[산과 염기] 다양성자산과 다양성자산의 염 용액

다양성자 산과 다양성자 산의 염 용액

Polyprotic Acid and Salt Solution of Polyprotic Acid

※ 다양성자 산이란?

 다양성자 산은 하나보다 더 많은 양성자를 제공할 수 있는 산을 의미한다. 다양성자 산과 마찬가지로, 하나보다 더 많은 양성자를 수용할 수 있는 염기는 다양성자 염기라고 부른다.

다양성자 산의 예시:

다양성자 염기의 예시:

  다양성자 산은 연속적인 양성자 이탈 과정을 거치며, 양성자를 하나씩 잃을 때마다 Ka 값이 10^3배씩 감소한다. 이는 양성자를 잃을 때마다 기존의 이온은 더욱 음전하를 띠게 되고, 이런 상황에서 새롭게 양성자를 떼어내려고 하면 기존에는 없던 추가적인 인력이 발생하기 때문이다. 이러한 추가적인 인력 때문에 다양성자 산은 점점 새롭게 양성자를 제공하기 어려워지고, 이 경향은 Ka 값의 감소로서 나타난다. 

 또한 다양성자 산은 일반적으로 약산으로, pH를 결정하는 데에는 첫번째 양성자 이탈만이 중요한 기여를 한다. 따라서 일반적인 산처럼 양성자 이탈이 한번만 일어난다 가정하고 pH를 어림하여도 대략적으로 맞는다. 하지만 황산은 예외적으로 강산이며, 첫번째 양성자 이탈이 완전하게 일어나므로 두 번째 양성자 이탈에 의한 pH 변화 역시 고려해주어야 한다.

※ 다양성자 산의 염 용액

다양성자 산의 짝염기는 산과 염기로써 모두 작용할 수 있다. 따라서 생성물이 산으로 작용할지 염기로 작용할 지 쉽게 알 수 없고, 이는 pH를 가늠하기 어려워지게 한다. 황화 수소의 짝염기의 경우를 예로 들자.

산으로 작용할 경우:

염기로 작용할 경우:

 위의 두 경우로부터 두 가지 사실을 추론해낼 수 있다.

추론 1 ::

 pKa2가 크다는 것은 Ka2가 작다는 것이며, 이는 산으로 작용하는 반응이 잘 일어나지 않는 다는 것을 의미한다. 따라서 오히려 S^(2-)가 염기로 작용하는 반응이 더 잘 일어날 것이며, pH는 7보다 큰 염기의 값을 나타낼 것이다.

추론 2 ::

 pKa와 pKb의 값의 합은 pKw로 일정한데 pKb1이 7 부근이므로 pKa1 역시 7 부근의 중간 값일 것이다. 따라서 HS^(-)은 약한 염기로, pH는 7보다 큰 염기의 값을 나타낼 것이다.

 

 추론 1로부터는 pKa2가 크면 pH가 7보다도 크다는 것을, 추론 2로부터는 pKa1이 크면 pH가 7보다도 크다는 것을 알아낼수 있다. 이 사실을 정리하자면 pKa1와 pKa2가 크면 pH도 큰 값을 가진다는 것을 알게 된다. 이를 종합하여 식으로 정리하면,

 

 이 된다. 다만 이 식은 초기 염의 농도인 S가 아래의 조건을 만족해야만 성립한다. 이 조건이 성립하지 않을 경우, 다른 복잡한 방법을 이용해서 pH를 구할 수 있다.