산-염기 반응

Acid–base reaction
백색 염화암모늄을 형성하는 기체 염산과 암모니아(염기)의 반응 영상

산-염기 반응화학에서 염기 사이에서 일어나는 화학 반응입니다. 적정을 통해 pH를 결정하는 데 사용할 수 있습니다. 몇몇 이론적 틀은 반응 메커니즘과 관련 문제를 해결하는 데 적용되는 대안적인 개념을 제공합니다. 예를 들어, 이것들은 산-염기 이론(Brönsteed-)이라고 불립니다.저염산-염기 이론.

이들의 중요성은 기체 또는 액체 종에 대한 산-염기 반응을 분석하거나 산 또는 염기 특성이 다소 덜 명확할 수 있는 경우에 명백해집니다. 이 개념들 중 첫 번째는 1776년경 프랑스 화학자 앙투안 라부아지에에 의해 제공되었습니다.[1]

산-염기 반응 모델을 서로 보완하는 이론으로 생각하는 것이 중요합니다.[2] 예를 들어, 현재 루이스 모델은 브뢴스테드와 함께 산과 염기가 무엇인지에 대한 가장 광범위한 정의를 가지고 있습니다.로우리 이론은 산과 염기가 무엇인지에 대한 부분집합이며, 아레니우스 이론이 가장 제한적입니다.

산-염기 정의

역사적 발전

산-염기 반응의 개념은 1754년 Guillaume-François Rouelle에 의해 처음 제안되었습니다. 그는 산과 반응하여 고체 형태를 만드는 물질을 의미하는 "염기"라는 단어를 화학에 도입했습니다. 염기는 대부분 자연적으로 쓰입니다.[3]

라부아지에의 산의 산소 이론

산과 염기에 대한 최초의 과학적 개념은 1776년경 라부아지에에 의해 제공되었습니다. 라부아지에의 강산에 대한 지식은 주로 옥소산에 국한되었기 때문에, 산소로 둘러싸인 높은 산화상태에서 중심원자를 포함하는 경향이 있는 HNO3(질산)와 HSO24(황산), 그리고 히드로할산(HF, HCl, HBr, HI)의 진정한 구성을 알지 못하여 산소를 포함하는 것으로 산을 정의하였고, 실제로 그는 "산-포머"를 의미하는 그리스어 단어에서 ", 날카롭다" γεινομα ι에서 "엔젠더"를 의미하는 이름을 지었습니다. 라부아지에의 정의는 1810년 기사와 험프리 데이비 경의 강연까지 30년 넘게 유지되어 황화수소(HS2), 텔루르화수소(HTE2) 및 히드로할산에 산소가 부족하다는 것을 증명했습니다. 그러나 데이비는 "산도는 특정한 기본 물질에 의존하는 것이 아니라 다양한 물질의 특이한 배열에 의존한다"[4]는 결론을 내리면서 새로운 이론을 개발하는 데 실패했습니다. 산소 이론의 한 가지 주목할 만한 수정은 Jöns Jacob Berzelius에 의해 제공되었는데, 그는 산은 비금속의 산화물이고 염기는 금속의 산화물이라고 말했습니다.

리비히의 산 수소 이론

1838년에 Justus von Liebig는 산은 수소를 함유한 화합물이며, 수소는 금속으로 대체될 수 있다고 제안했습니다.[5][6][7] 이러한 재정의는 Davy에 의해 시작된 산소 기반 산에서 수소 기반 산으로의 교리적인 전환을 완료하면서 유기산의 화학적 구성에 대한 그의 광범위한 연구에 기초했습니다. 리비히의 정의는 완전히 경험적이기는 하지만 아레니우스의 정의가 채택될 때까지 거의 50년 동안 사용되었습니다.[8]

아레니우스 정의

스반테 아레니우스

분자 용어로 산과 염기에 대한 최초의 현대적인 정의는 스반테 아레니우스에 의해 고안되었습니다.[9][10] 산에 대한 수소 이론은 1884년 프리드리히 빌헬름 오스트발트함께 수용액에 이온이 존재한다는 것을 연구하여 1903년에 아레니우스가 노벨 화학상을 수상하는 계기가 되었습니다.

