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염기
염기(base)는 수용액에서 수산화 이온을 내거나 수소 이온을 흡수하는 물질을 말한다. 흔히 알칼리라고 부르며 산에 대응되는 물질로 서로 중화반응을 일으켜 염과 물을 만든다. 대부분의 염기는 금속 산화물이다. 염기는 전해질이며 대체로 쓴맛이 나고, 손에 닿으면 단백질을 녹이는 성질 때문에 미끈거린다. 염기 물질은 보통 수소이온지수가 7 이상이다. 대표적인 염기는 강한 염기로 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼륨(KOH), 수산화칼슘(Ca(OH)₂) 등이 있고, 약한 염기로 암모니아수(NH₄OH), 수산화마그네슘(Mg(OH)₂)이 있다.
염기는 소금과 같은 염을 만들어 내는 성질이 있어서 염을 만들어 내는 '기초(basis)'가 된다는 뜻의 그리스어에서 왔다. 염기성을 띠는 물질은 쓴맛을 내거나 피부에 닿았을 때 미끈미끈한 느낌을 주며, 우리의 주변에서는 비누, 샴푸, 세제, 표백제 등에서 쉽게 찾을 수 있다.
스반테 아레니우스는 물에 녹아서 수산화 이온 OH⁻과 양이온 H⁺으로 전리되는 물질을 염기(base)라고 정의하였다
정의
염기는 여러 가지 모형으로 정의하고 있다. 가장 널리 사용하는 정의는 아레니우스(Arrhenius) 염기, 브뢴스테드-로우리(Brønsted–Lowry) 염기, 그리고 루이스(Lewis) 염기가 있다.
아레니우스 정의
1884년 스웨덴의 화학자 아레니우스(Svante Arrhenius)는 수용액 상태에서 해리하여 수산화이온(OH⁻)을 내놓는 물질을 염기(base)로, 수소이온(H⁺)을 내놓는 물질을 산(acid)으로 정의하였다. 아레니우스의 정의에 의한 염기의 대표적인 예가 수산화소듐(NaOH)이다. NaOH는 물에 녹아 거의 대부분 이온화하여 Na⁺와 OH⁻를 내놓는다.
NaOH + H₂O(l) → Na⁺(aq) + OH⁻(aq)
브뢴스테드-로우리의 정의
아레니우스의 정의로는 충분히 설명할 수 없는 몇 가지 산-염기 반응이 있다. 그래서 덴마크의 물리 화학자인 브뢴스테드와 영국의 화학자 로우리는 좀 더 넓은 개념의 산-염기에 관한 정의를 제시하였다. 브뢴스테드와 로우리의 정의에 의하면 산은 수소 이온(H⁺)을 제공할 수 있는 물질로, 염기는 수소 이온을 받아들일 수 있는 물질로 정의하였다. 예를 들어, 아세트산 CH₃COOH과 암모니아 NH3의 산-염기 반응의 경우 브뢴스테드-로우리 정의에 의해 아세트산은 암모니아에 수소 이온을 제공하므로 산이고, 암모니아는 수소 이온을 제공받으므로 염기이다. 그러나 이 반응에서 암모니아는 수소화 이온을 생성하지 않으므로 아레니우스의 정의에 의해서는 염기가 되지 못한다.
CH₃COOH(aq) + NH₃(g) ⇌ CH₃COO⁻(aq) + NH₄⁺(aq)
루이스의 정의
브뢴스테드와 로우리의 정의에 의해 많은 산-염기 반응을 설명할 수 있었으나 이후 브뢴스테드와 로우리의 정의에 의해 설명할 수 없는 산-염기 반응이 알려지면서 미국의 화학자 루이스(Lewis)는 보다 더 확장된 개념의 산-염기에 대한 정의를 제시하였다.
루이스의 정의에 의하면 염기는 비공유 전자쌍을 제공하는 물질이고, 산은 비공유 전자쌍을 제공받는 물질이다. 암모니아(NH₃) 와 삼플루오린화 붕소(BF₃)의 반응의 경우, 암모니아는 질소 원자에 비공유 전자쌍(H₃N: )을 가지고 있으며, 삼플루오린화 붕소의 붕소 원자는 여덟 전자 규칙(octet rule)을 만족하지 못하고 있어 비공유 전자쌍을 받을 수 있다. 그래서 암모니아는 삼플루오린화 붕소에 비공유전자쌍을 제공하고 삼플루오린화 붕소는 전자쌍을 받아 결합이 이루어진다. 즉, 암모니아는 루이스의 정의에 의한 염기이고 삼플루오린화 붕소는 산이다.
BF₃ + NH₃ → F₃B-NH₃
산화가 일차적인 개념이고 환원이 이차적인 개념인 것과 마찬가지로, 산이 일차적이라면 염기는 이차적이다. 우주에서 가장 풍부한 원소인 수소가 산의 핵심 요소인 것은 아레니우스와 브뢴스테드/로우리의 정의에서 알 수 있다. 모든 산과 염기는 전기음성도 차이로 이해할 수 있다. HOCl에서 산소는 전기음성도가 염소보나 낮은 수소로부터 전자를 끌어당기기 때문에 수소는 산해리한다. 그러나 NaOH에서 산소는 수소보다 소듐에서 전자를 끌기 때문에 NaOH는 산이 아니고 염기이다.
염기의 세기
강염기
NaOH, KOH와 같은 알칼리 금속과 Sn(OH)₂와 같은 조금 더 무거운 알카리 토금속들의 이온성 수산화물은 강염기(strong base)이다. 이 화합물들은 수용액에서 완전히 용해되어 이온이 된다. 예를 들어 강염기인 NaOH의 경우에는 물에서 Na⁺ 이온과 OH⁻ 이온으로 100% 해리된다. 즉 0.1 M의 NaOH를 포함하는 수용액은 0.1 M의 Na⁺(aq)와 0.1 M의 OH⁻(aq)를 포함한다. 해리되지 않는 NaOH는 존재하지 않는다.
약염기
많은 물질들이 물속에서 약염기(weak base)로 작용한다. 약염기들은 H⁺ 이온과 결합할 수 있는 비공유 전자쌍을 한 개 이상 가지고 있다. 약염기는 물과 반응하여 물에서 수소 이온을 떼어내 염기의 짝산(conjugate acid)과 OH⁻ 이온을 생성한다. 수용액에서 염기(B로 표시함)의 이온화는 다음과 같이 나타낼 수 있다.
B(aq) + H₂O(l) ⇌ BH⁺(aq) + OH⁻(aq)
여기서 HB⁺는 B의 짝산(conjugate acid)이다. 이 화학 반응의 평형식은 다음과 같다.
[BH⁺][OH⁻]/[B] = Kb
이때 Kb 는 염기 해리 상수(base dissociation constant)라 불리며 약염기의 경우 1 보다 작다. 약염기산의 염기 해리 상수는 염기의 종류와 분자의 특성에 따라 달라지는 고유한 값이다. 그러므로 해리 상수가 큰 염기는 약염기 중에서도 비교적 센 약염기가 된다. 여러 중요한 염기들의 Kb값은 교과서나 백과사전에 쉽게 찾아 볼 수 있는데, pKb = -logKb값이 통상적으로 널리 활용된다. 예를 들어 암모니아의Kb는 1.8 x 10⁻⁵ 이고, 탄산 이온 (CO₃²⁻)의 Kb는 1.8 x 10⁻⁴ 이다.
참고자료
같이 보기
