과학_산과 염기

산과 염기

산
 - 푸른색 리트머스 종이를 붉게 변화시킨다.

 ex. 탄산음료, 식초, 요구르트, 과일(레몬, 자몽, 토마토), 과일 주스 등

 

염기
 - 붉은색 리트머스 종이를 푸르게 변화시킨다.
 ex. 세제, 세탁 비누, 하수구 세척제, 유리 세정제, 제빵용 소다, 제산제 등 

 

*산과 염기의 성질

관찰 결과	염산	아세트산 수용액	수산화 나트륨 수용액	탄산수소 나트륨 수용액
리트머스 종이의 색 변화는?	푸른색 -> 붉은색	푸른색 -> 붉은색	붉은색 -> 푸른색	붉은색 -> 푸른색
전류가 흐르는가?	전류가 흐른다.	전류가 흐른다.	전류가 흐른다.	전류가 흐른다.
마그네슘과 반응하는가?	반응한다.	반응한다.	반응하지 않는다.	반응하지 않는다.
탄산 칼륨과 반응하는가?	반응한다.	반응한다.	반응하지 않는다.	반응하지 않는다.
페놀프탈레인 용액에 의한 색 변화는?	색 변화 없다.	색 변화 없다.	붉은색으로 변함.	붉은색으로 변함.

 

*산성
 - 산이 나타내는 공통적인 성질

• 산의 수용액은 전류가 흐른다.
• 페놀프탈레인 용액(염기성만 반응)을 떨어뜨려도 색이 변하지 않는다.
• 탄산 칼슘(달걀 껍질, 조개, 게 껍질 등)이 산과 반응하여 탄산칼슘이 녹으며 이산화 탄소 기체가 발생한다.
• 푸른색 리트머스 종이를 붉은색으로 변하게 한다.
• 마그네슘, 철 등의 금속과 반응하여 수소 기체가 발생한다.
• 대부분 신맛이 난다.

*염기성

 - 염기가 나타내는 공통적인 성질

• 염기의 수용액은 전류가 흐른다.
• 페놀프탈레인 용액을 떨으뜨리면 붉은색으로 변한다.
• 염기는 단백질을 녹이는 성질이 있다.
• 붉은색 리트머스 종이를 푸른색으로 변하게 한다.
• 대부분의 염기는 마그네슘, 철 등의 금속과 반응하지 않는다.
• 대부분 쓴맛이 난다.

*산이나 염기 수용액에서 이온의 이동 관찰하기

• 전류가 흐르면 푸른색 리트머스 종이의 색 변화가 (-)극 쪽으로 이동하였으므로 산성을 나타내는 이온이 양이온인 수소 이온임을 알 수 있다.
• 전류가 흐를 때 염산(산성)의 수소 이온은 (-)극 쪽으로 이동하고, 염화 이온(염기성)은 (+)극 쪽으로 이동한다.
• 염산 대신 아세트산 수용액으로 실험을 해도, 산성을 띄게 하는 이온이 양이온인 수소 이온이기 때문에 종이의 색 변화가 (-) 극 쪽으로 이동한다.

• 전류가 흐르면 붉은색 리트머스 종이의 푸른색으로 변한 부분이 (+)극 쪽으로 이동할 것이다.
• 염기 수용액에서 공통적으로 존재하는 이온은 음이온인 수산화 이온이고, 색 변화 부분과 수산화 이온의 이동 방향이 같으므로, 염기가 공통적인 성질을 나타내는 것은 수산화 이온 때문이라는 것을 알 수 있다.

산성을 나타나게 하는 이온	염기성을 나타내게 하는 이온
산의 수용액에 전류가 흐르면 푸른색 리트머스 종이가 (-)극 쪽으로 붉게 변한다.	염기의 수용액에 전류가 흐르면 붉은색 리트머스 종이가 (+)극 쪽으로 푸르게 변한다.
수소 이온(H+)이 (-)극 쪽으로 이동하기 때문이다.	수산화 이온(OH-)이 (+)쪽으로 이동하기 때문이다.
물에 녹아 수소 이온 (H+)을 내놓는 물질 (염화 수소, 황산, 아세트산 = 물에 녹아 수소이온(H+)과 음이온으로 나뉜다.) (염산) HCl -> H+ + Cl- (황산) H₂SO₄ -> 2H+ + SO₄²- (아세트산) CH₃COOH -> H+ + CH₃COO-	물에 녹아 수산화 이온(OH-)을 내놓는 물질 (수산화 나트륨, 수산화 칼륨, 암모니아 수 = 물에 녹아 수산화 이온(OH-)과 양이온으로 나뉜다.) (수산화 나트륨) NaOH -> Na+ + OH- (수산화 칼륨) KOH -> K+ + OH- (암모니아 수) NH₃ + H₂O -> NH₄+ + OH-

