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염기

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이 문서는 산-염기의 염기에 관한 것입니다. 다른 뜻에 대해서는 핵염기 문서를 참고하십시오.
비누지방산수산화 나트륨 또는 수산화 칼륨의 반응으로 형성되는 약염기이다.

염기(鹽基, base)는 (acid)과 반응하는 물질로, 아레니우스(Arrhenius) 염기, 브뢴스테드(Brønsted) 염기, 그리고 루이스(Lewis) 염기의 세 가지 정의방법을 따른다. 세 정의 모두 18세기 중엽 G.-F. 루엘(G.-F. Rouelle)에 의해 제안된 염기가 산과 반응하는 물질이라는 기본 개념에는 동의한다.

1884년, 스반테 아레니우스는 염기가 수용액에서 이온화하여 수산화물 이온(OH)을 형성하는 물질이라고 제안했다. 이 이온들은 산의 이온화에서 생성된 수소 이온(아레니우스의 정의에 따르면 H+)과 반응하여 산-염기 반응을 통해 물을 생성할 수 있다. 따라서 염기는 수산화 나트륨이나 수산화 칼슘과 같은 금속 수산화물이었다. 이러한 수용액 상태의 수산화물 용액은 특유의 성질로도 설명된다. 이들은 만졌을 때 미끄럽고, 쓴맛이 나며,[1] 산·염기 지시약의 색깔을 변화시킨다(예: 붉은색 리트머스 종이를 푸른색으로 변화).

물속에서 염기는 물의 자가 이온화 평형을 변화시킴으로써 수소 이온 활동도가 순수한 물보다 낮은 용액을 만드는데, 즉 표준 상태에서 pH가 7.0보다 높은 물을 만든다. 가용성 염기는 OH 이온을 화학량론적으로 포함하고 방출할 경우 알칼리라고 불린다. 금속 산화물, 수산화물, 그리고 특히 알콕사이드는 염기성을 띠며, 약산짝염기는 약염기이다.

염기와 산은 산이 물속에서 하이드로늄 (H3O+) 농도를 높이는 반면 염기는 이 농도를 낮추기 때문에 화학적 반대 개념으로 간주된다. 산과 염기의 수용액 사이의 반응은 중화 반응이라 불리며, 물과 용액을 생성하는데, 여기서 염은 구성 이온으로 분리된다. 만약 수용액이 주어진 염 용질포화 용액 상태라면, 추가적인 염은 용액으로부터 침전된다.

더 일반적인 브뢴스테드-로우리 산염기 이론(1923년)에서 염기는 수소 양이온(H+), 즉 양성자를 받아들일 수 있는 물질이다. OH는 H+와 반응하여 물을 형성하므로 이는 수용액 상태의 수산화물을 포함하며, 따라서 아레니우스 염기는 브뢴스테드 염기의 부분집합이다. 그러나 암모니아(NH3)의 수용액이나 그 유도체아민처럼 양성자를 받아들이는 다른 브뢴스테드 염기들도 존재한다.[2] 이러한 염기들은 수산화물 이온을 포함하지 않지만 물과 반응하여 수산화물 이온의 농도를 증가시킨다.[3] 또한, 일부 비수용매용매화된 양성자와 반응하는 브뢴스테드 염기를 포함한다. 예를 들어, 액체 암모니아에서 NH2는 이 용매 내의 산성 종인 NH4+로부터 양성자를 받아들이는 염기성 이온 종이다.

길버트 뉴턴 루이스는 물, 암모니아 및 기타 염기들이 그들이 가진 전자고립 전자쌍 덕분에 양성자와 결합을 형성할 수 있음을 깨달았다.[3] 루이스 이론에서 염기는 전자쌍 공여체로서, 루이스 산이라 기술되는 전자 수용체와 전자쌍을 공유할 수 있다.[4] 루이스 이론은 브뢴스테드 모델보다 더 일반적인데, 루이스 산이 반드시 양성자일 필요는 없으며 전자쌍을 받아들일 수 있는 비어있는 낮은 에너지의 원자 궤도를 가진 다른 분자(또는 이온)일 수 있기 때문이다. 한 가지 주목할 만한 예는 삼플루오르화 붕소(BF3)이다.

염기와 산에 대한 다른 여러 정의가 과거에 제안되었으나, 오늘날에는 흔히 사용되지 않는다.

용어의 어원

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염기라는 개념은 "모체(matrix)"라는 고대의 연금술적 관념에서 유래했다.

