통합과학 3단원 “변화와 다양성”은 화학 변화와 생물의 다양성과 유지를 중심으로한 학습 내용을 담고 있다. 우리 주변에서 일어나는 산과 염기의 다양한 변화를 이야기하려 한다. 화학 교과서는 산화, 환원 반응과 산 염기의 중화반응을 중심으로 학습내용이 전개된다.
아레니우스의 구분법
우리는 초등학교 때부터 아레니우스의 정의를 기준으로 산과 염기를 구분해왔다. 산과 염기를 본격적으로 이야기하기 전에 반드시 짚고 가야 할 사람이 바로 아레니우스다. 스반테 아레니우스(Svante Arrhenius, 1859∼1927)는 스웨덴 과학자로 “전해질의 이온화설”에 관한 논문으로 1903년 노벨화학상을 받았다. 그는 야코부스 반트호프(Jacobus van’t Hoff, 1852∼1911), 빌헬름 오스트발트(Wilhelm Ostwald, 1853∼1932)와 함께 19세기 후반 물리화학 영역을 형성한 천재로 통한다.
이들은 한 가지 학문으로 규명하기 어려운 현상을 설명하였다. 반트호프의 삼투압 법칙, 아레니우스의 전리설은 전해질 속의 이온에 대해 설명하려 노력했다. 아레니우스의 또 다른 성과는 반응을 일으키기 위해 필요한 최소한의 에너지인 ‘활성화 에너지(Ea)의 개념’을 도입했다. 반응 속도는 온도에 지수 함수적으로 비례한다는 ‘아레니우스 식(Arrhenius equation)’을 내기도 했다. 다시 말하면 산과 염기의 정의 외에도 전해질과 화학 반응속도 등에서 아레니우스가 주장한 이론이나 식(式) 등을 배우게 된다는 것이다.
염산(HCl), 황산(H2SO4), 질산(HNO3) 등과 같이 수용액 상태에서 수소이온(H+)을 내놓는 물질을 아레니우스는 산이라 하였다. 반면 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼슘(Ca(OH)2) 등과 같이 수용액 상태에서 수산화이온(OH-)을 내놓는 물질을 아레니우스는 염기라 하였다. 암모니아는 뭐니?
이 때문에 아레니우스 산과 염기는 화학식에 산은 H, 염기는 OH를 갖고 있어야 한다. 하지만 암모니아(NH3)의 화학식에는 OH를 갖지 않아 수용액 상태에서 내놓을 수있는 산화이온(OH-)이 없다. 그럼에도 오늘날 암모니아(NH3)는 염기이다. 즉 아레니우스의 산과 염기 정의는 한계점이 있다는 것이다.
1923년 덴마크의 과학자 요하네스 브뢴스테드(Brnsted J.N. 1879~1947)는 아레니우스의 산 염기의 정의를 확장한 이론을 발표하였고, 비슷한 시기에 영국의 물리화학자인 로우리(Lowry T.M 1874~1936)도 비슷한 내용의 이론을 발표했다. 그래서 우리는 이것을 ‘브뢴스테드-로우리’의 산과 염기의 정의라고 부른다.
양성자(H+)를 다른 물질에 준다면 브뢴스테드-로우리의 산, 양성자(H+)를 받는다면 브뢴스테드-로우리의 염기라고 정의한다. 암모니아(NH3)기체는 물에 녹아 물(H2O) 분자들이 내놓은 양성자(H+)를 받아 암모늄이온(NH4+)이 된다. 이 과정에서 물 분자는 양성자를 제공하였기 때문에 브뢴스테드-로우리의 산이 되고, 암모니아(NH3)는 양성자(H+)를 받았기 때문에 브뢴스테드-로우리의 염기가 된다. 아레니우스 정의에서 설명이 어려웠던 암모니아(NH3)가 염기라는 사실을 브뢴스테드-로우리의 정의에서 설명할 수 있게 된 것이다.
비공유 전자쌍 개념도 있어요
미국의 물리화학자 루이스(Lewis, Gilbert Newton 1875~1946)는 산과 염기의 정의에 비공유 전자쌍의 개념을 도입해 설명하였다. 비공유 전자쌍을 다른 물질이나 이온에 제공할 수 있다면 루이스 염기라 하고, 비공유 전자쌍을 제공받으면 루이스 산이라 하였다.
위에서 살펴본 것처럼 산 염기의 정의는 아레니우스, 브뢴스테드-로우리, 루이스 등이 있다. 초등학교부터 고등학교 1학년까지는 아레니우스 정의로 산과 염기를 설명하고, 브뢴스테드-로우리와 루이스의 정의는 화학Ⅰ에서부터 설명하게 된다. 다음 시간에는 주변에서 볼 수 있는 산과 염기를 구별하고 산과 염기의 반응에 대해 배워보자.
◆이 글은 고등학교 1학년 학생들이 배우는 통합과학 중심으로 구성됐으며 이번 호는 “생활주변의 물질을 산과 염기로 구분할 수 있고, 산과 염기를 섞었을 때 일어나는 변화와 중화반응을 이용하는 사례”의 성취기준을 설명하려 합니다.
용화여고 교사