탄산

탄산

탄산(碳酸, carbonic acid)은 이산화탄소의 수용액으로, 약한 산성을 띈다. 분자식은 H₂CO₃이다. 약산으로 청량음료 등에 사용한다. 수용액으로만 존재하며 CO₂＋H₂O ↔ H₂CO₃매우 약한 2가산이며, 다음과 같은 평형을 유지한다.

H₂CO₃ ↔ H⁺＋HCO₃⁻ , K₁＝(4.4±0.1)×10⁻⁷

HCO₃⁻ ↔ H⁺＋CO₃²⁻ , K₂＝(4.7±0.1)×10⁻¹¹

(K₁은 1차 이온화상수, K₂는 2차 이온화상수이다(모두 25℃에서의 값))

이산화탄소가 물에 녹을 때의 수화작용(水化作用)은 곧 평형에 이르지 않으며, 또 유리섬유·알루미나·활성탄 등이 존재하면 기체로서 분리되기 쉽다. 그리고 이산화탄소를 가압하에서 물에 녹인 것은 청량음료수로 사용된다.

상세

탄산은 이산화탄소가 수화된 산이다. 카보닐산이라고도 한다. 화학식은 H₂CO₃또는 O=C(OH)H₂CO이다. 흔히 볼 수 있는 것은 이산화탄소가 물에 녹았을 때다. 이산화탄소가 물에 녹으면 약간의 탄산이 발생하기 때문이다. 이산화탄소를 탄산가스라고도 부르는 것은 여기에서 유래된 것이다. 이산화탄소가 녹은 물은 탄산수라 한다. 탄산수에서는 탄산과 이산화 탄소가 평형을 이루게 된다.

CO₂＋H₂O ↔ H₂CO₃

이때, 대부분의 이산화탄소는 탄산으로 변하지 않고 그냥 물에 녹아 있고, 소량만이 탄산으로 전환된다. 그리고 전환된 탄산 중 소량만이 이온화된다. 게다가 촉매 없이는 전환되는 속도도 느려서 실제로 위와 같은 평형 상태가 되려면 오랜 시간이 필요하다. 이래 저래 뭔가 시원찮은 반응이다. 맥주의 경우 발효 과정에서 탄산이 만들어진다. 거꾸로, 화학반응의 결과물이 일단 탄산이라면(예를 들면 포름산을 산화), 그 탄산은 대부분 위의 반응을 거쳐 물과 이산화탄소로 분해된다. 탄산의 불안정성은 같은 자리 다이올 등 탄소 원자 하나에 -OH 기가 두 개 붙어 있는 물질의 일반적인 특징으로, 같은 자리 다이올이 물이 빠져나가고 알데하이드나 케톤이 되듯이 탄산 역시 그렇게 반응이 진행되어 이산화탄소가 된다.

발효에 의해 탄산이 만들어지는 것은 김치도 마찬가지인데 잘 익은 김치는 톡 쏘는 탄산 맛이 난다.

탄산은 약산으로서 탄산염과 중탄산염의 2가지의 염을 생성한다. 탄산이 많은 상태에서 염기를 넣으면 중탄산염이 생성되고, 염기가 많은 상태에서 탄산을 넣으면 탄산염이 생성된다.

탄산 이온은 CO₃²⁻인데, 이로 인해 삼산화 탄소(carbon trioxide, 카본 트리옥사이드) 드립이 있는데 실제로 그런 물질이 있다. 이산화탄소와 산소원자가 반응하면 생기는 매우 불안정한 물질이라고 한다.

탄산을 녹인 탄산수나 탄산음료를 마시면 트림이 나오게 된다. 이걸 노리고 소화제 대용으로 쓰기도 한다.

화학적 성질

탄산은 불안정하여 물과 이산화탄소로 분해되려는 경향이 비교적 강하다. 이는 탄산음료를 흔들었을 때 나타나는 반응을 통해 설명할 수 있다.

탄산음료를 처음 개봉하면 김 빠지는 소리와 함께 음료에서 기포가 올라오는데, 이는 높은 압력에서 용해되어있던 탄산이 개봉으로 인해 압력이 낮아지면서 이산화탄소와 물로 분해되며 나타나는 반응이다. 멘토스와 같은 표면장력을 약하게 만들 수 있는 물체와 접촉하면 표면 촉매이 일어나는데, 그 이유는 멘토스 표면의 미세한 구멍이 탄산을 이산화 탄소와 물로 분해하는 반응을 촉진시키기 때문이다. 또한 이러한 반응은 꼭 멘토스뿐만 아니라 아이스크림과 같이 표면이 거칠고 미세한 구멍이 많이 난 물체라면 얼마든지 가능하다.

금속과의 반응

탄산은 산성도가 비교적 약하기 때문에 반응성이 적다. 때문에 주로 알칼리 금속이나 알칼리 토금속 등의 반응성이 큰 금속에서 잘 반응한다.

나트륨과의 반응

탄산과 수산화나트륨이 1:1로 반응하면 탄산수소 나트륨이, 1:2로 반응하면 탄산나트륨이 만들어진다.

H₂CO₃ + NaOH → NaHCO₃ + H₂O

H₂CO₃ + 2 NaOH → Na₂CO₃ + 2 H₂O

칼슘과의 반응

석회수(수산화 칼슘 용액)에 이산화탄소를 용해시키면 탄산이 형성되어 뿌옇게 변하면서 불용성의 탄산칼슘(석회암과 분필의 주성분)이 만들어진다.

H₂CO₃ + Ca(OH)₂ → CaCO₃ + 2 H₂O

기타 특성

표준 온도 압력 조건에서, 평형 상수는 Kh= 1.70×10⁻³ m이다.

용도

• 탄산수나 탄산음료에 톡쏘는 맛을 주는 용도로 사용된다.
• 베이킹 소다를 만드는 데 사용된다.

참고자료

• 〈탄산〉, 《나무위키》
• 〈탄산〉, 《위키백과》
• 〈탄산〉, 《두산백과》

같이 보기

• 탄산이온
• 탄산나트륨
• 탄산칼슘
• 탄산칼륨
• 탄산리튬

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