"염기(base)"라는 용어는 1717년 프랑스의 화학자 루이 레메리가 고대의 파라켈수스적 용어인 "모체(matrix)"의 동의어로 처음 사용한 것으로 보인다. 16세기 애니미즘의 맥락에서 파라켈수스는 자연적으로 발생하는 염이 보편적인 산이나 정액과 같은 원리가 흙으로 된 모체 또는 자궁에 스며들어 땅속에서 자라난다고 가정했다. ... 그러나 현대적인 의미와 화학 어휘로서의 일반적인 도입은 보통 프랑스의 화학자 기욤프랑수아 루엘의 공로로 돌린다. ... 1754년 루엘은 중성염을 산과 어떤 물질(물에 녹는 알칼리, 휘발성 알칼리, 흡수성 흙, 금속, 또는 기름 등)의 결합으로 형성된 생성물로 명시적으로 정의했으며, 이 물질은 "그것(염)에 구체적이고 고체적인 형태를 부여함으로써" 염의 "염기" 역할을 할 수 있었다. 18세기에 알려진 대부분의 산은 증류가 가능한 휘발성 액체 혹은 "정령(spirits)"이었던 반면, 염은 그 본성상 결정질 고체였다. 따라서 산을 중화시켜 산의 휘발성이나 정령을 파괴하고 결과물인 염에 고체성(즉, 구체적인 염기를 제공)을 부여하는 물질이 바로 염기였다.

윌리엄 B. 젠슨, 염기라는 용어의 기원[5]

성질

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염기의 일반적인 성질은 다음과 같다:

  • 농축되거나 강한 염기는 유기물에 대해 부식성이 있으며 산성 물질과 격렬하게 반응한다.
  • 수용액이나 용융된 염기는 이온으로 해리되며 전기를 전도한다.
  • 산·염기 지시약과의 반응: 염기는 붉은 리트머스 종이를 푸른색으로, 페놀프탈레인을 분홍색으로 변화시키며, 브로모티몰 블루는 푸른색으로 유지하고, 메틸 오렌지를 노란색으로 바꾼다.
  • 표준 조건에서 염기성 용액의 pH는 7보다 크다.
  • 염기는 쓴맛이 난다.[6]

염기와 물의 반응

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다음 반응은 염기(B)와 물이 반응하여 짝산(BH+)과 짝염기(OH)를 생성하는 일반적인 반응을 나타낸다:[3]이 반응의 평형 상수 Kb는 다음의 일반적인 식을 사용하여 구할 수 있다:[3]

이 식에서 염기(B)와 매우 강염기(짝염기 OH)는 양성자를 얻기 위해 경쟁한다.[7] 그 결과, 물과 반응하는 염기들은 상대적으로 작은 평형 상수 값을 가진다.[7] 평형 상수 값이 낮을수록 염기는 더 약하다.[3]

산의 중화

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수산화 암모늄 수용액에서 발생한 암모니아 증기가 염산(비커)과 반응하여 염화 암모늄(흰 연기)을 생성하고 있다.

염기는 물과 알코올 모두에서 산과 빠르게 반응하여 서로를 중화한다.[8] 물에 녹았을 때, 강염기인 수산화 나트륨은 수산화 이온과 나트륨 이온으로 이온화된다:

마찬가지로 물속에서 산인 염화 수소는 하이드로늄 이온과 염화 이온을 형성한다:

두 용액을 섞으면 H
3
O+
이온과 OH
이온이 결합하여 물 분자를 생성한다:

동일한 양의 NaOH와 HCl을 녹이면 염기와 산이 정확히 중화되어 용액에는 실질적으로 식염인 NaCl만 남게 된다.

베이킹 소다나 달걀 흰자와 같은 약염기는 산 유출물을 중화하는 데 사용해야 한다. 수산화 나트륨이나 수산화 칼륨과 같은 강염기로 산 유출물을 중화하면 격렬한 발열 반응을 일으킬 수 있으며, 염기 자체가 원래의 산 유출물만큼이나 큰 피해를 줄 수 있다.

비수산화물의 알칼리성

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염기는 일반적으로 일정량의 산을 중화할 수 있는 화합물이다. 탄산 나트륨암모니아는 모두 염기이지만, 이 두 물질 모두 OH
기를 포함하지 않는다. 두 화합물 모두 물과 같은 양성자성 용매에 녹을 때 H+를 받아들인다:

이로부터 염기 수용액의 pH 또는 산도를 계산할 수 있다.

