존한다.
:CH3COO^- + H2O <=> CH3COOH + OH^-
:NH4^+ + H2O <=> NH3 + H3O+
또한, 강산과 약염기로 이루어진 염에 과량의 약염기를 첨가한 용액, 또는 약산과 강염기로 이루어진 염에 과량의 약산을 첨가한 용액은, 거기에 새롭게 강산이나 강염기를 첨가해도 평형 상태의 변화에 의해 pH가 크게 변동하지 않으므로 '''완충 용액'''이라고도 불린다. 혈액은 완충 용액으로서의 성질도 지니고 있다.
염은 화학식에 H+가 포함된 산성염, OH-가 포함된 염기성염, 그리고 둘 다 포함되지 않은 정염으로 분류할 수 있다. 종종 염의 가수분해에 의한 액성과 혼동되기 쉽지만, 산성염인 탄산수소염의 수용액이 염기성을 나타내는 것처럼, 분류와 수용액의 액성이 반드시 일치하는 것은 아니다.
예를 들어 황산이 중화되는 경우, 황산의 당량에 해당하는 염기가 중화되면 정염이 생성된다.
염의 수용액은 가수 분해될 때 어떤 산과 염기의 조합으로 생성되었는지에 따라 다른 액성을 띤다. 강산과 강염기로 이루어진 염은 산 성분과 염기 성분 모두 완전히 전리되어 양이온, 음이온 모두 가수 분해되지 않으므로 pH 7의 중성이 된다. 약산과 강염기로 이루어진 염의 수용액은 음이온의 가수 분해에 의해 염기성을 나타내고, 강산과 약염기로 이루어진 염의 수용액은 양이온의 가수 분해에 의해 산성을 나타낸다. 약산과 약염기의 염에서는 양이온 및 음이온이 모두 가수 분해되어 상호 산-염기 평형에 의존한다.[1]
:CH3COO^- + H2O <=> CH3COOH + OH^-[1]
:NH4^+ + H2O <=> NH3 + H3O+[1]
강산과 약염기로 이루어진 염에 과량의 약염기를 첨가한 용액, 또는 약산과 강염기로 이루어진 염에 과량의 약산을 첨가한 용액은, 거기에 새롭게 강산이나 강염기를 첨가해도 평형 상태의 변화에 의해 pH가 크게 변동하지 않으므로 '''완충 용액'''이라고도 불린다. 혈액은 완충 용액으로서의 성질도 지니고 있다.[1]
강염 또는 강 전해질 염은 강전해질로 구성된 화학 염이다. 이 염들은 물에 완전히 또는 거의 완전히 해리된다. 일반적으로 무취이며 휘발성이 없다.
강염은 Na, K, NH4로 시작하거나 NO3, ClO4, 또는 CH3COO로 끝난다. 대부분의 1족 및 2족 금속은 강염을 형성한다. 강염은 구성 이온이 더 큰 전도성을 허용하기 때문에 전도성 화합물을 만들 때 특히 유용하다.
약염 또는 약 전해질 염은 약 전해질로 구성된다. 이러한 염은 물에서 잘 해리되지 않는다. 일반적으로 강염보다 더 휘발성이 있다. 이는 파생된 산 또는 염기와 냄새가 유사할 수 있다. 예를 들어 아세트산 나트륨(CH3COONa)은 아세트산(CH3COOH)과 비슷한 냄새가 난다.
