산과 염기

1. 물질의 성질과 물질의 변화

1) 물질의 성질

물질의 성질에는 물리적 성질과 화학적 성질이 있다. 물리적 성질은 끓는점, 비열 등의 열적 성질이나 밀도, 굳기 등의 기계적 성질과 같이 물리적인 측정으로 관측되는 성질이다. 화학적 성질은 물질의 고유한 성질 중 화학 반응 면에서 본 성질로 산성, 염기성, 가연성, 환원성 등이 있다.

2) 물질의 변화

물질의 변화는 크게 물리적 변화와 화학적 변화로 나눌 수 있다. 물리적 변화는 물질의 모양이나 상태는 바뀌지만 분자는 달라지지 않으므로 물질 본래의 성질은 바뀌지 않는 현상을 말한다. 물리적 변화에는 용해, 상태 변화 등이 있다. 화학적 변화는 원자가 재배열되어 새로운 분자가 생기므로 물질의 고유한 성질이 바뀌는 현상을 말한다. 화학적 변화에는 중화반응, 기체 발생 반응, 연소 등이 있다.

 

2. 지시약

지시약은 용액의 화학적 성질을 알아내기 위해 사용하는 물질이다. 일반적으로 가장 많이 사용하는 지시약은 용액 중의 수소 이온의 농도에 따라 다른 색깔을 나타내는 산-염기 지시약이다. 산-염기 지시약에는 티몰 블루, 메틸 오렌지, 메틸 레드, 브로모티몰 블루, 페놀프탈레인 용액 등이 있다. 이처럼 지시약의 종류가 다양하고, 지시약마다 색깔이 변하는 pH 범위가 다르므로 용액의 액성을 알아내기 위해서는 적절한 지시약을 선택해 사용해야 한다. 산-염기 지시약 외에도 산화 환원 상태에 따라 색깔이 변하는 산화-환원 지시약, 침전이 일어나는 화학 반응에 사용하는 흡착 지시약, 금속 이온의 농도 변화를 나타내는 금속 지시약 등 다양한 종류의 지시약이 있다.

3. 산과 염기

1) 산과 염기의 정의

산과 염기의 정의는 아레니우스 정의, 브뢴스테드․로리 정의, 루이스 정의 등이 있으며, 이러한 정의는 이전 시대의 정의를 보완하면서 점차 확장되었다. 이 단원에서는 아레니우스 정의에 의한 산성 용액과 염기성 용액을 다룬다. 아레니우스는 물에 녹아 수소(H+) 이온을 내놓는 물질을 산, 물에 녹아 수산화 이온(OH)을 내놓는 물질을 염기라고 하였다. 아레니우스 정의에 따르면 염산(HCl)은 물에 녹아 수소 이온(H+)을 내놓으므로 산이고, 수산화나트륨(NaOH)은 물에 녹아 수산화 이온(OH)을 내놓으므로 염기이다.

2) 산과 염기의 성질

산

•금속과 반응해 수소 기체를 발생한다.
•푸른색 리트머스 종이를 붉게 변화시킨다.
•탄산칼슘과 반응해 이산화 탄소 기체를 발생한다.

염기

•손으로 만지면 미끈거린다.
•붉은색 리트머스를 푸르게 변화시킨다.
•페놀프탈레인 용액을 붉게 변화시킨다.

3) pH

용액의 액성을 결정하는 수소 이온 농도는 매우 작은 값이기 때문에 사용하기 불편하다. 따라서 pH를 사용해 간단한 숫자로 용액의 산성이나 염기성의 정도를 나타낸다. pH는 수소 이온 농도지수로 수소 이온 농도의 역수에 상용로그를 취한 값이다.

pH = -log [H+]
pH는 0〜14의 숫자로 나타내며, 순수한 물의 pH인 7을 기준으로 pH가 7보다 작을수록 산성이 강해지고, 7보다 클수록 염기성이 강해진다.