염기는 또한 전자쌍을 소유함으로써 다른 원자의 원자가 껍질에 들어가 전자쌍 결합을 받아들일 능력이 있는 분자로 정의된다.[8] 염기성 성질을 가진 분자를 제공할 수 있는 원자를 가진 원소는 한정되어 있다.[8] 탄소질소, 산소와 마찬가지로 염기로 작용할 수 있다. 불소와 때때로 희귀 가스도 이러한 능력을 갖추고 있다.[8] 이는 일반적으로 부틸 리튬, 알콕사이드, 수소화 나트륨과 같은 금속 아미드 등의 화합물에서 발생한다. 공명 안정화가 없는 탄소, 질소, 산소의 염기는 대개 매우 강한 염기이거나 초염기이며, 물의 산성도 때문에 수용액 상태로 존재할 수 없다. 하지만 공명 안정화는 카복실산염과 같이 더 약한 염기를 가능하게 한다. 예를 들어, 아세트산 나트륨약염기이다.

강염기

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강염기는 물에 노출되었을 때 정량적으로 양성자화되는 염기이다. 이러한 완전한 양성자화는 평준화 효과의 결과이다. "강염기"라는 용어는 혼란을 일으킬 수 있는데, 이 경우 "강한"은 질적인 설명보다는 염기의 범주를 의미하기 때문이다. 예를 들어, 구아니딘은 매우 염기성인 분자이지만 물에 의해 완전히 양성자화되지 않기 때문에 강염기의 정의를 충족하지 못한다.

강염기의 일반적인 예로는 각각 알칼리 금속알칼리 토금속의 수산화물인 수산화 나트륨수산화 칼슘 등이 있다. 낮은 용해도 때문에 수산화 칼슘과 같은 일부 염기는 용해도 요인이 고려되지 않을 때 사용될 수 있다.[9]

이러한 낮은 용해도의 장점 중 하나는 "많은 제산제수산화 알루미늄수산화 마그네슘과 같은 금속 수산화물의 현탁액이었다"는 점이다.[10] 용해도가 낮고 수산화물 이온의 농도 증가를 멈추게 할 수 있는 능력은 입, 식도, 위 조직의 손상을 방지한다.[10] 반응이 계속되고 염이 녹으면서 위산은 현탁액에 의해 생성된 수산화물과 반응한다.[10]

강염기는 평준화 효과로 인해 물에서 완전히 가수분해된다.[8] 이 과정에서 물 분자는 염기를 양성자화하는 산으로 작용하여 수산화 음이온을 형성한다.[8] 무수 조건에서 일부 강염기는 심지어 약산성인 C–H 결합을 탈양성자화할 수도 있다. 다음은 여러 강염기의 목록이다:

수산화 리튬LiOH
수산화 나트륨NaOH
수산화 칼륨KOH
수산화 루비듐RbOH
수산화 세슘CsOH
수산화 마그네슘Mg(OH)
2
수산화 칼슘Ca(OH)
2
수산화 스트론튬Sr(OH)
2
수산화 바륨Ba(OH)
2
수산화 테트라메틸암모늄N(CH
3
)
4
OH
구아니딘HNC(NH
2
)
2

이러한 강염기의 양이온들은 주기율표의 1족과 2족(알칼리 및 알칼리 토금속)에 나타난다. 사알킬화 암모늄 수산화물도 물에서 완전히 해리되므로 강염기이다. 구아니딘은 양성자화되었을 때 예외적으로 안정적인 종의 특별한 사례인데, 이는 과염소산황산을 매우 강한 산으로 만드는 이유와 유사한 원리이다.

초염기

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탄소 음이온, 아미드 이온, 수소화물의 1족 염들은 짝산이 안정적인 탄화수소, 아민, 이수소로 매우 약하기 때문에 훨씬 더 강한 염기가 되는 경향이 있다. 보통 이러한 염기들은 짝산에 나트륨과 같은 순수 알칼리 금속을 첨가하거나 금속-할로겐 교환을 통해 만들어진다. 이들을 초염기라고 부르며, 수산화물 이온보다 강한 염기이므로 물과 즉시 반응하여 수산화물과 짝산을 형성하기 때문에(평준화 효과 참조) 수용액 상태로 유지하는 것은 불가능하다. 예를 들어, 에톡사이드 이온(에탄올의 짝염기)은 물이 존재하는 경우 정량적으로 이 반응을 거친다.[11]

흔한 초염기의 예는 다음과 같다:

가장 강한 초염기들은 기체 상태에서만 합성된다:

약염기

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약염기는 수용액에서 완전히 이온화되지 않거나 양성자화가 불완전한 염기이다. 예를 들어, 암모니아는 다음 식에 따라 물로부터 양성자를 받아들인다.[12]

NH3(aq) + H2O(l) NH+
4
(aq) + OH(aq)

25 °C에서 이 반응의 평형 상수는 1.8 × 10−5이므로,[13] 반응 정도 혹은 이온화도는 매우 작다.

