여러가지 산과 염기는 공업용 및 가정용 물질이며, 생물 체액 중의 중요한 성분이다. 예를 들어 염산은 중요한 공업용 화학 약품일 뿐만 아니라 위산의 중요한 성분이다. 산과 염기는 또한 일반적인 전해질이다.
산
산(acid)은 수용액에서 이온화하여 수소 이온을 생성한다. 수소 원자는 한 개의 양성자와 한 개의 전자로 구성되어있으므로, 수소이온은 양성자이다. 그러므로 산을 가끔 양성자 주개라고 부른다. 네 가지 일반적인 산의 분자모형을 볼 수 있다. 양이온이 물 분자 주위에 결합되어 있는 것처럼, 양성자도 물 분자에 용매화된다. 수용액 상태의 양성자를 화학식으로는 H+로 나타낸다. 다른 산 분자들은 해리하여 다른 개수의 H+이온을 형성하기도 한다. HCl과 HNO3 모두 한 분자의 산으로부터 한개의 H+를 생성하는 일양성자산의 예이다. 황산은 산의 한 분자당 두 개의 수소 이온을 생성하는 이양성자산의 예이다.
아세트산은 식초의 주성분이다. 아세트산은 네 개의 수소를 개지고 있지만 COOH기에서 H하나만 물에서 이온화된다. 아세트산에 있는 나머지 세 개의 수소는 탄소에 결합하고, C-H 결합은 물에서 분리되지 않는다. 이러한 차이에 대한 이유는 이후에 알아보도록 하자.
염기
염기(base)는 H+ 이온을 받는, 즉 수소이온과 반응하는 물질이다. 염기는 물에 녹아 수산화 이온을 생성한다. NaOH, KOH와 같은 이온성 수산화물들이 가장 일반적인 염기이다. 이들이 물에 녹으면 용액에 수산화 이온을 내면서 해리한다. 수산화 이온을 포함하지 않은 화합물도 역시 염기로 될 수 있다. 예를 들면 암모니아는 일반적인 염기이다. 암모니아를 물에 첨가하면 물로부터 H+이온을 받아 OH-이온을 생성한다.
강산, 약산과 강염기, 약염기
용액에서 완전히 해리되는 강전해질의 산과 염기를 강산과 강염기라고 한다. 일부만 해리되는 약전해질의 산과 염기를 약산과 약염기라고 한다. 반응성이 H+ 농도에만 의존한다면, 강산은 약산보다 반응성이 더 크다. 그러나 산의 반응성은 H+ 농도에만 의존하는 것은 물론이거니와 음이온에도 의존한다. 예를들어 플루오린화 수소산은 약산이다. 그러나 매우 반응성이 크고, 유리를 비롯한 많은 물질과 격렬하게 반응한다. 이러한 반응성은 H+와 F-의 협동적인 작용 때문이다.
흔히 접할 수 있는 일반적인 강산과 강염기는 염산, 염소산, 질산 / 금속 수산화물 이 있다. 강전해질을 정확하게 확인하고 알짜 이온 반응식을 쓰기 위해 강산과 강염기를 반드시 기억해야 한다. 일반적으로 강염기는 일반적인 가용성 금속 수산화물이다.
강전해질과 약전해질의 확인
일반적인 강산과 강염기를 기억하고, 암모니아가 약염기임을 기억한다면 많은 수용성 물질의 전해질 세기를 합리적으로 예측할 수 있다. 우선 물질이 이온성인가 분자성인가를 질문한다. 그 물질이 이온성이면 그것은 강전해질이다. 만약 그 물질이 분자성이면 산인가 염기인가를 생각해 본다. 만약 그 물질이 산이면 강 전해질인가 약전해질인가를 결정한다. 모든 강산들이 강전해질이고, 약산들은 약전해질이다.
다음으로 그 물질이 염기라면, 분자성을 파악해 강염기인지를 결정한다. 암모니아는 이 장에서 취급하는 유일한 염기 분자로, 약전해질이다.
중화반응과 염
산과 염기 용액은 아주 다른 특성을 갖는다. 산은 신맛을 갖고 있는 반면, 염기는 쓴맛을 갖는다. 산은 염기와 다른 방식으로 특정 염료의 색을 변화시킨다. 이것이 리트머스 종이로 알려진 지시약의 원리이다. 산과 염기의 용액은 몇 가지 중요한 면에서 화학적 특성을 달리하고 있다. 우리는 이 장과 다음 장에서 이 문제를 다룰 것이다.
산과 염기의 용액을 섞으면 중화 반응이 일어난다. 반응의 생성물은 산 또는 염기 용액의 특성을 나타내지 않는다. 예를 들면 염산을 수산화 소듐 용액과 섞으면 다음과 같은 반응이 일어난다.
기체 생성 중화 반응
H+와 반응하여 분자 화합물을 생성하는 것은 OH-이외에도 많이 있다. 실험실에서 볼 수 있는 것들 중 두가지는 황화 이온과 탄산 이온이다. 이 두가지 이온은 산과 반응하여 물에 약간 녹는 기체를 만든다. 썩은 달걀 냄새가 나는 황화 수소는 염산과 같은 산이 황화 나트륨 같은 금속 황화물과 반응할 때 생성된다.
