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염의 가수 분해는 염이 이온화 할 때 생기는 이온이 물과 반응해 수소이온이나 수산화 이온을 생성함으로써 수용액을 산성이나 염기성으로 바꾸는 작용이다.
염의 가수분해를 이용하면 pH를 일정하게 유지하는 완충용액을 만들 수 있다.
Q1다음 제시문을 읽고 물음에 답하라.
(가) 덴마크의 화학자 요하네스 브뢴스테드와 영국의 화학자 T.M. 로우리는 산은 양성자(H+)를 내놓는 물질이고 염기는 양성자(H+)를 받아들일 수 있는 물질로 정의했다. 이 정의에 의하면 물(H2O)과 염화수소(HCl)의 반응에서 정반응의 경우에는 염화수소가 물에게 H+를 주었으므로 염화수소는 산으로 작용했고, 물은 H+를 받아 염기로 작용했다. 역반응의 경우에는 옥소늄이온(H3O+)이 염소이온(Cl-)에게 H+를 주었으므로 옥소늄이온은 산으로 작용했고, 염소이온은 H+를 받아 염기로 작용했다. 이 반응에서 HCl과 Cl-처럼 H+의 이동에 의하여 산과 염기로 되는 한 쌍의 물질을 짝산-짝염기라고 한다.
(나) 염이 수용액에서 이온화 할 때 생기는 이온 중 일부가 물과 반응해 수소이온(H?)이나 수산화이온(OH-)을 생성함으로써 수용액이 산성이나 염기성으로 변하는데 이것을 염의 가수분해라 한다. 가수분해는 약산의 음이온(짝염기)이나 약염기의 양이온(짝산)에서만 일어난다.
- 고등학교 화학Ⅱ 교과서
1)물(H2O)과 탄산수소나트륨(NaHCO3)은 양쪽성 물질로 알려져 있다. 두 물질이 양쪽성을 나타내는 이유를 반응식을 이용해 설명하라.
2)탄산수소나트륨(NaHCO3)과 황산수소나트륨(NaHSO4)을 물에 녹일 때 가수분해 여부를 비교하고 수용액의 액성을 설명하라.
전문가클리닉
1) 양쪽성 물질은 산과 염기로 모두 작용할 수 있는 물질이므로 각 물질이 산이나 염기로 작용하는 반응을 예로 들어 설명합니다.
2) 가수분해가 일어나는 조건을 확인하고 그 결과 어떤 이온의 농도가 증가하는지 생각해 봅니다.
예시답안
1) 물은 산과 반응할 때는 염기로 작용하고 염기와 반응할 때는 산으로 작용하므로 양쪽성 물질이다.
탄산수소나트륨(NaHCO3)의 탄산수소이온은 산과 반응할 때는 염기로 작용하고 염기와 반응할 때는 산으로 작용하므로 양쪽성 물질이다.
2) 탄산수소나트륨(NaHCO3)은 물에 녹아 탄산수소이온(HCO3-)을 생성한다. 이 이온은 약산의 짝염기이므로 물과 가수분해 반응해 염기성을 나타낸다.
황산수소나트륨(NaHSO4)은 물에 녹아 황산수소이온(HSO4-)을 생성한다. 이 이온은 강산의 음이온이므로 가수분해 되지 않는다. 물과 반응하면 다음과 같이 산성을 나타낸다.
다음 제시문을 읽고 물음에 답하라.
(가) 공통이온효과는 이온화 평형이 이루어진 용액에 같은 종류의 이온이 투입되면 그 이온의 농도를 감소시키는 방향으로 평형이 이동하는 것을 말한다. 공통이온효과는 평형상태에 있는 물질계의 온도나 압력을 바꾸었을 때, 그 평형상태를 유지하는 방향으로 반응이 진행된다는 르샤틀리에의 원리가 적용된 일종의 화학 평형이다. 예를 들면 아세트산 수용액은 다음과 같이 이온화해 평형을 이룬다.
이 용액에 아세트산나트륨(CH3COONa)을 첨가하면 아세트산나트륨은 수용액에서 다음과 같이 이온화하므로 아세트산이온(CH3COO-) 농도가 증가하게 된다.
아세트산 이온의 농도가 증가하면 ①번 이온화 평형 반응이 역반응 쪽으로 진행한다. 여기서 아세트산이온(CH3COO-)은 아세트산 수용액과 아세트산나트륨 수용액에 존재하는 공통이온이고 이런 공통이온에 의한 평형 이동을 공통이온효과라 한다.
-고등학교 화학Ⅱ 교과서
(나) 약산에 그 짝염기를 넣은 용액이나, 약염기에 그 짝산을 넣은 용액은 산이나 염기를 가해도 공통이온효과에 의해 pH가 거의 변하지 않는데 이런 용액을 완충용액이라고 한다. 예를 들어 아세트산 수용액에 아세트산나트륨을 넣은 완충용액에서 pH가 일정하게 유지되는 원리는 다음과 같다.
