산과 염기의 정의
산과 염기는 여러 이론에 따라 정의될 수 있습니다. 대표적인 세 가지 이론은 다음과 같습니다.
(1) 아레니우스 이론 (Arrhenius Theory)
아레니우스 이론에 따르면 산은 물에 녹였을 때 수소 이온(H+)을 생성하는 물질이고, 염기는 물에 녹였을 때 수산화 이온(OH-)을 생성하는 물질입니다. 산이 물에 녹으면 분자가 수소 이온과 짝염기로 해리됩니다. 예를 들면 염산(HCl)이 물에 녹으면 H+이론과 Cl-이온으로 해리됩니다. 그리고 염기가 물에 녹으면 분자가 수산화 이온과 짝산으로 해리됩니다. 예를 들면 수산화나트륨(NaOH)이 물에 녹으면 Na+와 OH-로 해리됩니다. 아레니우스 이론은 화학 반응성 예측, 산-염기 평형 이해, 전기화학적 과정에 대한 설명 등 다양한 분야에서 광범위하게 사용이 되는데 물이 없는 용매에서는 적용이 되는 않는 단점과 약산과 약염기의 해리 정도는 정확하게 예측하지 못하는 단점이 있습니다.
(2) 브뢴스테드-로우리 이론 (Brønsted–Lowry Theory)
브뢴스테드 로우리 산-염기 이론은 프로톤(H+)의 이동을 중심으로 설명하고 있습니다. 브뢴스테드 산은 프로톤을 주는 물질 (양성자 주개, proton donor)로 염산(HCl), 황산(H2SO4), 아세트산(CH3COOH) 등이 있습니다. 반응식은 다음과 같습니다.
HCl + H₂O → H₃O⁺ + Cl⁻
본 반응식에서 HCl이 H⁺를 주므로 산, H₂O가 H⁺를 받으므로 염기입니다.
브뢴스테드 염기는 프로톤을 받는 물질(양성자 받개, proton acceptor)로 암모니아(NH3), 수산화 이온(OH⁻) 등이 있습니다. 반응식은 다음과 같습니다.
NH₃ + H₂O ⇌ NH₄⁺ + OH⁻
NH₃가 H⁺를 받아 NH₄⁺가 되므로 염기, H₂O가 H⁺를 줬으므로 산입니다. 브뢴스테드 로우리 이론은 물이 없어도 설명이 가능하며 기체 상태에서 적용이 가능한 장점이 있습니다. 그러나 오직 양성자의 전달 반응에만 적용이 가능하기 때문에 산이 반드시 이온화할 수 있는 수소 원자를 포함하고 있어야 하는 한계가 있습니다.
(3) 루이스 이론 (Lewis Theory)
루이스 산 염기는 산과 염기의 비공유 전자쌍을 받아들여 공유 결합을 하는 것으로 산은 다른 물질의 비공유 전자쌍을 받아들이는 물질(전자쌍 받개), 염기는 다른 물질에서 비공유 전자쌍을 내놓는 물질(전자쌍 주개)로 정의 내릴 수 있습니다. 예를 들면 다음과 같습니다.
BF₃ + NH₃ → BF₃NH₃
NH₃는 비공유 전자쌍 주는 루이스 염기이며 BF₃는 비공유 전자쌍을 받는 루이스 산입니다. 루이스 산 염기에서 산은 양성자를 내놓는 물질뿐만 아니라 금속 이온과 전자쌍을 받을 수 있기 때문에 다른 이온이나 분자(Ag, BF, SO 등)까지 확장하여 사용할 수 있는 장점이 있습니다.
산-염기 반응과 중화 반응
우리 주변에는 산성과 염기성 물질이 많습니다. 예를 들면 레몬즙은 신맛이 나는 산성, 비누는 미끈거리는 염기성으로 분류가 됩니다. 그렇다면 산과 염기가 만나면 어떤 일이 벌어질까요? 바로 산-염기 반응입니다.
산(acid)과 염기(base)가 만나면 중화 반응이 일어나면서 물과 염(salt)이 생성됩니다. 다음은 대표적인 반응식입니다.
HCl + NaOH → H2O + NaCl
우리가 잘 아는 염산과 수산화나트륨이 만나면 서로 결합하여 중성 물질인 물과 소금으로 생성되는데 이것이 중화 반응의 핵심입니다. 중화 반응은 완전 중화와 부분 중화가 있는데 완전 중화는 H이온과 OH이온의 개수가 같아서 완전히 중성이 되는 경우를 말하고 부분 중화는 H이온이나 OH 이온이 남아서 약산성 또는 약염기성이 되는 경우를 말합니다.
생활 속의 산-염기 반응
우리 주변에는 다양한 산 염기 반응이 일어나고 있습니다. 그중에 몇 가지를 살펴볼까 합니다.
1. 위산과 제산제
우리가 위산이 과다 분비가 되면 속 쓰림이 발생하는데 제산제를 먹게 되면 증상이 완화가 됩니다. 바로 중화 반응 때문인데 위산은 HCl로 강산이고 제산제는 수산화마그네슘이나 탄산수소나트륨으로 염기이기 때문에 둘이 만나 물과 염, 그리고 이산화탄소를 생성해서 중화 반응을 하여 증상을 완화시키게 됩니다. 그리고 여기서 생성된 이산화탄소 때문에 트림을 하게 됩니다.
2. 벌레 물린 곳에 암모니아 바르기
모기나 개미에 물리면 가려움 증상이 나타나는데 이는 벌레의 침에 있는 독(예: 개미산, HCOOH)이 산성 물질이기 때문입니다. 가려움을 완화시키기 위해선 염기성 용액인 암모니아수(NH3)를 발라주게 되면 산성이 중화되어 증상이 완화됩니다.
3. 배수구 청소
배수구에 찌든 때가 많으면 악취와 막힘이 발생하는데 여기서도 산 염기 반응을 이용하게 되면 쉽게 문제를 해결할 수 있습니다. 배수구에 기름때나 찌꺼기 때문에 악취와 막힘이 발생하게 되는데 이는 산성 또는 중성 성분이 쌓였기 때문에 나타나는 현상으로 식초(CH3COOH)와 베이킹소다(NaHCO3)를 넣게 되면 중화 반응이 일어나면 때를 쉽게 제거할 수 있습니다.
4. 세탁 세제와 얼룩 제거
옷에 기름때나 땀 얼룩은 약산 산성의 성질을 가지고 있습니다. 그래서 세탁 세제(염기성 성분, Na2CO3, NaOH 등으로 구성)를 사용하게 되면 산성을 중화하여 때를 쉽게 제거할 수 있습니다.
5. 소화제와 신 맛 중화
신 음식을 먹고 속이 불편할 때 소화제를 먹으면 속이 편안해지는데 이는 신맛은 산성 물질로 구성되어 있기 때문에 염기성 성분인 소화제를 먹게 되면 산을 중화시켜 속이 편안해지는 것입니다.
이처럼 우리 주변에선 과학적으로 설명 가능한 산 염기 반응이 많습니다. 일상 속에서 다른 산 염기 반응을 찾아보는 것도 재미있는 경험이 될 것 같습니다.