수소 이온

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1. 개요
2. 양이온 (양이온)
3. 음이온 (음이온)
- 3.1. 수소 음이온의 종류
4. 수소 이온의 역할
참조

1. 개요

수소 이온은 수소 원자가 전자를 잃거나 얻어 생성되는 양이온(H⁺) 또는 음이온(H⁻)을 통칭한다. 수소 양이온은 히드론, 양성자, 중수소핵, 삼중수소핵 등으로 불리며, 물과 결합하여 하이드로늄 이온, 춘델 양이온, 아이겐 양이온과 같은 수화물을 형성한다. 춘델 양이온과 아이겐 양이온은 양성자 확산에 중요한 역할을 한다. 수소 음이온은 경수소 음이온, 중수소 음이온, 삼중수소 음이온 등이 있으며, 수소화물 이온이라고도 불린다. 수소 이온은 광합성, 세포 호흡 과정에서 ATP 합성에 관여하며, pH를 결정하여 물질의 산성 또는 염기성을 나타낸다. 또한, 해양 산성화의 주요 원인이 되기도 한다.

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수소 이온
지도 정보
일반 정보
화학식	H+ 또는 H−
몰 질량	1.00794 g/mol
화학명	수소 이온
다른 이름	양성자 (H+)
로마자 표기	Suseo ion
종류
양이온	H+ (프로톤)
음이온	H− (수소화 이온)
특성
산성도	극도로 높음 (H+)
염기성도	극도로 높음 (H-)
화학적 성질
용액 내 상태	수화된 상태로 존재 (H3O+)
반응성	매우 반응성이 큼
산화력	강한 산화제 (H+)
환원력	강한 환원제 (H-)
참고
같이 보기	수소 양성자 수소화 이온 수소화물
외부 링크	브리태니커 백과사전 - 수소 이온 아이유팩 화학 용어집

2. 양이온 (양이온)

수소 원자는 +1의 전하를 띤 원자핵과 단일 전자로 구성된다. 따라서 가능한 유일하게 양으로 하전된 이온은 +1의 전하를 띠며, H⁺로 표기된다. 수소는 전자가 없는 유일한 양이온을 형성하지만, (수소와 달리) 하나 이상의 전자를 여전히 유지하는 양이온조차도 그 기원이 되는 중성 원자 또는 분자보다 작다.

수소 원자(가운데)는 하나의 양성자와 하나의 전자를 포함한다. 전자를 제거하면 양이온(왼쪽)이 된다.

2. 1. 수소 양이온의 종류

수소가 전자를 잃으면 다음과 같은 양이온이 만들어진다.

히드론: 모든 수소 동위 원소의 양이온(H⁺)을 지칭하는 일반적인 이름
양성자: ¹H⁺ (즉, 경수소 양이온)
중수소핵: ²H⁺, D⁺ (중수소 양이온)
삼중수소핵: ³H⁺, T⁺ (삼중수소 양이온)

추가로 수소 양이온은 물과 결합해 수화물을 이룬다.

하이드로늄 이온: H₃O⁺
Zundel cation|춘델 양이온^영어: H₅O₂⁺ (게오르크 춘델)
Eigen cation|아이겐 양이온^영어: H₉O₄⁺ (만프레트 아이겐)

춘델 양이온과 아이겐 양이온은 그로투스 메커니즘에 따라 양성자 확산에 중요한 역할을 한다.

2. 2. 수화물

수소 양이온이 물과 결합해 생성되는 수화물에는 다음과 같은 것들이 있다.

하이드로늄 이온: H₃O⁺
춘델 양이온: H₅O₂⁺ (게오르크 춘델)
아이겐 양이온: H₉O₄⁺ (만프레트 아이겐)

춘델 양이온과 아이겐 양이온은 그로투스 메커니즘에 따라 양성자 확산에 중요한 역할을 한다.