아세트산은 일부만 이온화되고 아세트산나트륨은 거의 100% 이온화돼 이온화 평형을 이룬다.
·산이 첨가되면 : H+의 양이 증가하고 공통 이온 효과에 의해 곧바로 ①반응의 역반응이 일어난다.
그러면 증가한 H+의 양이 감소되므로 pH는 거의 일정하게 유지된다.
·염기가 첨가되면 : 첨가된 OH-와 CH3COOH가 반응해 OH-가 대부분 제거되므로 pH가 거의 일정하게 유지된다.
(다) 완충용액의 pH는 핸더슨-하셀바하(Henderson-Hasselbalch)식으로부터 쉽게 구할 수 있다. 어떤 약산(HA)이 이온화할 때 이온화상수(Ka)는 다음과 같다.
- 줌달(ZUMDAHL) 일반화학 6판, 자유아카데미
1)우리 혈액은 일종의 완충용액이어서 pH가 거의 일정하게 유지된다. 다음 반응식을 이용해 혈액의 pH 조절에 대해 설명하라.
2)실제 혈액에는 탄산과 탄산수소나트륨이온의 비율이 H2CO3 : HＣO3- = 1 : 20 정도다. 혈액에서 완충작용을 하는 두 물질의 농도비가 이와 같이 크게 차이나는 이유가 무엇인지 설명하라.
3)인산이수소이온(H2PO4-)과 인산일수소이온(HPO42-)을 이용해 pH 7.40인 완충용액을 만들려고 한다. 두 이온의 농도를 어떻게 조절해야하는지 설명하고, 이 용액의 완충능력에 대해 설명하라
(단, H2PO4-H++HPO42-의 이온화상수 Ka=10-7.4이다).
4)체내에서는 단백질도 완충작용을 한다고 알려져 있다. 단백질에 존재하는 대표적인 작용기인 카르복시기(-COOH)와 아미노기(-NH2)를 이용해 단백질의 완충작용을 설명하라.
전문가 클리닉
1) 탄산과 탄산염의 이온화 평형이 수소이온이나 수산화이온 농도 변화에 따라 어떻게 이동하는지 생각해봅니다.
2) 짝염기의 농도가 높으면 어떤 물질을 제거하는데 유리한지 생각해봅니다.
3) 용액이 일정한 pH를 유지하려면 짝산과 짝염기의 농도가 어떤 비율이어야하는지 각 물질의 농도를 평형상수식에 대입해 알아봅니다.
4) 아미노기와 카르복시기가 외부에서 투입되는 산과 염기에 어떻게 작용할지 생각해봅니다.
예시답안
1) 세포 외액에는 약산인 탄산(H2CO3)과 약산의 염인 탄산수소나트륨(NaHCO3)이 혼합된 완충 용액이 들어있다. 따라서 수소이온이나 수산화이온이 들어오면 이를 제거해 pH를 일정하게 유지할 수 있다.
2) 혈액에서 완충작용을 나타내는 물질(짝산과 짝염기) 중 짝염기의 비율이 20배 정도 큰 이유는 혈액에는 산성 물질이 유입되는 경우가 많기 때문이다(운동을 하면 젖산 같은 산성 물질이 근육에 쌓인다). 이런 산성 물질을 효과적으로 제거하려면 혈액 내 HCO3-가 충분해야 한다. 염기성 물질이 혈액에 유입되는 경우는 매우 적으므로 이를 제거할 탄산의 농도는 높지 않아도 된다.
3) 인산이수소이온(H2PO4-)과 인산일수소이온(HPO42-)의 평형은 다음과 같이 이루어진다.
위 반응의 이온화상수 Ka=10-7.4이고, pH가 7.4인 완충용액을 만들려면[H+]=10-7.4이어야 한다. 따라서 위 평형 상수식에서 [HPO42-] / [H2PO4-]=1이 돼야 한다. 즉, 짝산(H2PO4-)과 짝염기(HPO42-)의 농도가 같게 만들었을 때 완충능력은 가장 크다. 이때는 pH와 pKa가 같다.
4) 단백질은 아미노산들이 펩티드 결합을 형성하고 있다. 아미노산은 염기성 작용기인 아미노기(-NH2)와 산성작용기인 카르복시기(-COOH)를 함께 갖고 있다. 카르복시기는 수소 이온을 내므로 혈액에 염기가 투입되면 수산화이온(OH-)를 제거해 pH를 거의 일정하게 유지할 수 있다.
