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산과 염기: 성질, 지시약, 그리고 반응

산은 물에서 H⁺ 이온을 내놓고, 염기는 물에서 OH⁻ 이온을 내놓는다. 지시약은 색이나 냄새가 변해서 둘을 구별해 주고, H⁺와 OH⁻가 만나면 물이 되고 염이 남는다.

🎬 단계별 이야기

  1. 이 비커에는 리트머스 조각이 든 순수한 물이 있다. 리트머스는 보라색 그대로다. 이 물은 중성이라서 산도 염기도 아니다.
  2. 여기에 염산(HCl)을 몇 방울 떨어뜨린다. 물속에서 염산은 H⁺ 이온(빨강)과 Cl⁻ 이온(초록)으로 나뉜다. H⁺ 이온 때문에 액체가 산성이 되어 리트머스가 붉게 변한다.
  3. 이번에는 새 비커에 염기인 수산화 나트륨(NaOH)을 넣는다. 물속에서 OH⁻ 이온(파랑)과 Na⁺ 이온(보라)을 내놓는다. OH⁻ 이온이 리트머스를 푸르게 만든다.
  4. 지시약이 리트머스만 있는 것은 아니다. 페놀프탈레인을 골라 보자. 염기에서는 분홍색이 되고 산에서는 무색 그대로다. 메틸 오렌지와 강황도 색이 변한다.
  5. 중화 반응이다. 염기를 산에 붓는다. H⁺ 하나와 OH⁻ 하나가 만나 물 분자(H₂O)가 된다. 둘이 다 쓰이고 나면 Na⁺와 Cl⁻만 남는다. 이것이 바로 소금이다.
  6. 이제 네 차례다. 산과 염기 슬라이더를 움직이고 지시약을 바꿔 보자. H⁺와 OH⁻ 이온을 세어 보고, 보기 전에 색을 먼저 예상해 보자.

팁: 3D 화면을 드래그하면 돌아가요. 두 손가락으로 확대할 수 있어요.

🤔 헷갈리는 점, 한 번에 해결

포도당에도 수소가 있는데 왜 산이 아닐까?

산이라는 것은 물에서 H⁺ 이온을 내놓는다는 뜻이다. 포도당은 물에서 분자 그대로 있어서 H⁺ 이온이 생기지 않고, 회로 실험에서도 전구에 불이 켜지지 않는다.

중화 반응에서 H⁺와 OH⁻는 어디로 갈까?

H⁺ 하나와 OH⁻ 하나가 만나 물 분자가 된다. 5단계에서 빨간 공과 파란 공이 물 분자로 바뀌는 모습을 보자.

H⁺와 OH⁻가 물이 되면 염은 무엇일까?

남은 이온들이다. 염기에서 온 Na⁺와 산에서 온 Cl⁻가 합쳐진 염화 나트륨, NaCl이다.

페놀프탈레인은 왜 산에서 색이 변하지 않을까?

산성과 중성 용액에서는 무색이고, OH⁻ 이온이 남아돌 때만 분홍색이 된다. 자유 놀이 슬라이더로 페놀프탈레인을 써 보자.

리트머스는 왜 순수한 물에서 보라색일까?

순수한 물에는 H⁺와 OH⁻가 똑같이 아주 조금씩 있어서 어느 쪽도 이기지 못한다. 그래서 리트머스는 가운데 색인 보라색을 띤다.

중화된 뒤에 염기를 더 넣으면 어떻게 될까?

달라진다. 남는 OH⁻ 이온이 자유롭게 떠다니므로 용액이 염기성이 된다. 염기 슬라이더를 산 슬라이더보다 높게 올리고 색을 보자.

산과 염기란 무엇일까?

산은 신맛이 나고(레몬, 타마린드, 식초) 푸른 리트머스를 붉게 바꾼다. 염기는 쓴맛이 나고 미끌미끌하며, 붉은 리트머스를 푸르게 바꾼다. 실험실의 약품은 절대 맛보면 안 된다. 이런 성질은 음식으로만 알아보자.

생활 속의 산과 염기

물에 녹는 염기를 알칼리라고 한다(NaOH, KOH, Ca(OH)₂, NH₄OH). 알칼리는 모두 염기이지만 염기가 모두 알칼리인 것은 아니다. 산화 구리는 물에 녹지 않는 염기다.

지시약: 천연, 합성, 냄새 지시약

지시약은 색(또는 냄새)이 변해서 용액이 산성인지 염기성인지 알려 주는 물질이다.

지시약산에서염기에서
리트머스(이끼에서 얻음)푸른색 → 붉은색붉은색 → 푸른색
페놀프탈레인무색분홍색
메틸 오렌지붉은색노란색
강황노란색 그대로붉은 갈색
적양배추 즙붉은색/분홍색초록색

냄새 지시약

어떤 물질은 냄새가 변한다. 양파와 정향유는 염기에서 냄새가 사라진다. 바닐라 에센스도 염기에서는 냄새가 사라지지만 산에서는 냄새가 남는다. 색을 구별하기 어려운 학생에게 도움이 된다.

노란 강황 카레 얼룩은 비누로 빨면 붉은 갈색이 된다. 비누가 염기성이기 때문이다. 맹물로 다시 헹구면 노란색이 서서히 돌아온다.

산과 염기의 화학적 성질

1. 산 + 금속 → 염 + 수소 기체

Zn + H₂SO₄ → ZnSO₄ + H₂↑. 불붙인 막대를 가까이 대면 기체가 퍽 소리를 내며 탄다. 이것이 수소 확인법이다.