아레니우스가 정의한 바와 같이:

  • 아레니우스 산은 물에서 이온화되어 수소 이온(H+)[11]을 형성하는 물질로, 즉 산은 수용액에서+ H 이온의 농도를 증가시킵니다.

이것은 물의 양성자화, 또는 수소 이온3+ 생성을 일으킵니다.[note 1] 따라서 현대에는 HO3+ 약자로 기호 H+ 해석되는데, 이는 현재 수용액에서 자유종으로 맨 양성자가 존재하지 않는 것으로 알려져 있기 때문입니다.[14] 이것은 용액의 산도나 염기도를 측정하기 위해 pH 지표로 측정되는 종입니다.

  • Arrhenius 염기는 물에서 해리되어 수산화(OH) 이온을 형성하는 물질로, 즉 염기는 수용액에서 OH 이온의 농도를 증가시키는 물질입니다. 도 및 알칼리도에 대한 Arrhenius 정의는 수용액에 한정되며 대부분의 비수용액에는 유효하지 않으며 용매 이온의 농도를 의미합니다. 이 정의에 따르면 톨루엔에 용해된 순수한 HSO24 HCl은 산성이 아니며 용융된 NaOH와 액체 암모니아의 아마이드 칼슘 용액은 알칼리성이 아닙니다. 이것은 브뢴스테드의 발전으로 이어졌습니다.이러한 비수적 예외를 설명하기 위한 로우리 이론과 후속 루이스 이론.[15]

산과 염기의 반응을 중화 반응이라고 합니다. 이 반응의 생성물은 소금과 물입니다.

이 전통적인 표현에서 산-염기 중화 반응은 이중 치환 반응으로 공식화됩니다. 예를 들어, 염산(HCl)과 수산화나트륨(NaOH) 용액의 반응은 염화나트륨(NaCl) 용액과 일부 추가 물 분자를 생성합니다.

아레니우스는 이 방정식의 수식어(aq)를 명시적으로 포함하지 않고 암시했습니다. 물질이 물에 용해되어 있음을 나타냅니다. HCl, NaOH 및 NaCl 세 가지 물질 모두 순수한 화합물로 존재할 수 있지만 수용액에서 이들은 수성+ 이온 H, Cl+, Na 및 OH로 완전히 해리됩니다.

예: 베이킹 소다

물과 결합하면 중탄산나트륨(베이킹 소다, NaHCO3)과 산성염이 반응하여 기체 이산화탄소를 생성합니다. 상업적으로 준비하든 국내에서 준비하든 베이킹 소다 제형의 원칙은 그대로 유지됩니다. 산-염기 반응은 일반적으로 다음과 같이 나타낼 수 있습니다.[16]

실제 반응은 산이 복잡하기 때문에 더 복잡합니다. 예를 들어, 중탄산나트륨과 인산칼슘(Ca(HPO24)2으로 시작하여, 반응은 다음과 같은 화학량론에 의해 이산화탄소를 생성합니다.[17]

인산일칼슘(MCP)은 국내 베이킹 파우더의 일반적인 산 성분입니다.

일반적인 제형(중량 기준)은 30%의 중탄산나트륨, 5~12%의 인산칼슘, 21~26%의 황산알루미늄을 요구할 수 있습니다. 또는 상업용 베이킹 파우더는 황산알루미늄 대신 피로인산나트륨을 두 가지 산성 성분 중 하나로 사용할 수 있습니다. 이러한 제형의 또 다른 전형적인 산은 타르타르산의 유도체인 타르타르 크림(KCHO456)입니다.[17]

