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산과 염기 Acids & Bases |
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1. 개요
鹽 基 ｜ Base, Alkali'알칼리'라고도 하는데 아랍어로 '식물이 타고 남은 재'를 의미하는 '알낄리'(الْقِلْي; al-qily)[1][2]에서 유래했다.[3] 여담으로 산은 애시드라고 부르지 않고 그대로 산이라고 부르지만 염기는 염기와 알칼리 둘 다 표준어이다.
2. 정의
2.1. 아레니우스의 정의
수용액에 녹아 수산화 이온([math(\rm OH^-)])을 만들어내고 산과 반응하여 염(鹽)을 형성하는 물질로 정의된다.'수용액'이라는 제한된 환경과 [math(\rm OH^-)]의 생성 여부로 정의되기 때문에, 염기를 정의할 수 있는 물질의 범위가 가장 좁다.
2.2. 브뢴스테드-로리의 정의
양성자([math(\rm H^+)])를 받아들이는 물질로 정의된다. 물에 녹기 전의 염 상태에서 [math(\rm OH^-)]가 없어도 염기성을 띠는 물질들(대표적으로 [math(rm NH_3)])이 사실은 물 분자에서 [math(\rm H^+)]를 받아서 결과적으로 [math(\rm OH^-)]가 생성되는 것이기 때문에 브뢴스테드-로리 염기는 아레니우스 염기를 포함하는 개념으로 생각할 수 있다.2.3. 루이스의 정의
비공유 전자쌍을 제공하는 물질로 정의된다. 루이스는 브뢴스테드-로리 염기가 [math(\rm H^+)]를 받을 때 비공유 전자쌍에 결합한다는 현상에 주목하여, [math(\rm H^+)]의 존재 여부가 아닌 어느 물질에나 존재하는 비공유 전자쌍을 기준으로 정의가 확장된다. 화학 반응에서 친핵체로 분류되는 것들은 루이스 염기라고 볼 수 있다.2.4. HSAB 이론
3. 성질
대체로 쓴맛이 나며, 단백질을 녹이는 성질이 있어 만지면 미끈거린다.[4] 때문에 때나 세균등의 제거를 위해 비누나 약알칼리성 세탁세제 등, 많은 세척용구가 알칼리성이다.금속에 대한 반응성이 산보다 낮기 때문인지 산성보다 한 수 아래로 취급되는 경우가 많다. 창작물에서 '위험한 화학 물질'의 대표격으로 강산이나 초강산이 나오는 경우는 꽤나 많지만, 강염기는 거의 나오지 않으며, 현실에서도 염산, 황산 등 강산에 의한 범죄나 테러는 많지만, 수산화나트륨이나 수산화칼륨같은 강염기에 의한 테러는 빈도가 낮은 편이다.
화학식에 [math(\rm OH)]가 있다고 해서 반드시 염기인 것은 아니다. 카복실산은 [math(\rm R\text-COOH)] 형태지만 '카복실산'이라는 별도의 이름이 붙은 것처럼 수용액에서 [math(\rm R\text-COOH + H_2O \rightleftharpoons R\text-COO^- + H_3O^+)]로 해리하는 등 전혀 다른 특성을 지니며, 알코올 역시 [math(\rm R\text-OH)] 형태로 [math(\rm OH)]기를 가졌지만 페놀은 산성이며, 메탄올 등은 중성이다.
반대로 화학식에 [math(\rm OH)]가 없어도 염기일 수 있다. 가장 대표적인 사례는 암모니아([math(\rm NH_3)]).
