산과 염기, 이들은 대체 무엇인가
이 세상에 물질을 나누는 방법이 얼마나 존재할까? 이번 기사에서는 화학 물질들을 나눌 수 있는 가장 일반적인 기준 중 하나를 소개하려고 한다. 이러한 정의들은 상황에 따라서 다르지만 이 기사에서는 물에 녹아있는 수용액 상태에 대해서 다루려고 한다.
산과 염기는 흔히 들어봤을 내용일 수 있다. 이러한 산과 염기는 굉장히 다양한 종류의 정의들이 존재한다. 처음에 산과 염기의 정의는 아레니우스가 제안을 하였으며, 산은 수소 이온을 내놓는 물질이라고 정의를 하였으며, 수산화이온을 내놓는 물질을 염기라고 정의를 하였다. 사실 화학에서는 이러한 정의를 그닥 좋아하지는 않는다. 그 이유는 특정 물질에 대해서 서술을 하게 된다면 모든 물질에 대해서 일반화가 불가능하게 된다. 특정 물질이 정의에 들어가게 된다면 그것이 들어자기 않은 물질들에 대해서 어떻게 서술을 해야할 것인가? 그리고 그러한 성질들이 나타나는데, 특정한 물질이 존재하지 않는다면 이것을 어떻게 설명을 해야할까? 이러한 과정에서 나오게 된 물질이 바로 암모니아이다. 암모니아는 염기로 알려져 있는데 암모니아는 절대로 수산화이온을 스스로 내놓을 수가 없다. (산소가 존재하지 않는다.) 물론 아레니우스가 처음에 정의를 하였을 때에는 밝혀져 있었던 염기들은 모두 OH기를 가지고 있었기 때문에 큰 문제는 없었지만, 이러한 영향으로 인하여 일반화가 가능할 수 있도록 정의가 변하게 된다.
그 다음에 나오게 된 정의가 바로 브뢴스테드-로우리 정의이다. 브뢴스테드-로우리의 경우 산을 전자를 잃어버리는 물질로 설명을 하였으며, 전자를 받게 되는 경우 이를 염기라고 규명을 하였다. 이러한 과정을 거치게 된다면 모든 물질로 일반화가 가능하게 된다는 것을 알 수 있다. (실질적으로 모든 물질은 전자를 가지고 있다고 해석을 해도 무방하다.) 일반화학 수준에서 산과 염기를 논할 때에는 일반적으로 브뢴스테드-로우리 정의를 사용하여 설명을 한다.
시간이 지나게 되면서 브뢴스테드-로우리 정의로도 설명을 할 수 없었던 산과 염기를 설명할 수 있는 새로운 정의가 나오게 되었다. 이는 루이스가 정의하여 루이스 산과 루이스 염기라고 표현을 한다. 이들은 비공유전자쌍을 받게 된다면 산이 되고 비공유 전자쌍을 잃게 된다면 이를 염기라고 표현을 한다. 이러한 정의는 수용액 상태에서는 잘 사용하지는 않고 유기화학에 들어가게 된다면 의미 있게 사용이 된다.
산과 염기의 세기는 어떻게 비교를 할 수 있을까? 어떠한 물질들은 다른 물질들에 비해서 전자를 더 잘 줄 수도 있으며, 어떠한 물질들은 다른 물질들에 비해서 상대적으로 전자를 덜 받을 수도 있는 것이다. 이러한 비교들을 하기 위해서 이온화도라는 개념을 도입하게 되었다. 이온화도는 초기에 산을 넣었을 때, 이들 중에서 이온화가 진행이 되는 비율을 의미한다. 만약에 100개의 산을 넣게 되었는데, 40개가 짝염기의 형태로 변화를 하게 된다면 이들의 이온화도는 0.4라고 할 수 있다. 이러한 이온화도를 통하여 산과 염기를 구분할 수 있는데, 일부 산과 염기는 이온화도가 거의 1에 가까운 경우가 존재한다. 이러한 경우 이들을 강산이라고 하고, 1보다 매우 작은 경우 (주로 0.05보다 작은 경우를 생각한다.) 이들을 약산, 약염기로 표현을 하게 된다. 이들의 성질은 서로 다르게 된다.
서로 다른 산과 염기의 세기를 구분할 수 있는 일반적인 척도는 존재하지 않는 것일까? 존재하고 이를 pH라고 표현을 한다. pH는 그 수용액에 존재하는 수소의 몰농도와 상관이 있는데, 그 값에서 -log을 취하게 되어서 나오게 되는 값이 pH가 된다. 일반적으로 pH의 범위는 0에서 14 사이라고 나오지만 이는 사실이 아니다. 수용액 상에서는 pH는 -1.7에서 15.7까지의 값이 이론적으로 나올 수 있게 되며, 이들이 다른 용액에 있는 경우, 이와 상당히 다른 값들이 나올 수 있게 된다. 여기에서 명심해야 할 점은 이 값에서 log가 사용이 되었다는 것이다. 이를 통하여 수소의 몰농도가 10배가 증가하게 된다면 pH는 1만큼 감소하게 된다. 그렇기에 pH의 차이가 숫자만 봤을 때에는 큰 차이가 없을 수도 있지만, 이들의 차이는 상상을 초월할 수 있으므로 이를 경계해야할 필요성이 존재하게 된다.
산과 그의 짝염기 중에서 하나만 존재하는 경우가 있을까? 실질적을 불가능하다. 아무리 작은 양이더라도 굉장히 작은 양으로 모두 존재해야 한다. 이러한 용액들을 완충용액이라고 하는데, 이들의 경우에는 강산이나 강염기를 넣게 되더라도 pH의 변화량이 크지 않게 되는 것을 의미하게 된다. 이것을 통하여 다양한 식들을 유도할 수 있는데, 이들 중에서 가장 대표적인 식이 바로 헨더슨-하셀바흐 식이다. 이 식은 짝산과 짝염기의 비율에 따라서 pH가 결정되는 식으로 이들의 반응이 일어나는 평형상수와 상당한 관련이 있다. 이러한 식들은 약물에서 상당히 의미있게 사용이 된다. 만약에 특정 약품이 pH가 2인 경우 잘 분해가 된다면 이 물질은 위에서 분해가 될 것이라는 것을 알 수 있게 된다. 이를 분석하여 올바른 약을 만들 수도 있을 것이다.
이처럼 산과 염기는 우리의 삶에서 지대한 영향을 끼칠 수 있다. 이러한 개념들을 정확하게 숙지하여 앞으로 산, 염기를 제대로 구분할 수 있기를 바란다.