브뢴스테드–로우리정의

요하네스 니콜라우스 브뢴스테드토마스 마틴 라우리

브뢴스테드-1923년 덴마크의 요하네스 니콜라우스 브뢴스테드와 영국의 마틴 라우리에 의해 각각 공식화된 라우리 정의는 [18][19]의 탈양성자화를 통한 염기의 양성자화, 즉 산이 수소 이온(H+)을 염기에 "도네이션"하고, 이를 "수용"하는 능력에 기초하고 있습니다.[20][note 2]

따라서 산-염기 반응은 산에서 수소 이온을 제거하고 염기에 추가하는 것입니다.[21] 산에서 수소 이온을 제거하면 결합염기가 생성되는데, 이것은 수소 이온이 제거된 산입니다. 양성자가 염기에 의해 수용되면 수소 이온이 추가된 염기인 결합산이 생성됩니다.

이전 정의와는 달리 브뢴스테드는낮은 정의는 염과 용매의 형성을 말하는 것이 아니라 산에서 염기로 양성자가 전달되어 생성되는 결합산결합염기의 형성을 말합니다.[11][20] 이 접근법에서 산과 염기는 기본적으로 데비, 온세거 등의 이론에 따라 전해질로 보는 염과 행동이 다릅니다. 산과 염기가 반응하여 염과 용매를 생성하는 것이 아니라 새로운 산과 새로운 염기를 생성합니다. 따라서 중화의 개념은 없습니다.[4] 브뢴스테드–낮은 산-염기 거동은 공식적으로 어떤 용매와도 무관하므로, 아레니우스 모델보다 더 포괄적입니다. Arrhenius 모델의 pH 계산은 알칼리(염기)가 물(수용액)에 용해되는 것에 의존했습니다. 브뢴스테드-Lowry 모델은 불용성 및 용해성 용액(기체, 액체, 고체)을 사용하여 pH 테스트가 가능한 것을 확장했습니다.

브뢴스테드에 따른 산-염기 반응의 일반식-로우리 정의는 다음과 같습니다.

여기서, HA는 산을 나타내고, B는 염기+ 나타내고, BH는 B의 결합산을 나타내고, A HA의 결합 염기를 나타냅니다.

예를 들어 브뢴스테드-수용액에서 염산(HCl)의 해리에 대한 로우리 모델은 다음과 같습니다.

HCl에서 H+ 제거하면 산의 결합염기인 염화이온 Cl 생성됩니다. HO2 H+ 첨가하면 염기의 결합산인 히드로늄 이온, HO3+ 형성됩니다.

물은 양쪽성입니다 – 즉, 그것은 산과 염기의 역할을 모두 할 수 있습니다. 브뢴스테드-Lowry 모델은 물이 낮은 농도의 하이드로늄과 수산화 이온으로 해리되는 것을 보여주며 이를 설명합니다.

이 방정식은 아래 이미지에 나와 있습니다.

여기서 1분자의 물이 산으로 작용하여+ H를 공여하여 결합염기 OH를 형성하고, 2분자의 물이 염기로 작용하여 H+ 이온을 받아들여 결합산인 HO3+ 형성합니다.

물이 산으로 작용하는 예로 피리딘의 수용액, CHN55 생각해 보세요.

이 예에서 물 분자는 피리딘 분자에 공여되는 수소 이온과 수산화 이온으로 분리됩니다.

브뢴스테드에서--Lowry 모델은 Arrhenius Acid–Base 모델에서 요구하는 것처럼 용매가 반드시 물일 필요는 없습니다. 예를 들어, 액체 암모니아아세트산CHCOOH3 용해되면 어떻게 되는지 생각해 보세요.

H+ 이온은 아세트산에서 제거되어 결합염기인 아세테이트 이온인 CHCOO3 형성합니다. 용매의 암모니아 분자에 H+ 이온을 첨가하면 결합산인 암모늄 이온인 NH+4가 생성됩니다.