4. 염의 성질
염은 주로 이온 결합으로 이루어져 있으며, 이온 간의 정전기력에 의해 결합되어 있다. 이 정전기력은 음이온의 순 음전하와 양이온의 순 양전하 간의 장거리 쿨롱 인력에 의해 발생한다.[7] 또한, 작은 이온의 응집 에너지의 약 1~2%에 기여하는 반 데르 발스 힘으로부터 작은 추가적인 인력이 있다.[9] 한 쌍의 이온이 가까워져 외부 전자 껍질이 겹치면, 파울리 배타 원리로 인해 단거리 척력이 발생한다.[10] 이러한 힘들의 균형으로 인해 핵이 특정 평형 거리에 있을 때 최소 에너지를 갖는 위치 에너지 우물이 형성된다.[11]
나트륨 플루오라이드를 형성하기 위해 산화 환원 반응을 겪는 나트륨과 플루오린 원자의 개략적인 전자 껍질 다이어그램. 나트륨은 외부 전자를 잃어 안정적인 전자 배치를 가지게 되고, 이 전자는 발열 반응으로 플루오린 원자에 들어간다. 반대 전하를 띤 이온들은 서로 끌려 고체를 형성한다.
세슘 플루오라이드와 같이 가장 전기음성도가 높은/전기양성도가 높은 쌍 사이의 결합조차도 작은 정도의 공유성을 나타낸다.[7] 반대로, 서로 다른 원자 간의 공유 결합은 종종 어느 정도의 전하 분리를 나타내며 부분적인 이온성을 띤다고 간주될 수 있다.[8]
강산과 강염기로 이루어진 염은 수용액에서 양이온과 음이온 모두 가수 분해되지 않아 pH 7의 중성이 된다. 약산과 강염기로 이루어진 염은 음이온의 가수 분해로 알칼리성을 띠고, 강산과 약염기로 이루어진 염은 양이온의 가수 분해로 산성을 띤다. 약산과 약염기의 염은 양이온과 음이온 모두 가수 분해되어 상호 산-염기 평형에 의존한다.
:CH3COO^- + H2O <=> CH3COOH + OH^-
:NH4^+ + H2O <=> NH3 + H3O+
강산과 약염기로 이루어진 염에 과량의 약염기를 첨가하거나, 약산과 강염기로 이루어진 염에 과량의 약산을 첨가한 용액은 '''완충 용액'''이라고 불린다. 혈액은 완충 용액으로서의 성질도 지니고 있다.
4. 1. 물리적 성질
염은 주로 이온들 사이의 정전기력, 특히 음이온의 순 음전하와 양이온의 순 양전하 간의 쿨롱 인력에 의해 결합된 이온 결합을 통해 형성된다.[7][8] 이온 결합 외에도 반 데르 발스 힘이 이온 결합에 기여하며, 이는 작은 이온의 응집 에너지의 약 1~2%를 차지한다.[9] 이온들이 가까워져 외부 전자 껍질이 겹치면 파울리 배타 원리에 따른 단거리 척력이 발생한다.[10] 이러한 인력과 척력 사이의 균형으로 인해 핵 사이의 특정 거리에서 최소 에너지를 갖는 안정된 결합이 형성된다.[11]
세슘 플루오라이드와 같이 전기음성도 차이가 큰 원소들 사이의 결합도 약간의 공유성을 띨 수 있다.[12] 반대로, 서로 다른 원자 간의 공유 결합도 부분적인 전하 분리를 통해 이온성을 나타낼 수 있다.[13] HSAB 이론에 따르면, 가장 이온성이 큰 화합물은 경질 산과 경질 염기로 구성되며, 이는 작고 높은 전하를 가진 이온들 사이의 큰 전기음성도 차이를 의미한다.[14][15]
이온 결정의 격자 에너지는 모든 이온 간 상호작용의 총합으로, 마델룽 상수와 에왈드 합을 사용하여 계산할 수 있다.[16] 총 격자 에너지는 Born–Landé 방정식, Born–Mayer 방정식, 또는 Kapustinskii 방정식을 사용하여 모델링할 수 있다.[17]