2. 3. 양성자 확산 메커니즘

춘델 양이온과 아이겐 양이온은 그로투스 메커니즘(Grotthuss mechanism)에 따라 양성자 확산에 중요한 역할을 한다.

3. 음이온 (음이온)

수소가 전자를 얻으면 음이온이 만들어진다. 수소 음이온은 추가적인 전자를 얻을 때 형성되며, '''수소화물'''이라고 부른다.

3. 1. 수소 음이온의 종류

수소가 전자를 얻으면 음이온이 만들어진다.

수소화물(H⁻): 모든 수소 동위원소의 음이온을 지칭하는 일반적인 명칭
프로타이드(¹H⁻)
듀테라이드(²H⁻, D⁻)
트리타이드(³H⁻, T⁻)

4. 수소 이온의 역할

수소 이온(H⁺)은 생물학적, 화학적 과정에서 중요한 역할을 한다.

수소 이온은 광합성에서 ATP 합성효소를 작동시켜 ATP를 생성하고, 세포 호흡에서도 비슷한 역할을 한다. 수소 이온 농도는 pH로 측정되며, 용액의 산성 또는 염기성 여부를 결정한다. 물 분자는 수소 이온과 수산화 음이온으로 자동 이온화된다.

4. 1. 생물학적 역할

수소 이온은 광합성에서 ATP 합성효소를 작동시킨다. 이는 수소 이온이 막을 가로질러 이동하여 틸라코이드 막 내부에 높은 농도를, 세포질에는 낮은 농도를 만들 때 발생한다. 그러나 삼투 현상으로 인해 H⁺는 ATP 합성효소를 통해 막 밖으로 나가려 한다. 양성자는 막을 빠져나가는 운동 에너지를 이용하여 ATP 합성효소를 회전시키고, 이는 ATP를 생성한다. 이 과정은 세포 호흡에서도 일어나지만, 이 경우 농축된 막은 미토콘드리아의 내막이 된다.

수소 이온 농도는 pH로 측정되며, 화합물의 산성 또는 염기성을 결정한다. 물 분자는 H⁺와 수산화 음이온으로 분해된다. 이 과정을 물의 자동 이온화라고 한다.

4. 2. 화학적 역할

수소 이온은 광합성에서 ATP 합성효소를 작동시킨다. 이는 수소 이온이 막을 가로질러 이동하여 틸라코이드 막 내부에 높은 농도를, 세포질에는 낮은 농도를 만들 때 발생한다. 그러나 삼투 현상으로 인해 H⁺는 ATP 합성효소를 통해 막 밖으로 나가려 한다. 양성자는 막을 빠져나가는 운동 에너지를 이용하여 ATP 합성효소를 회전시키고, 이는 ATP를 생성한다. 이 과정은 세포 호흡에서도 일어나지만, 이 경우 농축된 막은 미토콘드리아의 내막이 된다.

수소 이온 농도는 pH로 측정되며, 화합물의 산성 또는 염기성을 결정한다. 물 분자는 H⁺와 수산화 음이온으로 분해된다. 이 과정을 물의 자동 이온화라고 한다. 수소 이온 농도와 pH는 반비례 관계이다. 수용액에서 수소 이온 농도가 증가하면 pH가 낮아지고 산성 물질이 생성된다. 정의에 따르면, 산은 양성자를 내놓을 수 있는 이온 또는 분자이며, 용액에 도입되면 물 분자(H₂O)와 반응하여 물의 짝산인 히드로늄 이온(H₃O⁺)을 형성한다.^[4] 단순화를 위해 수소 이온(H⁺)을 히드로늄 이온의 약자로 사용하는 경우가 많다.