단백질의 아미노기는 물속에서 수산화이온을 내므로 혈액에 산이 투입되면 수소이온(H+)과 반응해 pH를 거의 일정하게 유지할 수 있다.
염의 가수분해를 이용하면 pH를 일정하게 유지하는 완충용액을 만들 수 있다.
Q1다음 제시문을 읽고 물음에 답하라.
(가) 덴마크의 화학자 요하네스 브뢴스테드와 영국의 화학자 T.M. 로우리는 산은 양성자(H+)를 내놓는 물질이고 염기는 양성자(H+)를 받아들일 수 있는 물질로 정의했다. 이 정의에 의하면 물(H2O)과 염화수소(HCl)의 반응에서 정반응의 경우에는 염화수소가 물에게 H+를 주었으므로 염화수소는 산으로 작용했고, 물은 H+를 받아 염기로 작용했다. 역반응의 경우에는 옥소늄이온(H3O+)이 염소이온(Cl-)에게 H+를 주었으므로 옥소늄이온은 산으로 작용했고, 염소이온은 H+를 받아 염기로 작용했다. 이 반응에서 HCl과 Cl-처럼 H+의 이동에 의하여 산과 염기로 되는 한 쌍의 물질을 짝산-짝염기라고 한다.
(나) 염이 수용액에서 이온화 할 때 생기는 이온 중 일부가 물과 반응해 수소이온(H?)이나 수산화이온(OH-)을 생성함으로써 수용액이 산성이나 염기성으로 변하는데 이것을 염의 가수분해라 한다. 가수분해는 약산의 음이온(짝염기)이나 약염기의 양이온(짝산)에서만 일어난다.
- 고등학교 화학Ⅱ 교과서
1)물(H2O)과 탄산수소나트륨(NaHCO3)은 양쪽성 물질로 알려져 있다. 두 물질이 양쪽성을 나타내는 이유를 반응식을 이용해 설명하라.
2)탄산수소나트륨(NaHCO3)과 황산수소나트륨(NaHSO4)을 물에 녹일 때 가수분해 여부를 비교하고 수용액의 액성을 설명하라.
전문가클리닉
1) 양쪽성 물질은 산과 염기로 모두 작용할 수 있는 물질이므로 각 물질이 산이나 염기로 작용하는 반응을 예로 들어 설명합니다.
2) 가수분해가 일어나는 조건을 확인하고 그 결과 어떤 이온의 농도가 증가하는지 생각해 봅니다.
예시답안
1) 물은 산과 반응할 때는 염기로 작용하고 염기와 반응할 때는 산으로 작용하므로 양쪽성 물질이다.
탄산수소나트륨(NaHCO3)의 탄산수소이온은 산과 반응할 때는 염기로 작용하고 염기와 반응할 때는 산으로 작용하므로 양쪽성 물질이다.
2) 탄산수소나트륨(NaHCO3)은 물에 녹아 탄산수소이온(HCO3-)을 생성한다. 이 이온은 약산의 짝염기이므로 물과 가수분해 반응해 염기성을 나타낸다.
황산수소나트륨(NaHSO4)은 물에 녹아 황산수소이온(HSO4-)을 생성한다. 이 이온은 강산의 음이온이므로 가수분해 되지 않는다. 물과 반응하면 다음과 같이 산성을 나타낸다.
다음 제시문을 읽고 물음에 답하라.
(가) 공통이온효과는 이온화 평형이 이루어진 용액에 같은 종류의 이온이 투입되면 그 이온의 농도를 감소시키는 방향으로 평형이 이동하는 것을 말한다. 공통이온효과는 평형상태에 있는 물질계의 온도나 압력을 바꾸었을 때, 그 평형상태를 유지하는 방향으로 반응이 진행된다는 르샤틀리에의 원리가 적용된 일종의 화학 평형이다. 예를 들면 아세트산 수용액은 다음과 같이 이온화해 평형을 이룬다.
이 용액에 아세트산나트륨(CH3COONa)을 첨가하면 아세트산나트륨은 수용액에서 다음과 같이 이온화하므로 아세트산이온(CH3COO-) 농도가 증가하게 된다.
아세트산 이온의 농도가 증가하면 ①번 이온화 평형 반응이 역반응 쪽으로 진행한다. 여기서 아세트산이온(CH3COO-)은 아세트산 수용액과 아세트산나트륨 수용액에 존재하는 공통이온이고 이런 공통이온에 의한 평형 이동을 공통이온효과라 한다.
-고등학교 화학Ⅱ 교과서
(나) 약산에 그 짝염기를 넣은 용액이나, 약염기에 그 짝산을 넣은 용액은 산이나 염기를 가해도 공통이온효과에 의해 pH가 거의 변하지 않는데 이런 용액을 완충용액이라고 한다. 예를 들어 아세트산 수용액에 아세트산나트륨을 넣은 완충용액에서 pH가 일정하게 유지되는 원리는 다음과 같다.