루이스 염기

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루이스 염기 혹은 전자쌍 공여체는 수용체 분자의 낮은 에너지의 빈 궤도와 공유되어 부가생성물을 형성할 수 있는 한 개 이상의 고에너지 고립 전자쌍을 가진 분자이다. H+ 외에도 가능한 전자쌍 수용체(루이스 산)로는 BF3와 같은 중성 분자, Ag2+, Fe3+, Mn7+와 같은 높은 산화 상태의 금속 이온이 있다. 금속 이온을 포함하는 부가생성물은 대개 배위 화합물로 기술된다.[14]

루이스의 원래 정식화에 따르면, 중성 염기가 중성 산과 결합을 형성할 때 전기적 스트레스 상태가 발생한다.[8] 산과 염기는 이전에 염기에 속했던 전자쌍을 공유하게 된다.[8] 그 결과 높은 쌍극자 모멘트가 생성되며, 이는 분자를 재배열함으로써만 0으로 감소될 수 있다.[8]

고체 염기

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고체 염기의 예는 다음과 같다:

  • 산화물 혼합물: SiO2, Al2O3; MgO, SiO2; CaO, SiO2[15]
  • 담지된 염기: 실리카에 담지된 LiCO3; 알루미나에 담지된 NR3, NH3, KNH2; 실리카-알루미나에 담지된 NaOH, KOH[15]
  • 무기 화합물: BaO, KNaCO3, BeO, MgO, CaO, KCN[15]
  • 음이온 교환 수지[15]
  • 900도에서 처리되거나 N2O, NH3, ZnCl2-NH4Cl-CO2로 활성화된 숯[15]

고체 표면이 전기적으로 중성인 산을 흡수하여 짝염기를 성공적으로 형성하는 능력에 따라 표면의 염기 강도가 결정된다.[16] "고체 단위 표면적당 염기성 부위의 수"는 고체 염기 촉매에서 발견되는 염기 강도를 나타내는 데 사용된다.[16] 과학자들은 염기성 부위의 양을 측정하기 위해 지시약을 이용한 벤조산 적정과 기체 산 흡착이라는 두 가지 방법을 개발했다.[16] 충분한 염기 강도를 가진 고체는 전기적으로 중성인 산성 지시약을 흡수하여 산성 지시약의 색깔을 그 짝염기의 색깔로 변화시킨다.[16] 기체 산 흡착 방법을 수행할 때는 일산화 질소가 사용된다.[16] 이후 흡수된 이산화 탄소의 양을 계산하여 염기성 부위를 결정한다.[16]

촉매로서의 염기

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염기성 물질은 화학 반응을 위한 불용성 불균일 촉매로 사용될 수 있다. 몇 가지 예로 산화 마그네슘, 산화 칼슘, 산화 바륨과 같은 금속 산화물과 알루미나에 담지된 불화 칼륨, 일부 제올라이트가 있다. 많은 전이 금속은 우수한 촉매가 되며, 그중 다수는 염기성 물질을 형성한다. 염기성 촉매는 수소화, 이중 결합의 이동, 메르바인-폰도르프-벌리 환원, 마이클 반응 등에 사용된다. CaO와 BaO는 높은 온도로 가열하면 매우 활발한 촉매가 될 수 있다.[16]

염기의 용도

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일양성자성 및 다양성자성 염기

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화학식 단위당 한 개의 이온화 가능한 수산화물(OH) 이온을 가진 염기는 한 개의 양성자(H+)를 받아들일 수 있으므로 일양성자성(monoprotic)이라 불린다. 화학식 단위당 한 개 이상의 OH-를 가진 염기는 다양성자성(polyprotic)이다.[17]

염기의 한 화학식 단위에 존재하는 이온화 가능한 수산화물(OH) 이온의 수를 염기의 산도(acidity)라고도 한다.[18][19] 산도에 따라 염기는 일산성, 이산성, 삼산성 염기의 세 가지 유형으로 분류될 수 있다.