 

*지시약

 - 용액의 액성을 확인하는 데 사용하는 물질

 - 액성에 따라 색이 달라진다.
 - 보라색 양배주, 포도, 장미(천연 지시약) 등에서 추출한 용액도 산성과 염기성에 따라 색이 변한다.

• 페놀프탈레인 용액
   - 산성과 중성에서 무색, 염기에서만 붉은색을 띈다.
• BTB 용액
   - 산성 : 노란색
   - 중성 : 초록색
   - 염기성 : 푸른색
• 메틸 오렌지 용액
   - 산성에서만 빨간색, 중성과 염기성에서 노란색을 띤다.

 

pH

 - 수용액 속에 들어 있는 H+의 농도를 수치로 나타낸 것으로 0~14의 값을 가진다.

 - pH 시험지나 pH 측정기를 통해 쉽게 pH를 알 수 있다.

 - pH가 7보다 작을수록 산성이 강해지고, 7보다 클수록 염기성이 강해진다.

( pH < 7 : 산성,   pH = 7 : 중성,   pH > 7 : 염기성 )

 

중화 반응

중화 반응

• 산의 수소 이온(H+)과 염기의 수산화 이온(OH-)이 결합하여 물(H₂O)을 생성하는 반응
   ex1. 딱따구리의 침은 염기성을 띄고 있어서, 위험을 느낀 개미가 내뿜는 산(HCOOH)을 중화시킬 수 있으므로 딱따구리는 개미산으로 인한 피해를 입지 않고 개미를 잡아먹을 수 있다.
   ex2. 묽은 염산(산성)에 BTB 용액을 1~2방울 떨어뜨린 후 수산화 나트륨 수용액(염기성)을 조금씩 가하면, 노란색(산성)이었던 용액이 초록색(중성)을 거쳐 푸른색(염기성)으로 변한다.
• 산과 염기의 중화 반응에서는 산의 수소 이온(H+)과 염기의 수산화 이온(OH-)이 항상 1:1의 개수비로 반응한다.
   H+ + OH- -> H₂O
• 산과 염기 수용액의 H+과 OH-중에서 중화 반응하고 남아 있는 이온에 의해 혼합 용액의 액성이 결정된다.

중화 반응 전	반응 후 남는 이온	혼합 용액의 액성
산의 H+ 개수 = 염기 수용액의 OH- 개수	없다.	중성
산의 H+ 개수 > 염기 수용액의 OH- 개수	H+	산성
산의 H+ 개수 < 염기 수용액의 OH- 개수	OH-	염기성

 

염산과 수산화 나트륨 수용액의 중화 반응
 - 염산의 수소 이온(H+)과 수산화 나트륨 수용액의 수산화 이온(OH-)이 물(H₂O)을 생성하는 반응이 일어난다.
 - HCl (산) + NaOH (염기) -> NaCl + H₂O (물)

 ex. 묽은 황산에 들어 있는 2개의 수소 이온 중 1개는 수산호 나트륨 수용액에 들어 있는 1개의 수산화 이온과 중화 반응하여 물 분자 1개를 만든다. 따라서 혼합 용액에는 수소 이온 1개가 남아있게 되고, 중화 반응에 참여하지 않은 나트륨 이온과 황산 이온이 각각 1개씩 그대로 존재한다. 따라서 혼합 용액은 남은 수소 이온 때문에 산성을 띄게 된다.