2. 염기 + 금속 (일부 금속만)

2NaOH + Zn → Na₂ZnO₂ (아연산 나트륨) + H₂↑. 모든 금속이 이렇게 반응하지는 않는다.

3. 산 + 금속 탄산염 / 탄산수소염 → 염 + 물 + 이산화 탄소

Na₂CO₃ + 2HCl → 2NaCl + H₂O + CO₂↑, NaHCO₃ + HCl → NaCl + H₂O + CO₂↑. CO₂는 석회수를 뿌옇게 만든다(CaCO₃가 생김). CO₂가 너무 많아지면 다시 맑아진다(녹는 Ca(HCO₃)₂가 생김).

4. 산 + 염기 → 염 + 물 (중화 반응)

NaOH + HCl → NaCl + H₂O. 열이 나오므로 발열 반응이다.

5. 산 + 금속 산화물 → 염 + 물

CuO + 2HCl → CuCl₂ + H₂O. 검은 산화 구리가 녹고 용액은 청록색이 된다. 그래서 금속 산화물은 염기성이다.

6. 염기 + 비금속 산화물 → 염 + 물

Ca(OH)₂ + CO₂ → CaCO₃ + H₂O. 그래서 비금속 산화물은 산성이다.

모든 산과 모든 염기의 공통점은?

포도당과 알코올에도 수소가 들어 있지만 산이 아니다. 차이는 이렇다. 산은 물에서 H⁺ 이온을 내놓는다. H⁺는 혼자 있을 수 없어서 물 분자와 결합해 하이드로늄 이온 H₃O⁺가 된다. HCl + H₂O → H₃O⁺ + Cl⁻.

염기는 물에서 OH⁻ 이온을 내놓는다. NaOH → Na⁺ + OH⁻.

회로로 확인해 보자. 묽은 HCl이나 H₂SO₄를 두 전극 사이에 넣으면 전구에 불이 켜지지만, 포도당이나 알코올 용액에서는 켜지지 않는다. 전류를 나르는 것은 이온이다.

물이 필요한 이유: 마른 HCl 기체는 마른 푸른 리트머스를 바꾸지 못하지만, 젖은 리트머스는 붉게 변한다. H⁺ 이온은 물속에서만 생기기 때문이다.

산을 안전하게 묽히기

산이나 염기를 물과 섞으면 열이 많이 난다. 반드시 산을 물에 천천히, 저으면서 넣어야 한다. 물을 산에 부으면 안 된다. 열 때문에 액체가 튀고 유리가 깨질 수도 있다.

이온으로 보는 중화 반응

H⁺ + OH⁻ → H₂O. 나머지 이온(Na⁺, Cl⁻)은 염으로 남는다.

핵심 공식과 정의

풀이 예제

1. 아연 알갱이를 묽은 황산에 넣었다. 어떤 기체가 생기고 어떻게 확인할까?

Zn + H₂SO₄ → ZnSO₄ + H₂. 생기는 기체는 수소다. 시험관 입구에 불붙인 막대를 가까이 대면 기체가 퍽 소리를 내며 탄다.

2. 요구르트나 피클을 황동이나 구리 그릇에 담으면 왜 맛이 나빠질까?

요구르트와 피클에는 산이 들어 있다. 산은 구리, 아연(황동에 들어 있음) 같은 금속과 반응해서 몸에 해롭고 맛이 나쁜 염을 만든다. 그래서 유리, 스테인리스, 도자기 그릇에 보관한다.

3. 금속 화합물 A를 묽은 HCl과 반응시켰더니 석회수를 뿌옇게 만드는 기체가 나왔다. 남은 용액에는 염화 칼슘이 들어 있다. A는 무엇이며 반응식은?

기체는 CO₂이므로 A는 탄산염이고, 염이 CaCl₂이므로 금속은 칼슘이다. A = CaCO₃. CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ + H₂O + CO₂.

4. 산화 구리 시료는 검은색이다. 여기에 묽은 HCl을 넣었다. 무엇이 보이고, 이것으로 무엇을 알 수 있을까?

검은 가루가 녹고 용액이 청록색(CuCl₂)이 된다. CuO + 2HCl → CuCl₂ + H₂O. 금속 산화물이 산과 반응해 염과 물이 되므로 금속 산화물은 염기성이다.

5. 마른 HCl 기체는 왜 마른 푸른 리트머스를 붉게 바꾸지 못할까?

산의 성질은 H⁺ 이온에서 나오는데, HCl은 물에서만 H⁺를 내놓는다. 물이 없으면 H⁺ 이온이 없으므로 색이 변하지 않는다. 젖은 리트머스는 붉게 변한다.

자주 하는 실수

연습 퀴즈

1. 모든 산이 물에서 내놓는 이온은 무엇일까?
2. 염기성 용액에서 페놀프탈레인의 색은?
3. 산 + 금속 탄산염이 만드는 것은?
4. 냄새 지시약은 어느 것일까?
5. 금속 산화물은 보통 어떤 성질일까?

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자주 묻는 질문

염기와 알칼리는 무엇이 다를까?

염기는 산을 중화하고 OH⁻를 내놓는 모든 물질이다. 알칼리는 NaOH나 KOH처럼 물에 녹는 염기다.

산을 물에 넣어야 하고 물을 산에 부으면 안 되는 이유는?

묽힐 때 열이 아주 많이 난다. 산에 물을 부으면 그 자리가 끓어 산이 튈 수 있다. 많은 물에 산을 천천히 넣으면 열이 고르게 퍼져 안전하다.

냄새 지시약이란?

산이나 염기에서 냄새가 변하는 물질이다. 양파, 바닐라 에센스, 정향유 등이 있고, 염기성 용액에서 냄새가 사라진다.

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