4. 위험성
단백질을 녹이므로 웬만하면 만지지도 말고, 아래 서술한 것처럼 먹지도 말 것. 베이킹 파우더로 이용되는 탄산수소나트륨이나 양이온 해리되는 아미노산인 라이신, 아르기닌, 히스티딘을 제외하면 대부분 식용이 불가능하니 주의하자.일단 염기성이 산성에 비해 대중적인 존재감과 인지도가 한참 떨어져서 그런지, 대부분 사람들은 염기성보다는 산성에 대해 더 많이 접하고 더 익숙하기에[5] 금속과의 반응이 산성에 비해 약해서 염기성이 산성에 비해 그렇게 위험하진 않다고 생각하지만 그건 매우 위험한 착각이다. 강산 테러와 강염기 테러의 위험성을 잘 비교한 영화가 큐브인데, 일단 둘 다 즉사하는 건 똑같지만 황산 테러 당시에는 얼굴만 녹아내리며 죽게 되고, 수산화나트륨 테러는 전신이 한꺼번에 녹아내린다.
강한 염기성 용액은 생명체에게는 산성보다 압도적으로 위험하며, 절대 안전한 것이 아니다. 예컨대 강산을 들이켜면, 물론 소화관이 타들어가는 돌이킬 수 없는 피해를 입지만, 괴사한 조직이 굳으면서 일종의 보호막을 형성해 준다.[6] 그러나 강염기를 들이켤 경우 조직 자체가 괴사하는 걸 넘어, 아예 계속 녹아나가면서 피해 면적이 한없이 확장된다.[7] 위에서 언급했듯이 단백질을 녹이기 때문이다. 말할 필요도 없이 단백질은 인간을 구성하는 주요 성분 중 하나다. 절대 먹지 말 것! 그리고 인명을 가장 많이 앗아간 물질이 염기인 수산화칼슘이다. 물론 산성보다 반응 속도가 느리다는 점에서는 그나마 덜 위험하다고 볼 수는 있다.[8] 치사량 이상을 노출될 경우, 산성은 거의 즉사에 가깝지만, 염기성은 대응할 시간이 어느 정도 주어지기 때문이다. 반면, 중화시키는데 들어가는 자원이 산성보다 훨씬 많이 들어간다. 인근의 화산 때문에 섭씨 60도 이상 고온의 진한 염기성을 띄는 물이 고여있는 나트론 호수는 이런 이유로 인간이나 다른 동물들이 접촉하면 급속도로 수분을 빼앗기고 접촉 부위가 괴사하여 어떤 동물이든 즉사하게 되기 때문에 죽음의 호수로 알려져 있다. 인간이 물놀이를 하기에 문제가 없는 수준의 약한 염기성을 띄는 호수의 경우만 하더라도, 물고기나 수생 식물이 거의 없어서 마치 바다처럼 색이 파랗고 투명하다.
알칼리성이라고 하면 왠지 건강에 좋다는 인식이 있지만 산성 식품과 알칼리성 식품의 구분, 몸에 미치는 영향에 관해서는 과학적으로 논란의 여지가 많다. 산성체질론 항목을 참고할 것. 특히 알칼리수 관련 논란은 희석식 소주 업계들 간의 소송전쟁으로까지 번진 바 있다.
5. 기타
- 암석학에서는 염기성이라는 용어는 화성암의 주원소 조성이 규소와 알루미늄 함량이 대체로 낮고, 마그네슘, 칼슘 함량이 높은 암석을 가리킨다. 이는 과거 암석의 형성이 물에서 침전되었다고 생각하는, 이른바 '수성론'에 입각해 사용되던 용어이다. 수성론은 이제 화성암에서는 더 이상 유효하지 않은 가설이지만, 그 단어만 살아남아 지금까지 사용되고 있다. 물론 그런 배경 때문에 오늘날 암석학에서는 염기성이라는 단어를 지양하고 고철질이라는 단어로 옮겨가는 추세이다. 하지만 고철질이 좀 더 광물 조성과 암석 색상에 근거한 정의를 따로 가지고 있기 때문에, 염기성이라는 용어는 쉽게 사라지지 않을 것으로 생각된다. 대표적인 염기성암은 현무암, 반려암 등이 있으며, 이보다 더 규소 함량이 낮고 마그네슘과 칼슘 등의 함량이 높은 경우 이를 초염기성암이라고 하는데, 감람암이 대표적인 예이다.
