산과 염기란 무엇일까

25 °C의 순수한 물에서는 분자 10억 개 가운데 약 2개만 이온으로 나뉘어 있습니다. 산과 염기 이야기는 그 아주 적은 양에서 시작합니다.

식초와 레몬즙, 그리고 여러분의 위 속에 있는 산은 맛이나 작용이 시고 자극적입니다. 반대로 비누와 베이킹 소다, 오븐 세정제는 만지면 미끄럽고 맛은 씁니다. 사람들은 원자라는 것을 누구도 알기 훨씬 전부터 이미 물질을 이 두 무리로 나누어 왔습니다. 1680년에 로버트 보일은 산을 이렇게 설명했습니다. 산은 여러 가지 물질을 녹이고, 몇몇 천연 색소의 색을 바꾸고, 알칼리를 만나면 그 성질을 잃는 용액이라고 설명했습니다. 그 뒤 18세기 화학자들은 여기에 두 가지를 덧붙였습니다. 하나는 산이 석회암과 반응해 기체를 내놓는다는 것이고(이 기체를 지금은 이산화 탄소로 압니다), 다른 하나는 산과 알칼리를 함께 섞으면 중성 물질이 된다는 것입니다.

수소에서 하이드로늄으로

1815년에는 험프리 데이비가 산에 꼭 있어야 하는 성분은 산소가 아니라 수소라는 것을 보여 주었습니다. 그리고 1884년 스반테 아레니우스가 처음으로 현대적인 정의를 내놓았습니다. 산은 물에 녹아 수소 이온을 내는 화합물이고, 염기는 물에 녹아 수산화 이온 OH⁻를 내는 화합물입니다. 아무것도 붙지 않은 수소 이온은 그저 양성자 하나일 뿐이고, 물속에서는 결코 그렇게 맨몸으로 머물지 않습니다. 언제나 물 분자 하나에 달라붙어 하이드로늄 이온 H₃O⁺가 됩니다. 예를 들어 염화 수소 기체가 물에 녹으면 그 용액을 염산이라고 부르는데, 이 염산 속에는 H₃O⁺ 이온과 Cl⁻ 이온이 가득합니다.

산은 양성자를 주고 염기는 받습니다

1923년 요하네스 브뢴스테드와 토머스 로리는 지금도 쓰는 더 넓은 정의를 내놓았습니다. 이 정의에서 산은 양성자를 주는 물질(proton donor)이고 염기는 양성자를 받는 물질(proton acceptor)입니다. 그러니 산염기 반응이란 양성자 하나가 한쪽에서 다른 쪽으로 옮겨 가는 일일 뿐입니다. 예를 들어 플루오린화 수소가 물에 녹으면 HF가 H₂O에 양성자 하나를 주어 H₃O⁺와 F⁻가 생깁니다. 암모니아가 물에 녹으면 NH₃가 H₂O에서 양성자를 받아 NH₄⁺와 OH⁻가 생깁니다. 여기서 물은 첫 반응에서는 양성자를 받으니 염기로, 둘째 반응에서는 양성자를 내주니 산으로 작용합니다. 이렇게 두 역할을 모두 할 수 있는 물질을 양쪽성 물질(amphiprotic)이라고 합니다.

산이 양성자를 내놓고 나면 남은 부분은 양성자를 다시 받을 수 있습니다. 그러니 그것은 염기입니다. 화학자는 이것을 그 산의 짝염기(conjugate base)라고 부릅니다. F⁻는 HF의 짝염기이고 Cl⁻는 HCl의 짝염기입니다. 방향을 거꾸로 보면 NH₄⁺는 암모니아의 짝산이 됩니다. 브뢴스테드-로리 반응에는 이런 짝이 두 쌍 있습니다. 각 쌍은 반응 화살표 양쪽에 있는 산과 그 짝염기를 연결합니다.

물 분자끼리 주고받는 양성자

물은 양쪽성 물질이므로 물 분자 두 개가 서로 양성자를 주고받을 수 있습니다. H₂O + H₂O ⇌ H₃O⁺ + OH⁻. 이것을 자동 이온화(autoionization)라고 하는데, 아주 조금만 일어납니다. 25 °C에서 물 분자 10억 개 가운데 약 2개가 이온화하여, 1 L마다 H₃O⁺ 1.0 × 10⁻⁷ mol과 같은 양의 OH⁻가 생깁니다. 둘을 곱한 값인 물의 이온곱 상수는 Kw = [H₃O⁺][OH⁻] = 1.0 × 10⁻¹⁴ 입니다. 여기에 산을 넣으면 [H₃O⁺]는 올라가고 그 대신 [OH⁻]는 내려가는데, 이때도 둘의 곱은 언제나 Kw로 유지됩니다. 다음 단원에서 다룰 pH 눈금 전체가 바로 이 식 하나에 바탕을 두고 있습니다.