브뢴스테드-Lowry 모델은 HCl과 같은 수소 함유 물질을 산이라고 부릅니다. 따라서3 SO나 BCl3 같이 많은 화학자들이 산으로 간주했던 일부 물질은 수소가 부족하기 때문에 이 분류에서 제외됩니다. 길버트 N. 루이스는 1938년에 "산의 그룹을 수소를 포함하는 물질로 제한하는 것은 산소를 포함하는 물질로 산화제라는 용어를 제한하는 것만큼이나 화학의 체계적인 이해를 심각하게 방해한다"[4]고 썼습니다. 또한 KOHKNH2 브뢴스테드 염기가 아니라 OH2 NH
2 포함하는 염으로 간주됩니다.

루이스 정의

Arrhenius와 Brönsted의 수소 요구량 –Lowry는 Gilbert N에 의해 고안된 산-염기 반응의 루이스 정의에 의해 제거되었습니다. 1923년에 루이스는 브뢴스테드와 같은 [22]해에-로리, 하지만 1938년까지 그는 그것을 자세히 설명하지 않았습니다.[4] 산-염기 반응을 양성자나 다른 결합된 물질로 정의하는 대신 루이스 정의는 염기(루이스 염기라고 함)를 전자쌍을 기증할 수 있는 화합물로, 산(루이스 산)을 이 전자쌍을 받을 수 있는 화합물로 정의합니다.[23]

예를 들어 삼불화붕소, BF3 대표적인 루이스 산입니다. 옥텟에 빈 자리가 있기 때문에 전자 한 쌍을 수용할 수 있습니다. 플루오린화 이온은 옥텟으로 가득 차 있으며 전자 한 쌍을 기증할 수 있습니다. 따라서

전형적인 루이스 산, 루이스 염기 반응입니다. 화학식 AX3 가진 13족 원소의 모든 화합물은 루이스 산으로 작용할 수 있습니다. 마찬가지로 아민, NR3 3 포스핀, PR3 같은 화학식 DY를 갖는 15족 원소의 화합물은 루이스 염기로 작용할 수 있습니다. 그들 사이의 부가물은 원자 A(수용체)와 D(donor) 사이에 로 상징되는 데이터 공유 결합을 갖는 공식 XADY를 갖습니다. 화학식 DX2 갖는 16족 화합물도 루이스 염기로 작용할 수 있고, 이와 같이 에테르, RO2, 또는 티오에테르, RS2 같은 화합물이 루이스 염기로 작용할 수 있습니다. Lewis 정의는 이러한 예에 국한되지 않습니다. 예를 들어, 일산화탄소FB←CO의 삼불화붕소와 부가물을 형성할 때 루이스 염기로 작용합니다.

금속 이온을 포함하는 부가물을 배위 화합물이라고 하며, 각 리간드는 금속 이온에 전자 한 쌍을 제공합니다.[23] 리액션이.

강한 염기(ammonia)가 약한 염기(물)를 대체하는 산-염기 반응으로 볼 수 있습니다.

루이스와 브뢴스테드-반응 이후 낮은 정의는 서로 일치합니다.

두 이론 모두에서 산-염기 반응입니다.

용매계 정의

아레니우스 정의의 한계 중 하나는 물 용액에 대한 의존성입니다. 에드워드 커티스 프랭클린(Edward Curtis Franklin)은 1905년 액체 암모니아의 산-염기 반응을 연구하고 수성 아레니우스 이론과의 유사성을 지적했습니다. Albert F.O. Germann은 액체 포스젠인 COCl과 함께
2
1925년에 용매 기반 이론을 공식화하여 비양성자성 용매를 다루는 Arrhenius 정의를 일반화했습니다.[24]

게르만은 많은 용액에서 중성 용매 분자와 평형을 이루는 이온이 존재한다고 지적했습니다.

  • 솔보늄 이온: 양이온의 총칭. (솔보늄이라는 용어가 리오니움 이온이라는 오래된 용어를 대체했습니다: 용매 분자의 양성자화에 의해 형성된 양이온.)
  • 용매 이온: 음이온의 총칭. (용매라는 용어는 이전 용어인 멜리테이트 이온을 대체했습니다: 용매 분자의 탈양성자화에 의해 형성된 음이온.)

