[환경공학-수질] 산과 염기, pH, 산도 그리고 알칼리도

① 산과 염기 :

 

가. 아레니우스 정의 :

-산 : 수용액에서 수소이온(H+)을 내놓는 물질을 말한다.

-염기 : 수용액에서 수산화이온(OH-)을 내놓는 물질을 말한다.

-아레니우스 정의의 한계 : 몇몇 반응에만 한정적으로 적용이 가능하여 전체적인 산과 염기 반응을 설명하기에는 무리가 있다.

 

나. 브뢴스테드-로우리 정의 :

-산 : 양성자(H+)를 주는 물질(donor)을 말한다.

-염기 : 양성자(H+)를 받는 물질(acceptor)을 말한다.

다. 루이스 정의 :

-산 : 다른 물질로부터 전자쌍을 받는 물질을 말한다.

-염기 : 다른 물질에게 전자쌍을 주는 물질을 말한다.

② pH : 

(사진출처 : https://www.flickr.com/photos/boellstiftung/35805740223)

수소이온농도지수로 수용액의 산과 알칼리성을 나타내는 지수이다. 수식적으로로 나타내며 25℃에서가 항상 성립하며 해당온도에서 수용액이 pH=7을 나타낼 경우에 중성을 띈다고 말한다. 

실생활에서 흔히 볼 수 있는 물질들의 산과 알칼리성 물질들을 pH를 통해 구분해보면 다음과 같은 자료를 얻을 수 있다. 환경에서 pH는 모든 생화학적 반응에 기본적인 영향을 끼치는데 특히, 상수처리,하폐수처리, 미생물의 생존조건, 수생동식물의 생존등에 영향을 미치는 것으로 알려져 있다.

③ 산과 염기의 이온화 상수 :

-Ka : 산해리상수, 물분자에 H+를 공여하는 산의 반응 혹은 H+의 해리반응으로 클수록 강산에 해당한다.

 

-Kb : 염기해리상수, 물분자로부터 H+를 수용하는 염기의 반응, 또는 H+의 결합반응르로 클수록 강염기에 해당한다. 

-Kw : 물의 이온곱 상수, 물의 자동이온화 반응에서 평형상수는  25℃에서  이것을 KW로 사실상 정의한다. 이때, 중성수용액에서 [H3O+] 그리고 [OH-]는 1.0×10-7이므로 이것에 의하여 pH와 pOH의 개념을 적용해보면 으로 임을 알 수 있다.  또한 임의의 산염기 반응에서 Kw=Ka×Kb로 정의되는데 이를 통해 pKa + pKb = 14로 항상 일정하다는 것을 알 수 있다.

④ 산도(Acidity) : 

강염기를 중화시킬 수 있는 물의 능력(용량)으로 약산의 경우 H2CO3, HCO3- 그리고 강산(무기산)의 경우 H+가 OH-와 반응하여 강염기를 중화시킨다. 산도의 발생원은 대기 중의 CO2가 지표수로 용해된 경우 생성하는 H2CO3, HCO3-, CO2(aq)등이 있으며 산업폐수등에서는 무기산이 주로 생성된다, 

유기산도 존재할 수 있는데, 폐수 중 고분자 물징의 의해 저분자 유기산이 생성된다. 측정의 단위는 탄산칼슘(CaCO3)의 ppm으로 환산해서 사용된다. 측정에 이용하는 지시약으로는 메틸 오렌지를 이용한 것과 페놀프탈레인을 이용한 것으로 나누어진다.

⑤ 알칼리도(alkalinity) : 

강산을 중화하는 물의 능력에 대한 척도로 수중에 포함된 알칼리 성분, HCO3-, CO32- 등이 반응하여 강산과 반응하는 경우 작용하여 강사을 중화시킨다. 

알칼리도의 측정은 페놀프탈레인 알칼리도(수산화물 알칼리도)와 메틸오렌지 알칼리도가 있다. 보통 메틸오렌지 알칼리도를 총알칼리도라고 한다. 측정의 단위는 산도와 마찬가지로 탄산칼슘(CaCO3)의 ppm으로 환산해서 사용된다. 

*참고문헌

1. 환경공학용어사전, 환경용어연구회, 1996. 4., 성안당

2. Zumdahl, 줌달의 일반화학, 사이플러스

3. 산도, 두산백과