아세트산은 일부만 이온화되고 아세트산나트륨은 거의 100% 이온화돼 이온화 평형을 이룬다.
·산이 첨가되면 : H+의 양이 증가하고 공통 이온 효과에 의해 곧바로 ①반응의 역반응이 일어난다.
그러면 증가한 H+의 양이 감소되므로 pH는 거의 일정하게 유지된다.
·염기가 첨가되면 : 첨가된 OH-와 CH3COOH가 반응해 OH-가 대부분 제거되므로 pH가 거의 일정하게 유지된다.
(다) 완충용액의 pH는 핸더슨-하셀바하(Henderson-Hasselbalch)식으로부터 쉽게 구할 수 있다. 어떤 약산(HA)이 이온화할 때 이온화상수(Ka)는 다음과 같다.
- 줌달(ZUMDAHL) 일반화학 6판, 자유아카데미
1)우리 혈액은 일종의 완충용액이어서 pH가 거의 일정하게 유지된다. 다음 반응식을 이용해 혈액의 pH 조절에 대해 설명하라.
2)실제 혈액에는 탄산과 탄산수소나트륨이온의 비율이 H2CO3 : HＣO3- = 1 : 20 정도다. 혈액에서 완충작용을 하는 두 물질의 농도비가 이와 같이 크게 차이나는 이유가 무엇인지 설명하라.
3)인산이수소이온(H2PO4-)과 인산일수소이온(HPO42-)을 이용해 pH 7.40인 완충용액을 만들려고 한다. 두 이온의 농도를 어떻게 조절해야하는지 설명하고, 이 용액의 완충능력에 대해 설명하라
(단, H2PO4-H++HPO42-의 이온화상수 Ka=10-7.4이다).
4)체내에서는 단백질도 완충작용을 한다고 알려져 있다. 단백질에 존재하는 대표적인 작용기인 카르복시기(-COOH)와 아미노기(-NH2)를 이용해 단백질의 완충작용을 설명하라.
전문가 클리닉
1) 탄산과 탄산염의 이온화 평형이 수소이온이나 수산화이온 농도 변화에 따라 어떻게 이동하는지 생각해봅니다.
2) 짝염기의 농도가 높으면 어떤 물질을 제거하는데 유리한지 생각해봅니다.
3) 용액이 일정한 pH를 유지하려면 짝산과 짝염기의 농도가 어떤 비율이어야하는지 각 물질의 농도를 평형상수식에 대입해 알아봅니다.
4) 아미노기와 카르복시기가 외부에서 투입되는 산과 염기에 어떻게 작용할지 생각해봅니다.
예시답안
1) 세포 외액에는 약산인 탄산(H2CO3)과 약산의 염인 탄산수소나트륨(NaHCO3)이 혼합된 완충 용액이 들어있다. 따라서 수소이온이나 수산화이온이 들어오면 이를 제거해 pH를 일정하게 유지할 수 있다.
2) 혈액에서 완충작용을 나타내는 물질(짝산과 짝염기) 중 짝염기의 비율이 20배 정도 큰 이유는 혈액에는 산성 물질이 유입되는 경우가 많기 때문이다(운동을 하면 젖산 같은 산성 물질이 근육에 쌓인다). 이런 산성 물질을 효과적으로 제거하려면 혈액 내 HCO3-가 충분해야 한다. 염기성 물질이 혈액에 유입되는 경우는 매우 적으므로 이를 제거할 탄산의 농도는 높지 않아도 된다.
3) 인산이수소이온(H2PO4-)과 인산일수소이온(HPO42-)의 평형은 다음과 같이 이루어진다.
위 반응의 이온화상수 Ka=10-7.4이고, pH가 7.4인 완충용액을 만들려면[H+]=10-7.4이어야 한다. 따라서 위 평형 상수식에서 [HPO42-] / [H2PO4-]=1이 돼야 한다. 즉, 짝산(H2PO4-)과 짝염기(HPO42-)의 농도가 같게 만들었을 때 완충능력은 가장 크다. 이때는 pH와 pKa가 같다.
4) 단백질은 아미노산들이 펩티드 결합을 형성하고 있다. 아미노산은 염기성 작용기인 아미노기(-NH2)와 산성작용기인 카르복시기(-COOH)를 함께 갖고 있다. 카르복시기는 수소 이온을 내므로 혈액에 염기가 투입되면 수산화이온(OH-)를 제거해 pH를 거의 일정하게 유지할 수 있다.
단백질의 아미노기는 물속에서 수산화이온을 내므로 혈액에 산이 투입되면 수소이온(H+)과 반응해 pH를 거의 일정하게 유지할 수 있다.