예를 들어, 물과 암모니아는 각각 수소수산화물, 암모늄아미드로 해리됩니다.

일부 비양성자성 시스템은 또한 이러한 해리를 겪는데, 예를 들어 사산화 디니트로젠니트로소늄질산염으로, 삼염화 안티몬은 디클로로안티모늄과 테트라클로로안티모네이트로, 포스젠은 클로로카르복소늄과 염화물로 분해됩니다.

솔보늄 이온의 농도를 증가시키고 솔벤트 이온의 농도를 감소시키는 용질을 이라고 정의합니다. 용매화물 이온의 농도를 증가시키고 용매화물 이온의 농도를 감소시키는 용질을 염기로 정의한다.

따라서, 액체 암모니아에서, KNH2(NH-2를 공급하는 것)는 강염기이고, NHNO43(NH+4를 공급하는 것)는 강산입니다. 액체 이산화황(SO2)에서, 티오닐 화합물(SO2+ 공급하는)은 산으로 작용하고, 아황산염(SO2-3을 공급하는)은 염기로 작용합니다.

액체 암모니아에서 비수성 산-염기 반응은 물에서의 반응과 유사합니다.

질산은 액체 황산의 염기가 될 수 있습니다.

이 정의의 고유한 강도는 비양성자성 용매에서의 반응을 설명하는 데 있어 보여줍니다. 예를 들어 액체 NO24:

용매 시스템 정의는 용매 자체뿐만 아니라 용질에 따라 달라지기 때문에 용매의 선택에 따라 특정 용질은 산 또는 염기가 될 수 있습니다: HClO4 물에서 강한 산, 아세트산에서 약한 산, 플루오로술폰산의 약한 염기; 이 이론의 특징은 강함과 약함으로 간주되어 왔습니다. 왜냐하면3 SO나 NH3 같은 일부 물질은 그 자체로 산성이거나 염기성인 것으로 간주되어 왔기 때문입니다. 반면 용매계 이론은 너무 일반적이어서 유용하지 않다는 비판을 받아왔습니다. 또한 수소 화합물에는 본질적으로 산성인 것이 있다고 생각되어 왔는데, 이것은 비수소성의 솔보늄염이 공유하지 않는 성질입니다.[4]

Lux–Flood 정의

이 산-염기 이론은 1939년 독일 화학자 헤르만 럭스[25][26] 제안한 산과 염기의 산소 이론의 부활로, 1947년[27] 호콘 플러드에 의해 더욱 개선되었으며, 현재도 용융염지구화학전기화학에서 사용되고 있습니다. 이 정의는 산을 산화 이온(O2−) 수용체로, 염기를 산화 이온 도너로 설명합니다. 예:[28]

이 이론은 비활성 가스 화합물, 특히 크세논 옥사이드, 플루오르화물 및 옥소플루오르화물의 반응을 체계화하는 데에도 유용합니다.[29]

우사노비치 정의

미하일 우사노비치는 수소 함유 화합물에 산성을 제한하지 않는 일반 이론을 개발했지만 1938년 발표된 그의 접근법은 루이스 이론보다 훨씬 더 일반적이었습니다.[4] Usanovich의 이론은 산을 부정적인 종을 받아들이거나 긍정적인 종을 기증하는 것으로 정의하고, 염기를 그 반대로 정의하는 것으로 요약할 수 있습니다. 이것은 산화 환원(산화-환원)의 개념을 산-염기 반응의 특별한 경우로 정의했습니다.

우사노비치 산-염기 반응의 예는 다음과 같습니다.