일산성 염기

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수산화 나트륨

염기 한 분자가 완전한 이온화를 통해 한 개의 수산화물 이온을 생성할 때, 이를 일산성 혹은 일양성자성(monoprotic) 염기라고 한다. 일산성 염기의 예는 다음과 같다:

수산화 나트륨, 수산화 칼륨, 수산화 은, 수산화 암모늄 등.

이산성 염기

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염기 한 분자가 완전한 이온화를 통해 두 개의 수산화물 이온을 생성할 때, 이를 이산성 혹은 이양성자성(diprotic) 염기라고 한다. 이산성 염기의 예는 다음과 같다:

수산화 바륨

수산화 바륨, 수산화 마그네슘, 수산화 칼슘, 수산화 아연, 수산화 철(II), 수산화 주석(II), 수산화 납(II), 수산화 구리(II) 등.

삼산성 염기

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염기 한 분자가 완전한 이온화를 통해 세 개의 수산화물 이온을 생성할 때, 이를 삼산성 혹은 삼양성자성(triprotic) 염기라고 한다. 삼산성 염기의 예는 다음과 같다:

수산화 알루미늄, 수산화 제일철, 수산화 금(III).[19]

같이 보기

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각주

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  1. Johlubl, Matthew E. (2009). Investigating chemistry: a forensic science perspective 2판. New York: W. H. Freeman and Co. ISBN 978-1429209892. OCLC 392223218.
  2. Whitten et al. (2009), 363쪽.
  3. 1 2 3 4 5 Zumdahl & DeCoste (2013), 257쪽.
  4. Whitten et al. (2009), 349쪽.
  5. Jensen, William B. (2006). The origin of the term 'base' (PDF). The Journal of Chemical Education 83 (8): 1130. Bibcode:2006JChEd..83.1130J. doi:10.1021/ed083p1130. 4 March 2016에 원본 문서 (PDF)에서 보존된 문서.
  6. Definition of BASE. merriam-webster.com. 2018년 3월 21일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2018년 5월 3일에 확인함.
  7. 1 2 Zumdahl & DeCoste (2013), 258쪽.
  8. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Lewis, Gilbert N. (September 1938). Acids and Bases. Journal of the Franklin Institute 226 (3): 293–313. doi:10.1016/S0016-0032(38)91691-6. 2021년 11월 2일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2020년 9월 3일에 확인함.
  9. Zumdahl & DeCoste (2013), 255쪽.
  10. 1 2 3 4 Zumdahl & DeCoste (2013), 256쪽.
  11. 10.4.1. Alkoxide Ions. Chemistry Libretexts. LibreText. 2015년 7월 16일. 2022년 10월 28일에 확인함.
  12. Whitten, Kenneth W.; Gailey, Kenneth D.; Davis, Raymond E. (1992). General Chemistry 4판. Saunders College Publishing. 358쪽. ISBN 0-03-072373-6.
  13. Petrucci, Ralph H.; Harwood, William S.; Herring, F. Geoffrey (2002). General Chemistry. Principles and Modern Applications 8판. Prentice Hall. 678쪽. ISBN 0-13-014329-4.
  14. Miessler, Gary L.; Tarr, Donald A. (1999). Inorganic Chemistry 2판. Prentice-Hall. 157–159쪽. ISBN 0-13-841891-8.
  15. 1 2 3 4 5 Tanabe, Kozo (1970). Solid Acids and Bases: their catalytic properties. Academic Press. 2쪽. ISBN 9780323160582. 2022년 10월 8일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2015년 2월 19일에 확인함.
  16. 1 2 3 4 5 6 7 Tanabe, K.; Misono, M.; Ono, Y.; Hattori, H. (1990). New Solid Acids and Bases: their catalytic properties. Elsevier. 14쪽. ISBN 9780080887555. 2022년 10월 8일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2015년 2월 19일에 확인함.
  17. Polyprotic Acids & Bases (영어). Chemistry Libretexts. 2016년 7월 13일. 2022년 1월 9일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2022년 1월 9일에 확인함.
  18. Electrophile – Nucleophile – Basicity – Acidity – pH Scale. City Collegiate. 2016년 6월 30일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2016년 6월 20일에 확인함.
  19. 1 2 Introduction to Bases: Classification, Examples with Questions & Videos (미국 영어). Toppr-guides. 2018년 2월 2일. 2020년 7월 26일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2019년 3월 14일에 확인함.

외부 링크

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