- 특기할 사항으로는, 지질학에서는 염기성과 알칼리성(alkaline)은 전혀 다른 의미이다. 후자의 경우는 보통 특정 암석의 앞에 놓여 수식하는 단어로 사용되는데[9], 이는 염기성의 의미와는 달리, 암석이나 마그마 내에 나트륨과 칼륨의 함량이 더 많다는 뜻으로, 특히 비슷한 규소 함량을 가진 전형적인 화산암류[10]와 비교하여 높다는 의미이다.
6. 예시
- 수산화 나트륨을 비롯한 수산화 이온을 가지는 수산화물들[11]
- 탄산수소 나트륨, 탄산 나트륨과 같은 금속 탄산염[12]
- 암모니아를 비롯한 대부분의 아민 화합물[13]
- 수소화 나트륨(수소화 소듐), 수소화 리튬 같은 금속 수소화물
- 라이신, 아르기닌, 오르니틴, 히스티딘과 같은 염기성 아미노산
- 핵산의 염기
6.1. 강염기
6.2. 약염기
7. 관련 문서
[1]
엄밀하게는 '알-'(الْ; al-)은
정관사이므로 실제로는 '낄리'(قِلْي)이다. 참고로 이 단어는 초기에
소다(
탄산나트륨)와 탄산칼륨을 아울러서 부르던 명칭으로 유럽에서는 '나트론'(natron)이라고 불렀다. '
칼륨'의 어원이 되는 단어이기도 하다.
[2]
옛날부터 세제처럼 써왔던 잿물도 재에 물을 탄 것이다.
[3]
여담으로 '깔리'(قَلْي; qaly) 역시 아랍어에 존재하는 단어인데 '굽다'를 의미하는 '깔라'(قَلى; qalā)의 명사형, 즉 '굽기'를 의미한다. 아랍어는 세 자음의 나열만으로 중심이 되는 의미가 결정되며 모음은 형태론, 문법론적 기능을 하기 때문에 모음을 굳이 나타내지 않아도 아랍어 화자는 어느정도 읽을 수 있다. '알낄리'가 '알칼리'가 된 것도 القلي(al-q-l-y)처럼 모음을 생략한 표기가 와전되어 전해진 것으로 추정된다.
[4]
초등학교 과학 교과서에 두부를 수산화나트륨 수용액에 넣는 실험이 있다. 바로 그 맥락. 실험 결과는 두부가 흐물흐물해진다.
[5]
게임이나 애니메이션 등의 매체에서도 산성과 염기성 중 뭐가 더 익숙할지 생각해 보자. 만약 여기서 염기성이 나온다면 뜬금없는 분위기에 생소한 느낌을 주지만, 산성이 나오면 바로 그 위험성과 느낌, 익숙함 등이 훨씬 더 잘 와닿아서 공감이 빨리 간다.
[6]
이 현상을 응용한 약품이 바로 그 악명 높은
알보칠이다.
[7]
운이 없으면 위벽을 뚫고 다른 장기나 근육까지 진출해서 돌이킬 수 없이 많은 조직이 손상된다.
[8]
큐브 영화에서도 황산 테러 당시는 즉시 반응이 나왔지만, 수산화나트륨 테러 때는 첨엔 괜찮았다가 시간이 좀 지나고서 반응했다.
[9]
예컨대, '알칼리 현무암(alkaline basalt/alkali-basalt)'이 있다.
[10]
화산호 및
해령에서 분출하는 화산암류.
[11]
수산화 칼륨,
수산화 마그네슘,
수산화 칼슘,
수산화 바륨 등
[12]
탄산 마그네슘,
탄산 칼슘 등
[13]
피리딘,
피롤,
피롤리딘,
피리미딘, 아닐린,
트라이메틸아민,
펜에틸아민 등