Lewis 산-염기 상호작용의 강도 합리화

HSAB이론

1963년, 랄프 피어슨은 '경질연질 산과 염기의 원리'로 알려진 정성적인 개념을 제안했습니다.[30] 이후 1984년 로버트 파의 도움으로 정량적으로 만들었습니다.[31][32] '하드'는 크기가 작고, 전하 상태가 높고, 약하게 분극되는 종에 적용됩니다. '소프트(Soft)'는 크기가 크고 전하 상태가 낮으며 강한 분극성을 갖는 종에 적용됩니다. 산과 염기는 상호작용하며, 가장 안정적인 상호작용은 단단하고 단단하며 부드럽습니다. 이 이론은 유기 화학과 무기 화학에서 사용되는 것을 발견했습니다.

ECW모델

Russell S. Drago에 의해 만들어진 ECW 모델은 Lewis acid base 상호작용의 강도를 기술하고 예측하는 정량적 모델인 - δH. 이 모델은 많은 루이스 산과 염기에 E와 C 매개변수를 할당했습니다. 각 산은 EA CA 특징지어집니다. 각 염기도 마찬가지로 고유B EB C로 특징지어집니다. EC 매개변수는 각각 산과 염기가 형성할 결합의 강도에 대한 정전기적 및 공유적 기여를 나타냅니다. 방정식은.

W 용어는 이량체 산 또는 염기의 절단과 같은 산-염기 반응에 대한 일정한 에너지 기여를 나타냅니다. 방정식은 산과 염기 강도의 역전을 예측합니다. 방정식의 그래픽 표현은 루이스 염기 강도 또는 루이스 산 강도의 단일 순서가 없음을 보여줍니다.[33]

산-염기 평형

강산과 강염기의 반응은 본질적으로 정량적 반응입니다. 예를들면,

이 반응에서 나트륨 이온과 염화 이온은 모두 중화 반응의 구경꾼입니다.

그들은 관여하지 않습니다. 염기가 약한 산을 첨가하는 것은 염기가 약한 용액은 완충용액이기 때문에 정량적이지 않습니다. 약산의 용액도 완충용액입니다. 약산과 약염기가 반응하면 평형 혼합물이 생성됩니다. 예를 들어, AH로 쓰여진 아데닌인산수소 이온인 HPO2-4와 반응할 수 있습니다.

이 반응에 대한 평형 상수는 아데닌과 인산이수소 이온의 산 해리 상수로부터 유도될 수 있습니다.

표기법 [X]는 "X의 농도"를 나타냅니다. 이 두 방정식을 수소 이온 농도를 제거하여 결합하면 평형 상수인 K를 얻을 수 있습니다.

산-알칼리 반응

산-알칼리 반응은 산-염기 반응의 특별한 경우이며, 여기서 사용되는 염기도 알칼리입니다. 산이 알칼리염(금속 수산화물)과 반응할 때 생성물은 금속염과 물입니다. 산-알칼리 반응도 중화 반응입니다.

일반적으로 산-알칼리 반응은 다음과 같이 단순화될 수 있습니다.

구경거리를 빼먹음으로써

산은 일반적으로 수소 양이온(H+)을 포함하거나 용액에서 생성되도록 하는 순수한 물질입니다. 염산(HCl)과 황산(HSO24)이 일반적인 예입니다. 물 속에서 이것들은 이온으로 분해됩니다.

알칼리는 물에서 분해되어 용해된 수산화 이온을 생성합니다.

참고 항목

메모들

  1. ^ 더 최근의 IUPAC 권고안은 더 새로운 용어인 하이드로늄이 [12]더 오래된 용어인 [13]옥소늄을 사용하여 브뢴스테드에서 정의된 것과 같은 반응 메커니즘을 설명할 것을 제안합니다.로우리 및 용매 시스템 정의가 더 명확하며, 아레니우스 정의는 산-염기 특성의 단순한 일반적인 개요 역할을 합니다.[11]
  2. ^ "원자핵에서 양성자를 제거하거나 추가하는 일은 일어나지 않습니다. 그것은 산의 해리에 관여하는 것보다 훨씬 더 많은 에너지를 필요로 할 것입니다."

참고문헌

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원천

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