[산과 염기] 약산, 약산의 평형상수, 이온화 백분율, 다양성자 약산

약산

약산은 부분적으로 이온화한다.

 

기본 반응

HB (aq) + H2O ⇌ H3O+ (aq) + B- (aq)

약산으로 작용하는 두 가지 종류의 화학종

1. 이온화 될 수 있는 수소 원자를 가진 분자

HNO2 (aq) + H2O ⇌ H3O+ (aq) + NO2- (aq)

2. 양이온

NH4+ (aq) + H2O ⇌ H3O+ (aq) + NH3 (aq)

 

다음과 같이 많은 금속 양이온은 수용액에서 산으로 작용한다.

Zn(H2O)42+ (aq) + H2O ⇌ H3O+ (aq)  +  Zn(H2O)3(OH)+ (aq)

 

산소와 금속 양이온 간의 결합이 O-H 결합을 약화시킨다.

H+는 결합이 약해진 결과 쉽게 이온화된다.

 

약산의 평형상수

HB (aq) + H2O ⇌ H3O+ (aq) + B- (aq)

Ka 는 산의 평형 상수이다.

위의 식을 간단히 HB (aq) ⇌  H+ (aq) + B- (aq)라고 쓴다

Ka값은 약산의 세기와 관계가 있다.

Ka 값이 작을수록 산의 세기는 약하다.

pKa = -logKa

 

pKa값이 작으면 산의 세기는 크다.

pKa는 pH의 경향에 따른다.

 

이온화 백분율

약한 산의 백분율은 다음과 같이 정의된다.

 

 

백분율은 약산의 몰 농도에 의존함을 알 수 있다.

계산에 사용되는 근사법

Ka 의 값은 보통 ±5%의 오차를 갖는다.

평형 문제에서 사용되는 미지수를 풀 때, a가 약산의 초기 농도일 때, 분모에 있는 x 가 5% 이상의 오차는 넘지 않는다면 분모에 있는 x를 무시할 수 있다.

다음과 같은 경우,

100%를 곱하면 이온화 백분율이 된다

이온화 백분율이 5% 미만이면 근사법을 사용할 수 있다.

이온화 백분율이 5% 이상이면 이차 방정식의 근의 공식이나 연속적인 근사법을 사용하여야 한다.

 

예시문제

다양성자 약산

어떠너 약산은 다양성자산이다. 다양성자산은 하나 이상의 이온화될 수 있는 수소 이온을 가진다. 이러한 산은 각 단계별로 다른 평형 상수를가지고 있으며, 단계적으로 이온화된다. 대표적인 예로 인산은 삼양성자산이다.

H3PO4 (aq)  ⇌ H+ (aq) + H2PO4- (aq)  Ka1

H2PO4- (aq) ⇌ H+ (aq) + HPO4^2- (aq)  Ka2

HPO42- (aq) ⇌ H+ (aq) + PO4^3- (aq)  Ka3

 

산 평형 상수는 연속된 다음 단계로 갈수록 작아진다.

Ka1>Ka2>Ka3

 

연속된 단계에서 산이 점차적으로 약해지는 이유는 H3PO4와 같은 중성인 분자에서 보다 H2PO4-와 같이 음전하를 띠는 화학종에서 양으로 하전된 H+를 제거하는 것이 더 어렵기 때문이다.

 

*비금속 원자에 결합한 산소수가 증가할수록 O-H결합을 약화시켜 센산이 된다.*

 

출처 : 2016Cengage Learning