4. 생활 속 화학 물질

우리는 아침에 눈을 뜨자마자 치약으로 이를 닦고, 비누로 세수한다. 그리고 세제를 사용해 빨래와 설거지를 하며, 하루에도 몇 번씩 손 세정제로 손을 씻는다. 이처럼 우리는 화학물질과 함께 생활하고 있다. 화학 물질은 인공적으로 만들어진 것으로, 천연이 아닌 거의 모든 물질을 말한다. 화학 물질은 우리 생활을 편리하게 해주지만, 그 이면에는 위험성이 숨어 있다. 청소용 세제는 눈, 코, 목을 자극하고 천식을 유발할 수 있으며, 흔히 사용하는 표백제는 염소를 포함한 경우가 많아 피부에 닿으면 피부염을 유발할 수 있다. 또 집 안의 해충을 박멸하기 위해 사용하는 살충제는 두통, 구역질, 어지러움. 등을 유발할 수 있다. 우리 생활 속에는 다음과 같이 해로운 화학 물질이 많이 존재한다.

공기를 통해 흡수되는 화학 물질: 먼지, 가스성 물질
물을 통해 흡수되는 화학 물질: 염소
음식을 통해 흡수되는 화학 물질: 식품첨가물
가전제품, 장난감, 그릇 등 일상생활에서 접하는 물건에도 화학 물질 존재
생태계에 농축되는 화학 물질: 농약, 중금속
쓰레기를 태울 때 생기는 화학 물질: 다이옥신

 

따라서 화학 물질을 사용할 때는 안전을 위해 다음 사항을 지켜야 한다.
•청소용 세제를 사용해 청소할 때는 고무장갑을 착용해야 하며, 충분히 환기해야 한다.
•살충제, 세정제 등은 용기를 잘 밀봉하고, 권장량을 지켜 사용해야 한다.
•여러 가지 화학 물질이 음식이나 주방 식기를 오염시키지 않도록 주의하고, 어린이의 손에 닿지 않도록 해야 한다.
•샴푸, 세제 등을 사용할 때는 용기에 표시된 정해진 양만큼만 사용하도록 한다.

5. 리트머스 종이

리트머스 종이는 리트머스이끼를 갈아 추출한 색소 혼합물을 여과지에 적신 후 말려 만든다. 리트머스 종이는 붉은색과 푸른색의 두 가지가 있는데, 종이의 색깔 변화로 산성과 염기성을 판단할 수 있다. 푸른색 리트머스 종이가 붉은색으로 변하면 용액이 산성이라는 것을 알려 주고, 붉은색 리트머스 종이가 푸른색으로 변하면 용액이 염기성이라는 것을 알려 준다.

 

6. 페놀프탈레인 용액

페놀프탈레인 용액은 페놀프탈레인을 에탄올에 녹여 만든 용액으로, 페놀프탈레인이 1% 정도 들어 있다. 일반적으로 페놀프탈레인 용액은 산성과 중성에서는 무색이지만, 염기성에서는 붉은색을 나타내므로 산과 염기를 구별하는 지시약으로 이용된다. 페놀프탈레인 용액이 신체에 직접 닿으면 눈, 피부, 호흡기에 자극을 일으킬 수 있으므로 사용 시 안전에 유의하고, 사용 후 남은 용액은 지정된 폐액 통에 버린다.

7. pH 시험지

지시약을 거름종이에 적셔 말린 것으로, pH 시험지를 용액에 담그면 용액이 종이에 묻어 있는 지시약과 반응한다. 이때 용액의 수소 이온 농도에 따라 지시약의 색깔이 달라지기 때문에 이 색깔 변화를 관찰해 표준 변색 표와 비교하면 용액의 pH를 알 수 있다. 예를 들어 pH 시험지를 적당한 길이로 잘라 용액 속에 살짝 넣었다 꺼냈을 때 pH 시험지의 색깔이 주황색으로 변했다면 이 용액은 pH 4 정도의 산성 용액임을 알 수 있다. 이때 pH의 오차 범위는 0.2~0.5 정도로 정확성이 떨어지지만, pH를 간단하고 빠르게 측정할 수 있다는 장점이 있다.