*수용액에 존재하는 이온 수의 변화
수소 이온 (H+)	묽은 염산에 넣는 수산화 나트륨 수용액의 수산화 이온(OH-)과 반응하므로 점점 감소하다가, 모두 반응한 후에는 존재하지 않는다.
염화 이온 (Cl-)	반응에 참여하지 않으므로, 처음 묽은 염산 속에 있던 개수 그대로 존재한다.
나트륨 이온 (Na+)	반응에 참여하지 않으므로, 수산화 나트륨 수용액을 넣을수록 계속 증가한다.
수산화 이온 (OH-)	수소 이온(H+)과 계속 반응하므로 존재하지 않다가, 수소 이온이 모두 반응한 후부터는 수산화 나트륨 수용액을 넣는 만큼 중가한다.

 

중화열
 - 산과 염기의 중화 반응이 일어날 때 발생하는 열

 - 반응하는 수소 이온(H+)과 수산화 이온(OH-)의 수가 많을수록 중화열이 많이 발생한다.

 + 중화 반응은 발열 반응으로 중화 반응이 많이 일어날수록 열이 많이 발생하게 되어 온도가 많이 올라간다. 따라서 온도 변화가 가장 큰 곳에서 중화 반응이 가장 많이 일어난다.

 

중화점

 - 산과 염기의 중화 반응에서 산의 수소 이온(H+)과  염기의 수산화 이온(OH-)이 모두 반응하여 완전히 중화 반응이 일어나는 지점

 - 지시약의 색깔 변화(BTB용액 = 초록색), 산과 염기가 반응할 때의 온도 변화(가장 높은 온도) 등으로 찾을 수 있다.

 

*생활 속 중화 반응의 예

 - 입안에 사는 박테리아에 의해 생성된 산성 물질을 중화시키기 위해 치약에는 염기성 물질이 들어 있다.

 - 위산이 과다 분비되어 통증을 느낄 때 약한 염기성 물질이 들어 있는 제산제를 복용하여 중화시킨다.

 - 물놀이 시설의 물을 염소 소독할 경우 산성을 띠므로 염기를 넣어 중화시켜 pH를 조절한다.

 - 하수 처리장의 악취는 산인 황화 수소가 원인 중 하나이므로 염기인 수산화 나트륨으로 중화시킨다.

 - 생선구이나 생선회에 산성인 레몬즙을 뿌리면 비린내의 원인인 염기성 물질이 중화된다.

 - 산성비를 유발하는 이산화 황은 공장에서 배출하기 전에 염기인 산화 칼슘과 반응시켜 제거한다.

 - 산성화 된 호수나 토양에 염기인 석회 가루를 뿌려 중화시킨다.

 + '무구정광대다라니경' - 일반 종이는 산성을 띄지만, 한지의 원료인 닥나무를 삶을 때 염기성인 잿물을 넣기 때문에 중성을 띄게 되어 오랫동안 보존이 가능하다.

 

호수나 토양의 산성화의 원인과 대책

원인

 - 산성비 : 공기 중 황 산화물과 질소 산화물이 빗물에 녹아 황산, 질산 등이 되어 산성을 띄는 빗물

 - 화학 비료 : 비료 속 질소, 인 등이 물에 녹아 질산, 인산 등이 되어 토양을 산성화 시킴

대책

 - 산성화된 토양이나 호수를 중화시키기 위해 적정량의 석회 가루를 사용한다.

 - 황 산화물, 질소 산화물 등의 배출을 줄이고, 화학 비료의 사용을 줄인다.

 

이산화 탄소가 지구와 우주 환경에 미치는 영향

 - 이산화 탄소가 물에 녹으면 탄산이 되므로 약한 산성을 띠게 된다. (탄산수, 사이다, 콜라)

 - 이산화 탄소는 중화 반응을 이용하여 중화시킬 수 있다.

 - 대기 중 이산화 탄소 농도 증가로 인해 지구의 평균 온도가 상승하는 등 여러 가지 문제가 발생한다.

 - 대기 중 이산화 탄소의 농도가 높아지면 바닷물에 녹는 이산화 탄소의 양도 증가하여 바닷물의 pH가 낮아진다.

 - 이로 인해 바다에 살고 있는 생물, 특히 탄산 칼슘 골격을 가진 산호, 조개류 등에 피해를 준다(객체 수 감소).