산 염기 정의

1. 아레니우스 (Svante Arrhenius)의 정의 (1887년)

  ※ (비록, 수용액일 경우 만 가능하지만, 빠르고 단순한 정의)
     - 수용액 내 수소 이온(H+), 수산화 이온(OH-)을 내놓는 여부에 따라 정의됨

  ㅇ 산  :  수용액에서 해리되어, 수소 이온(H+)을 내놓는 물질
     - 例) 염산(HCl)  :  HCl → H+(aq) + Cl-(aq)
     - 例) 황산(H2SO4)  :  H2SO4 → H+(aq) + HSO4-(aq)

  ㅇ 염기  :  수용액에서 해리되어, 수산화 이온(OH-)을 내놓는 물질
     - 例) 수산화나트륨(NaOH), 수산화바륨(Ba(OH)2)
     - 例) NaOH → Na+(aq) + 0H-(aq)

  ※ 아레니우스 정의의 한계점 
     - 불용성 물질 또는 비 수용액에서는 산,염기를 정의할 수 없음
        . 例) 물 없이 존재하는 순수 진한 염산,황산 등
     - 수소 이온(H+) 그 자체는, 수용액에서 물과 결합하여 하이드로늄 이온(H3O+)이 되어 정의할 수 없게됨
     - 수용액에서 수소 이온(H+), 수산화 이온(OH-)을 내놓지 않는 물질에는 적용할 수 없음
        . 例) 암모니아(NH3)

  ※ 아레니우스  :  스웨덴 화학자 (Svante Arrhenius. 1859~1927, 1903년 노벨 화학상)


2. 브뢴스테드-로우리 (Brønsted-Lowry)의 정의 (1923년)

  ※ (비 수용액에서도 가능한 정의, 기체 상태 하에서도 가능)
     - 산-염기 반응을 양성자 전이 반응으로 봄

  ㅇ 산  :  양성자 (즉, 수소 이온 H+)를 제공하는 물질
     - 양성자 주개 (proton donor)
        . 例) HCl (HCl + H2O → H3O+ + Cl-)
     - 반드시, 수소 원자를 포함해야 함
        . 例) HCl, H2SO4, HSO4-, H2, H3O+, HBr, NH3
     - 표기  :  HA (H-A)

  ㅇ 염기  :  양성자 (즉, 수소 이온 H+)를 받아들이는 물질
     - 양성자 받개 (proton acceptor)
        . 例) OH- (OH- + H+ → H2O),
              NH3 (NH3 + H+ → NH4+, NH3 + H2O → NH4+ + OH-),
              Cl- (Cl- + H+ → HCl)
     - 반드시, 양성자(H+)와 결합할 수 있어야 함
        . 양성자에는 전자가 없으므로, 결합 형성을 위해, 전자쌍을 제공해야 함
        . 즉, 염기는 고립 전자쌍 또는 파이 결합을 갖고 있어야 함
        . 例) ⁚NH3 (질소 원자가 고립 전자쌍 1개를 갖음),
              (CH3)3CO- (산소 원자가 고립 전자쌍 3개를 갖음),
              C2H2 (H-C≡C-H) (탄소 원자 간에 파이 결합 있음)
     - 표기  :  B (B:)

  ※ 브뢴스테드-로우리 정의의 한계점
     - 비 수용액에서의 산-염기 반응은 설명할 수 있지만, 
     - 산이 이온화될 수 있는 수소 원자를 포함하고 있어야만 한다는 제한이 있음
        . 제한 例) 수소 원자가 없이도, 산 거동을 하는 BF3 등

  ※ 브뢴스테드  :  덴마크 화학자 (Johannes N. Brønsted, 1879~1947),
     로우리 : 영국 화학자 (Thomas M. Lowry, 1874~1936)

  ※ 짝산-염기쌍 (conjugated acid-base pair)
     - 한편,  브뢴스테드-로우리 정의에서는, 
        . 산,염기의 정의를 H+의 주개,받개라고 단순하게 정의 함으로써, 
        . 우변,좌변 모두에서, 짝 산,짝 염기로 대응시켜 정의 가능
     - 즉,
        . 산은 짝 염기 (conjugate base), 
        . 염기는 짝 산 (conjugate acid)이 대응하며 존재
 
        

        . A-는, 산 HA의 짝염기(conjugated base)
        . HA는, 염기 A-의 짝산(conjugated acid)
        . B는, 산 BH+의 짝염기
        . BH+는, 염기 B의 짝산


3. 루이스(Lewis)의 정의 (1923년)

  ※ (보다 더 일반적인 정의)
     - 고립 전자쌍을 주거나 받는지 여부에 따라 정의됨

  ㅇ 산   : 고립 전자쌍을 받을 수 있는 물질  (전자쌍 받개)

  ㅇ 염기 : 고립 전자쌍을 제공하는 물질 (전자쌍 주개)
     - 반드시, 고립 전자쌍 또는 파이결합을 갖고 있어야 함
        . 例) (CH3)3CO- (산소 원자 주변에 고립 전자쌍),
              H-C≡C-H (탄소 원자 간에 파이결합 전자쌍)

  ㅇ 例) 암모니아(NH3)와 수소 이온(H+)의 결합 반응에서,
     - 암모니아 분자는, 고립 전자쌍을 주는 염기이고,
     - 수소 이온은, 이를 받는 산이 됨

  ※ Gilbert Newton Lewis (1875~1946) : 미국의 물리학자

  ※ 한편, H2O, CH3OH 등 처럼, 수소 원자와 고립 전자쌍 모두 갖는 화합물인 경우
     - 주어진 화학반응 여건에 따라, 산일 수도, 염기일 수도 있음 (양쪽성, amphoteric)
        . 例) CH3CH2OH (산 : 수소 원자 포함, 염기 : 산소 원자 주변에 고립 전자쌍 2개를 갖음)