짝산
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1. 개요
짝산-짝염기 반응은 산-염기 반응에서 산과 염기가 짝염기와 짝산을 형성하며 일어나는 반응이다. 산은 양성자를 잃고 염기는 양성자를 얻으며, 짝산-짝염기 쌍은 반응 전후의 수소 이온(H+) 수 변화를 통해 식별할 수 있다. 짝산의 세기는 해리 상수에 비례하며, 강산의 짝염기는 약염기, 약산의 짝염기는 약염기일 수도 있다. 짝산과 짝염기는 완충 용액, 생체 내 완충 시스템, 링거 젖산 용액 등 다양한 분야에 응용된다.
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2. 짝산-짝염기 반응
산-염기 반응에서 산은 양성자를 잃고 짝염기를 형성하며, 염기는 양성자를 얻어 짝산을 형성한다. 이 과정은 화학 반응식에서 화살표로 표시되는데, 염기와 양성자 사이의 새로운 결합은 염기의 전자쌍에서 시작하여 이동할 수소 이온(양성자)에서 끝나는 화살표로 나타낸다. 
예를 들어, 물 분자는 암모늄으로부터 수소 이온을 받은 염기성 수산화 이온의 짝산이다. 반면에, 암모니아는 암모늄이 물 분자를 생성하기 위해 수소 이온을 기증한 후 산성 암모늄의 짝염기이다. "산", "염기", "짝산", "짝염기"라는 용어는 특정 화학 물질에 고정된 것이 아니라, 반응의 진행 방향에 따라 바뀔 수 있다.[2]
2. 1. 짝산-짝염기 쌍 식별
산-염기 반응에서 짝산-짝염기 쌍은 반응 전후 관계를 통해 식별할 수 있다. 반응 전(반응물)에 수소 이온(H+)이 더 많은 물질이 산이고, 반응 후(생성물)에 수소 이온이 더 적은 물질이 짝염기이다. 반대로, 반응 전에 수소 이온이 더 적은 물질이 염기이고, 반응 후에 수소 이온이 더 많은 물질이 짝산이다.[2]다음 산-염기 반응을 고려해 보자.
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질산( )은 물 분자에 양성자를 공여하므로 '산'이며, 그 '짝염기'는 질산염 ()이다. 물 분자는 수소 양이온(양성자)을 받으므로 염기로 작용하며, 그 짝산은 하이드로늄 이온 ()이다.[2]
짝산의 세기는 분해 상수에 비례한다. 더 강한 짝산은 더 쉽게 생성물로 분해되어 수소 양성자를 "밀어내고" 더 높은 평형 상수를 갖는다. 짝염기의 세기는 수소 양성자를 자신쪽으로 "끌어당기려는" 경향으로 볼 수 있다. 짝염기가 강염기로 분류되면 용해되었을 때 수소 양성자를 "붙잡고" 있으며, 해당 산은 분해되지 않는다.
다음은 여러 산과 그에 해당하는 짝염기, 그리고 염기와 그에 해당하는 짝산을 나타낸 표이다. 이들은 단 하나의 양성자(H+ 이온) 차이만 보인다. 산의 세기는 표 아래로 내려갈수록 감소하고, 짝염기의 세기는 증가한다. 반대로 염기의 세기는 표 아래로 내려갈수록 감소하고 짝산의 세기는 증가한다.
3. 짝산 및 짝염기의 세기
화학 물질이 강산이면 짝염기는 약염기가 된다.[3] 이 경우의 예는 물 속에서 염산(HCl)의 분해이다. 염산은 강산이므로(광범위하게 분해됨), 짝염기(Cl−)는 약염기가 된다. 따라서 이 시스템에서 대부분의 H+는 Cl− 음이온에 부착되는 대신 하이드로늄 이온 (H3O+)가 되며, 짝염기는 물 분자보다 약해진다.
반면에 화학 물질이 약산인 경우 짝염기가 반드시 강염기인 것은 아니다. 에테인산의 짝염기인 에테노에이트는 약 의 염기 분해 상수 (Kb)를 가지므로 약염기이다. 종이 강한 짝염기를 가지려면 물처럼 매우 약한 산이어야 한다.
