산의 세기 1 ★

Intro

 

일반화학 문제에서 10000000% 확률로 출제되는 유형이 분자식 혹은 루이스 구조 띡 주고 뭔가 더 산성이야? 이런 식의 문제를 마주하게 될 것이다. 

산의 세기를 비교하는 문제는 일반화학기준에서는 크게 어렵지 않지만 유기화학 개념이 조금 섞인 MDEET, PEET, 편입 시험을 위해서는 생각보다 개념 정리를 잘해야 남이 맞추는 거 나도 맞출 수 있다.  

 

대전제 2가지 

 

1. pKa 가 낮으면 더 강한 산이다. 
2. 더 안정한 짝염기를 가질수록 산이 더 강한 산이다. (more stable conjugate base means more acidic)

이전에 정리한 원자의 주기성을 같이 보면서 읽으면 도움이 될것이다.

 

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1. 같은 주기 (가로)에서 비교 (in same period) 

 

• H와 결합한 원자의 전기 음성도 (EN)이 클수록 더 강한 산이다. ★
• 같은 주기에서 전기 음성도는 오른쪽으로 갈수록 커집니다. 
• 전기 음성도가 크면 전자를 더 가지려는 성질이 크다. HF를 예시로 보면 F가 전기 음성도가 크기 때문에 H의 전자를 독식할 것이고 그로 인해 H+ (양성자)를 방출하려는 성질이 크다. 이렇게 양성자를 잘 주는 성질을 가졌으니 브론 스테드-로우리 산염기 정의에 따라 좋은 혹은 강한 산이다. 
• HF의 짝염기는 F-이고 전기 음성도가 크니 전자와 음이온을 잘 가지고 있을 수 있어 안정한 짝염기.  하지만 메탄의 짝염기인 CH₃^-를 보면 C는 상대적으로 전기 음성도가 낮고 그로 인해 전자를 잘 가지고 있으려고 하지 않음. 그렇기 때문에 탄소 음이온 (carbonanion) 형태의 짝염기는 무척 불안전하여 반응성이 큼
• 불안정하기 때문에 계속해서 반응해서 자신을 안정시키려 하니 reactive 하며  높은 에너지 준위를 가지고 있음
• Unstable means atom is very reactively and have high energy level 

 

 

Electronegativity -----------------------------------------------------------------------------------------→
pKa	50	38	15.7	3.2
	CH4	NH3	H2O	HF

 

 

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2. 같은 족 (세로)에서 비교 ( in same family) 

 

• H와 결합한 원자의 크기가 클수록 더 강한 산이다. ★
• 자주 기출 되는 할로겐과 6족 원자들을 차트로 적어놨다. 
• 비교 대상을 헷갈리면 안 된다. 족끼리 비교하는데 여기서 전기 음성 도로 산의 세기를 판단하면 HF > HI 같은 보기에 정답 처리하는 자신을 볼 수 있다. 
• HI 가 HF보다 훨씬 강산인 이유는 Iodine의 원자 크기가 fluorine보다 크기 때문에 전자의 분산 효과가 나타난다. 
  • HI가 양성자를 배출하고 I-가 됐을 때 그 크기 때문에 음전하를 골고루 분산시키기 때문에 단위 부피당 전하량이 낮아져 중성에 가까워지니 안정한 짝염기가 생성됨. 

 

 

 

Atom Radius -------------------------------------------------------------------------→
pKa	3.2	-7	-9	-11
Halogen	HF	HCl	HBr	HI
pKa	15.7	7	3.9	2.6
6A	H2O	H2S	H2Se	H2Te

 

 

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3. 유발효과 (Inductive effect) 

 

• H와 직접 결합한 분자가 아니라 좀 더 복잡한 구조의 분자식에서의 산 세기 비교이다. 
• 여기서는 또 전기 음성도가 클수록 더 강한 산이다. ★
  • 그 이유는 하이라이트 된 위치에 있는 원소의 전기음성도가 크면 전자를 끌어서 집중된 전자를 분산시켜줌으로써 더 안정한 짝염기 구조를 형성한다. 
  • 이렇게 전자를 끌어주는 치환기를 Electron-withdrwaing group or EWG라고 표시함.
    • F, Cl, Br, I 같은 할로겐은 대표적인 EWG (활성 감소기)이다.
• 여기서 중요한 건 아니지만 카복실 그룹 (-COOH)이 가장 낮은 pKa를 가지고 있는 작용기임으로 먼저 양성자를 배출해서 아래와 같은 짝염기의 구조를 이룬다. 사실 양성자를 배출할수 있는게 저기서는 저거 밖에 없다...
  • pH가 pKa보다 낮으면 비이온화 상태이고 pKa보다 높은 pH일시에는 이온화됨. Thus, pH가 점점 올라간다면 pKa가 낮은 애들부터 이온화 (losing H+) 됨.  
  • 아스피린이 위 속 환경에서 (pH 2) 비이온화되는 이유.

 

Weakest Acid ----------------------------------------------------------------------------------→  Strongest Acid Electronegativity ----------------------------------------------------------------------------------------------→
분자식	CH3COOH	CH2ICOOH	CH2BrCOOH	CH2ClCOOH	CH2FCOOH
짝염기 루이스 구조

 

• 당연히 위와 같이 친절하게 문제가 나오지는 않고 아래 예시처럼 나오는 경우가 많다. 
• 더 강한 산 판단하기 
  • EWG가 음전하와 더 가까울 때 
  • 더 많은 EWG가 붙어 있을 때 

EWG 위치적 효과와 수량적효과를 잘 판단하자.