해양 산성화는 전 세계 해양이 이산화탄소(CO₂)를 상당량 흡수함으로써 수소 이온 농도와 탄산염 포화도가 높아진 직접적인 결과이다.^[5] 산업혁명 이전 해양의 탄산염 화학은 pH 균형을 포함하여 상당히 안정적이었다.^[6] 산업혁명 이후 화석 연료 연소, 시멘트 생산 및 토지 이용 변화와 같은 인위적 배출로 인해 대기 중 이산화탄소의 해양 흡수량이 30% 증가했다.^[7] 해양에서 이러한 온실 가스의 흡수 용량은 대기보다 59배 더 높다.^[8] 해양은 지구상에서 가장 큰 탄소 흡수원으로서 기후 조절에 중요한 역할을 한다.^[9]

탄소 플럭스 외에도, 대기에서 심해로의 탄소 격리 자연 과정은 생물 펌프와 용해도 펌프라는 두 가지 시스템에 의해 촉진된다. 용해도 펌프는 기체-액체 계면에서 CO₂를 이동시키는 물리화학적 과정이다.^[10] 헨리의 법칙에 따르면, 수용액에 용해된 CO₂의 양은 대기 중 CO₂의 분압에 정비례한다.^[11] 평형을 유지하기 위해, 대기 중 CO₂의 분압이 높으면 분자 확산에 의해 이 기체의 해양 교환이 증가한다.

표층수에서 용해된 대기 중 이산화탄소(CO₂(aq))는 물 분자와 반응하여 약한 이양성자산인 탄산(H₂CO₃)을 형성한다. 이양성자산은 각 분자에 두 개의 이온화 가능한 수소 원자를 가지고 있다.^[12] 수용액에서 탄산의 부분 해리로 수소 양성자(H⁺)와 중탄산 이온(HCO₃⁻)이 방출되고, 이후 중탄산 이온은 추가적인 수소 양성자와 탄산 이온(CO₃²⁻)으로 해리된다.^[13] 이러한 무기 탄소 종의 용해 및 해리는 수소 이온 농도를 증가시키고 주변 표층 해양의 pH를 역으로 낮춘다. 탄산염 완충 시스템은 화학적 평형 상태에서 용해된 무기 탄소 종을 유지함으로써 해수의 산도를 조절한다.

화학 방정식은 양방향으로 반응할 수 있는 반응물과 생성물로 구성된다. 시스템에 더 많은 반응물을 추가하면 생성물이 더 많이 생성되고(화학 반응이 오른쪽으로 이동) 생성물을 더 많이 추가하면 추가적인 반응물이 형성되어 화학 반응이 왼쪽으로 이동한다. 따라서 이 모델에서 초기 반응물인 이산화탄소의 농도가 높으면 최종 생성물(H⁺ 및 CO₃²⁻)의 양이 증가하여 pH가 낮아지고 더 산성인 용액이 생성된다. 해양의 자연적인 완충 시스템은 자유 산성 양성자와 탄산 이온이 반응하여 알칼리성을 형성하는 더 많은 중탄산 이온을 생성함으로써 pH 변화에 저항한다.^[14] 그러나 대기 중 CO₂ 농도가 증가하면 완충 용량 한계를 초과하여 해양 산성화 속도가 더 빨라질 수 있다. 해양 탄산염 화학의 변화는 많은 원소와 화합물의 해양 생지화학 순환을 조작하여 해양 생태계에 심각한 영향을 미칠 수 있다. 또한 CO₂의 용해도는 온도에 따라 달라진다. 표층수 온도가 높아지면 CO₂의 용해도가 감소한다. 대기 중 CO₂의 분압이 계속 증가하면 해양이 흡수원(탄소를 해양 심층으로 수직 이동)에서 배출원(해양에서 CO₂가 방출됨)으로 전환되어 지구 온도가 더 상승할 수 있다.^[15]

4. 3. 환경적 역할: 해양 산성화

해양 산성화는 전 세계 해양이 이산화탄소(CO₂)를 상당량 흡수함으로써 수소 이온 농도와 탄산염 포화도가 높아진 직접적인 결과이다.^[5] 산업 혁명 이전 해양의 탄산염 화학은 pH 균형을 포함하여 상당히 안정적이었다.^[6] 산업 혁명 이후 화석 연료 연소, 시멘트 생산 및 토지 이용 변화와 같은 인위적 배출로 인해 대기 중 이산화탄소의 해양 흡수량이 30% 증가했다.^[7] 해양에서 이러한 온실 가스의 흡수 용량은 대기보다 59배 더 높다.^[8] 해양은 지구상에서 가장 큰 탄소 흡수원으로서 기후 조절에 중요한 역할을 한다.^[9]