4. 짝산 및 짝염기 표
화학식에서 원소는 알파벳 순서대로 표기하는 것이 일반적이지만, H|2|F|+영어와 같이 예외적인 경우도 있다.[1]
4. 1. 산과 짝염기 표
여러 산과 그에 해당하는 짝염기의 예시이다. 이들은 단 하나의 양성자(H+ 이온) 차이만 보인다. 산의 세기는 표 아래로 내려갈수록 감소하고, 짝염기의 세기는 증가한다.
4. 2. 염기와 짝산 표
다음은 염기와 그 짝산의 표이다. 마찬가지로, 표 아래로 내려갈수록 염기의 세기는 감소하고 짝산의 세기는 증가한다.
5. 응용
짝산-짝염기 개념은 완충 용액을 포함하는 완충 시스템, 생체 내 pH 조절 등 다양한 분야에서 응용된다.
5. 1. 완충 용액
완충 용액에서 약산과 그 짝염기(염의 형태), 또는 약염기와 그 짝산은 적정 과정에서 pH 변화를 제한하기 위해 사용된다. 완충제는 유기 및 무기 화학적 응용 분야를 모두 가지고 있다. 예를 들어, 실험실 과정에서 완충제가 사용되는 것 외에도, 인체의 혈액은 pH를 유지하기 위해 완충제 역할을 한다. 우리 혈류에서 가장 중요한 완충제는 탄산-중탄산 완충제로, 이산화탄소()가 도입될 때 급격한 pH 변화를 방지한다. 이것은 다음과 같이 작동한다.::
일반적인 완충제 목록은 다음과 같다.
화학식 를 갖는 약산인 아세트산이 완충 용액으로 만들어지면, 염의 형태로 짝염기 와 결합해야 한다. 그 결과 혼합물을 아세테이트 완충액이라고 하며, 수성 와 수성 로 구성된다. 아세트산은 다른 많은 약산과 함께 다양한 실험실 환경에서 완충액의 유용한 구성 요소로 작용하며, 각각 자체 pH 범위 내에서 유용하다.
링거 젖산 용액은 유기산인 젖산의 짝염기 가 증류수에서 나트륨, 칼슘 및 칼륨 양이온과 염화물 음이온과 결합된 예이다.[4] 이는 인간의 혈액과 관련하여 등장성 유체를 형성하며, 외상, 수술, 또는 화상으로 인한 혈액 손실 후 수액 보충에 사용된다.[5]
5. 2. 기타 응용
아세트산과 아세테이트를 이용한 완충 용액, 링거 젖산 용액 등 다양한 예시를 설명한다. 링거 젖산 용액은 외상, 수술, 또는 화상으로 인한 혈액 손실 후 수액 보충에 사용된다.[4][5]화학식 CH|3|COOH영어 (아세트산)가 완충 용액으로 만들어지면, 염의 형태로 짝염기 CH|3|COO|-영어 (아세테이트)와 결합해야 한다. 그 결과 혼합물을 아세테이트 완충액이라고 하며, 수성 아세트산(CH|3|COOH영어)과 수성 아세트산나트륨(CH|3|COO|Na영어)으로 구성된다. 아세트산은 다른 많은 약산과 함께 다양한 실험실 환경에서 완충액의 유용한 구성 요소로 작용하며, 각각 자체 pH 범위 내에서 유용하다.
링거 젖산 용액은 유기산인 젖산의 짝염기가 증류수에서 나트륨, 칼슘 및 칼륨 양이온과 염화물 음이온과 결합된 예이다. 이는 인간의 혈액과 관련하여 등장성 유체를 형성한다.
참조
[1]
서적
Chemistry
Houghton Mifflin
2007
[2]
웹사이트
Brønsted–Lowry theory {{!}} chemistry
https://www.britanni[...]
2020-02-25
[3]
웹사이트
Strength of Conjugate Acids and Bases Chemistry Tutorial
https://www.ausetute[...]
2020-02-25
[4]
서적
British national formulary: BNF 69
British Medical Association
2015
[5]
서적
Pestana's Surgery Notes
Kaplan Medical Test Prep
2020-04-07
[6]
서적
Chemistry
Houghton Mifflin
2007
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웹인용
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2020-02-25
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