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
- 자연 속의 산: 시트르산(레몬, 오렌지), 젖산(요구르트), 아세트산(식초), 타타르산(타마린드), 메탄산(개미와 벌의 침, 쐐기풀 잎), 옥살산(토마토).
- 실험실에서 쓰는 강한 산: 염산 HCl, 황산 H₂SO₄, 질산 HNO₃.
- 염기: 수산화 나트륨 NaOH, 수산화 칼륨 KOH, 수산화 칼슘 Ca(OH)₂(석회수), 수산화 마그네슘 Mg(OH)₂(마그네시아 유), 수산화 암모늄 NH₄OH.
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.
| 지시약 | 산에서 | 염기에서 |
|---|---|---|
| 리트머스(이끼에서 얻음) | 푸른색 → 붉은색 | 붉은색 → 푸른색 |
| 페놀프탈레인 | 무색 | 분홍색 |
| 메틸 오렌지 | 붉은색 | 노란색 |
| 강황 | 노란색 그대로 | 붉은 갈색 |
| 적양배추 즙 | 붉은색/분홍색 | 초록색 |
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
- 물속의 산: HCl + H₂O → H₃O⁺ + Cl⁻
- 물속의 염기: NaOH → Na⁺ + OH⁻
- 산 + 금속 → 염 + H₂
- 산 + 탄산염/탄산수소염 → 염 + H₂O + CO₂
- 산 + 염기 → 염 + 물 (중화 반응): H⁺ + OH⁻ → H₂O
- 금속 산화물 + 산 → 염 + 물 (금속 산화물은 염기성)
- 비금속 산화물 + 염기 → 염 + 물 (비금속 산화물은 산성)
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
- 수소가 들어 있는 화합물은 모두 산이라고 말하는 것. 포도당(C₆H₁₂O₆)과 알코올에는 수소가 있지만 물에서 H⁺ 이온을 내놓지 않는다.
- 진한 산에 물을 붓는 것. 항상 산을 물에 천천히, 저으면서 넣어야 한다.
- 모든 염기가 알칼리라고 생각하는 것. 물에 녹는 염기만 알칼리다.
- 페놀프탈레인이 산에서 분홍색이 된다고 쓰는 것. 산과 중성 용액에서는 무색이고, 염기에서만 분홍색이 된다.