염의 이온 배열은 구의 최밀 충전 배열과 관련이 있으며, 양이온은 사면체 또는 팔면체 틈새를 차지한다.[18] 염의 화학 양론과 배위수에 따라 다양한 구조가 나타나며, 이는 Pauling의 규칙으로 설명된다.[19]
결정 내에는 프렌켈 결함과 쇼트키 결함과 같은 결함이 존재할 수 있다.[25] 이러한 결함은 이온 결정 내의 수송 현상에 영향을 미치며, 결함 농도에 따라 광학 흡수(색상)가 달라질 수 있다.[26]
[BMIM]+[PF6]−, 이온 액체
염은 일반적으로 높은 녹는점과 끓는점을 가지며 낮은 증기압을 나타낸다.[27] 염은 녹는점 이상에서 용융염이 되지만, 일부 염은 액체 상태에서 분자 유사 구조를 보이기도 한다.[28]이온성 액체는 실온 또는 그 이하에서 녹는점을 가지는 염이다.[29] 이온성 액체의 이온은 불균등한 전하 분포나 부피가 큰 치환기를 가져 상호 작용의 강도와 용
4. 2. 화학적 성질
염은 산과 염기의 산-염기 반응으로 형성될 수 있다.[31]물에 용해되었을 때 수산화물이온을 생성하는 염은 알칼리 염이며, 물에 용해되었을 때 수소이온을 생성하는 염은 산성 염이다. 강산과 약염기 사이의 반응으로 생성된 염은 산성 염이고, 강염기와 약산 사이의 반응으로 생성된 염은 염기성 염이다. 강산과 강염기가 반응하면 중성 염이 생성된다. 짝염기 이온과 짝산 이온을 모두 가진 이온 화합물은 암모늄 아세테이트와 같이 약산으로 생성될 수 있다. 일부 이온은 양쪽성으로, 산 또는 염기와 반응할 수 있다.[32]
가수분해는 염이 물과 반응하여 산 또는 염기를 생성하는 반응이다. 수용액에서 강산과 강염기로 이루어진 염은 양이온과 음이온 모두 가수 분해되지 않아 중성(pH 7)이다. 약산과 강염기로 이루어진 염은 음이온의 가수 분해로 알칼리성을 띠고, 강산과 약염기로 이루어진 염은 양이온의 가수 분해로 산성을 띤다. 약산과 약염기의 염은 양이온과 음이온 모두 가수 분해된다.
앙금 생성 반응은 특정 이온들이 반응하여 물에 녹지 않는 앙금을 생성하는 반응이다. 예를 들어, 염화 이온과 은 이온을 반응시키면 염화 은 앙금이, 바륨 이온과 황산 이온을 반응시키면 황산 바륨 앙금이 생성된다.
탄산 칼슘
다음은 앙금 생성 반응의 예시이다.
Cl− + Ag+ → AgCl ↓(흰색 앙금)
Ba2+ + SO42− → BaSO4 ↓(흰색 앙금)
Ca2+ + CO32− → CaCO3 ↓(흰색 앙금)
2I- + Pb2+ → PbI2 ↓(노란색 앙금)
S2− + Cu2+ → CuS ↓(검은색 앙금)
몇몇 앙금 생성 이온과 앙금은 다음과 같다.
검출하려는 양이온
검출하려는 음이온
앙금(색깔)
Ag+
Cl−, I−
AgCl(흰색), AgI(노란색)
Ca2+
CO32−, SO42−
CaCO3(흰색), CaSO4(흰색)
염은 구성 이온의 종류에 따라 다양한 색상을 나타낼 수 있다. 예를 들어, 크롬산 나트륨은 크롬산 이온에 의해 노란색을 띠고, 과망간산 칼륨은 과망간산염 음이온에 의해 보라색을 띤다. 염화 나트륨과 같이 구성 이온이 가시광선 영역에서 빛을 흡수하지 않는 경우 무색 또는 흰색을 띤다.
염은 짠맛(염화 나트륨), 단맛(아세트산 납), 신맛(주석산 수소 칼륨), 쓴맛(황산 마그네슘), 감칠맛(글루탐산 나트륨) 등 다양한 맛을 낼 수 있다. 강산과 강염기의 염은 비휘발성이며 무취인 경우가 많지만, 약산 또는 약염기의 염은 가수분해로 인해 짝산 또는 짝염기와 같은 냄새가 날 수 있다.