표층수에서 용해된 대기 중 이산화탄소(CO₂(aq))는 물 분자와 반응하여 약한 이양성자산인 탄산(H₂CO₃)을 형성한다. 이양성자산은 각 분자에 두 개의 이온화 가능한 수소 원자를 가지고 있다.^[12] 수용액에서 탄산의 부분 해리로 수소 양성자(H⁺)와 중탄산 이온(HCO₃⁻)이 방출되고, 이후 중탄산 이온은 추가적인 수소 양성자와 탄산 이온(CO₃²⁻)으로 해리된다.^[13] 이러한 무기 탄소 종의 용해 및 해리는 수소 이온 농도를 증가시키고 주변 표층 해양의 pH를 역으로 낮춘다. 탄산염 완충 시스템은 화학적 평형 상태에서 용해된 무기 탄소 종을 유지함으로써 해수의 산도를 조절한다.

화학 방정식은 양방향으로 반응할 수 있는 반응물과 생성물로 구성된다. 시스템에 더 많은 반응물을 추가하면 생성물이 더 많이 생성되고(화학 반응이 오른쪽으로 이동) 생성물을 더 많이 추가하면 추가적인 반응물이 형성되어 화학 반응이 왼쪽으로 이동한다. 따라서 이 모델에서 초기 반응물인 이산화탄소의 농도가 높으면 최종 생성물(H⁺ 및 CO₃²⁻)의 양이 증가하여 pH가 낮아지고 더 산성인 용액이 생성된다. 해양의 자연적인 완충 시스템은 자유 산성 양성자와 탄산 이온이 반응하여 알칼리성을 형성하는 더 많은 중탄산 이온을 생성함으로써 pH 변화에 저항한다.^[14] 그러나 대기 중 CO₂ 농도가 증가하면 완충 용량 한계를 초과하여 해양 산성화 속도가 더 빨라질 수 있다.

참조

_[1] 웹사이트 Hydrogen ion - chemistry https://www.britanni[...] 2018-03-18
_[2] 문서 due to its extremely high charge density of approximately 2×10¹⁰ times that of a sodium ion
_[3] 서적 Compendium of Chemical Terminology http://www.iupac.org[...] Blackwell Science 1997
_[4] 웹사이트 Chemistry http://cnx.org/conte[...] OpenStax CNX 2016-06-20
_[5] 논문 Neutralization of fossil fuel CO₂ by marine calcium carbonate 1997
_[6] 논문 Atmospheric carbon dioxide concentrations over the past 60 million years 2000
_[7] 논문 The oceanic sink for anthropogenic CO₂ 2004
_[8] 논문 Carbon sequestration 2008
_[9] 논문 Climate change feedbacks on future oceanic acidification 2007
_[10] 논문 Carbon Sequestration in Ecosystems: The Role of Stoichiometry http://www.jstor.org[...] 2004
_[11] 웹사이트 Henry's Law https://www.ncbi.nlm[...] StatPearls Publishing 2020-09-07
_[12] 웹사이트 Chemistry http://cnx.org/conte[...] OpenStax CNX 2016-06-20
_[13] 웹사이트 Chemistry http://cnx.org/conte[...] OpenStax CNX 2016-06-20
_[14] 논문 Ocean Alkalinity, Buffering and Biogeochemical Processes 2020
_[15] 논문 Biology-mediated temperature control on atmosphericpCO2and ocean biogeochemistry 2007
_[16] 서적 Compendium of Chemical Terminology http://www.iupac.org[...] Blackwell Science 1997

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