5. 염의 역사
1913년 윌리엄 헨리 브래그와 윌리엄 로렌스 브래그는 염화 나트륨의 구조를 밝혀냈다.[2][3][4] 이를 통해 각 원자에 대해 6개의 등거리 가장 가까운 이웃이 존재한다는 사실이 밝혀졌으며, 이는 구성 성분들이 분자나 유한 집합체로 배열된 것이 아니라 장거리 결정 구조의 네트워크로 배열되었음을 보여주었다.[4] 다른 많은 무기 화합물 역시 유사한 구조적 특징을 갖는다는 것이 밝혀졌다.[4]
이온 결정 구조에 대한 이론적 연구 발전에 기여한 주요 인물로는 막스 보른, 프리츠 하버, 알프레트 란데, 에르빈 마델룽, 파울 페터 에발트, 카지미에시 파얀스 등이 있다. 보른은 이온 구성 성분을 가정한 상태에서 결정 에너지를 예측했는데, 이는 열화학 측정과 잘 일치하여 가설을 더욱 뒷받침했다.[4]
6. 앙금
염 중에서도 물에 잘 녹지 않는 난용성 또는 불용성 염을 앙금이라고 하며, 서로 다른 전해질 수용액을 섞을 때 양이온과 음이온이 강하게 결합하여 물에 녹지 않는 앙금을 생성하는 반응을 앙금 생성 반응이라 한다. 수용액에서 일어나는 반응의 예는 다음과 같다.
염은 오랫동안 매우 다양한 용도로 사용되어 왔다. 인류는 8000년 이상 소금(염화나트륨)을 가공해 왔으며, 처음에는 식품 조미료 및 보존료로 사용했고, 현재는 제조, 농업, 수질 처리, 도로 제빙 등 다양한 용도로 사용하고 있다.[46]붕사, 칼로멜, 수산화마그네슘, 염산, 황산, 초석, 소석회 등은 화학적 정체성과 관련 없는 일반적인 이름으로 불리는 염의 예시이다.[47]
가용성 염은 쉽게 용해되어 전해질 용액을 제공할 수 있다. 용질의 농도는 삼투압 증가, 어는점 강하 및 끓는점 상승을 포함한 많은 총괄성에 영향을 미친다. 용질이 전하를 띤 이온이기 때문에 용액의 전기 전도성도 증가시킨다. 이온 세기가 증가하면 콜로이드 입자 주변의 전기 이중층 두께가 감소하여 유제와 현탁액의 안정성이 감소한다.
첨가된 이온의 화학적 정체성 또한 많은 용도에서 중요하다. 예를 들어, 불화물 함유 화합물은 수돗물 불소화를 위해 불화물 이온을 공급하기 위해 용해된다.[48]
고체 염은 오랫동안 페인트 안료로 사용되었으며 유기 용매에 내성이 있지만 산성 또는 염기성에 민감하다.[49] 1801년 이후 화약 기술자들은 불꽃놀이의 색상 공급원으로서 금속 함유 염을 설명하고 널리 사용해 왔다.[14] 강렬한 열에서 금속 이온 또는 작은 분자 내의 전자가 여기될 수 있다. 이러한 전자는 나중에 더 낮은 에너지 상태로 돌아가 존재 종의 특성을 나타내는 색상 스펙트럼을 가진 빛을 방출한다.
많은 금속은 지질학적으로 광석 내의 염으로 가장 풍부하게 존재한다. 화학 원소 재료를 얻기 위해 이러한 광석은 제련 또는 전기 분해에 의해 가공되며, 여기서 산화 환원 반응이 발생하여 금속 이온이 전자를 얻어 중성 원자가 된다.[51]
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