[유기 화학] 2. 산과 염기 (Acids and Bases)

영상 강의

 

 

1. 산과 염기란?

1-1. 브뢴스테드-로우리 vs 루이스

브뢴스테드-로우리 산염기	루이스 산염기
브뢴스테드 로우리 산: H+ 주개 브뢴스테드 로우리 염기: H+ 받개	루이스 산: 전자쌍 받개 루이스 염기: 전자쌍 주개 *즉, 염기는 줄 고립전자쌍이 있어야 함

 

***루이스 산염기가 브뢴스테드-로우리 산염기를 포함함
(즉, 브->루  /  루o브x도 존재)

 

 

 

그림에서

위 반응은 양성자를 주고 받는 브뢴스테드-로우리 산염기임

동시에 전자쌍을 주고 받는 루이스 산염기임

 

아래 반응은 양성자의 이동은 없지만 전자쌍을 주고 받는 루이스 산염기임

(B의 빈 p오비탈에 전자쌍이 들어간다)

*형식전하 표시에 주의할 것

 

 

 

※반응에서의 화살표
유기화학에서는 화살표가 전자의 흐름을 의미한다!

반응의 메커니즘을 나타낼 때 이용한다.

 

*전자쌍(즉 전자 2개)의 이동 / 전자 1개의 이동은 각각 다른 화살표를 사용한다.

*전자의 시작과 끝을, 화살표의 꼬리 머리로 정확하게 표시해야 한다. 애매하면 안 됨.

*전자쌍, 결합 등의 전자쌍이- 다른 결합이 되거나, 고립전자쌍이 된다

 

 

 

 

1-2. 짝산과 짝염기

산이 양성자를 잃은 형태가 짝염기

염기가 양성자를 받은 형태가 짝산

 

 

 

 

산이 강하면 짝염기가 약하다

(= 산이 약하면 짝염기가 강하고.. = 염기가 강하면 짝산이 약하고.. = 염기가 약하면 짝산이 강하고..)

 

 

생각해보면 간단하다.

강산이 불안정해서(강해서) H+를 잃고 싶어한다.

H+를 잃어야 안정하기 때문이다.

즉 H+를 잃은 짝염기는 안정한(약한) 약염기이다.

 

 

일반화학에서 pKa + pKb = 14.00도 같은 맥락

 

 

 

 

 

 

 

2. 산의 산성도 판단하기(강산, 약산 / 약염기, 강염기)

산이 강하다는 것은 양성자를 잃고 싶어 한다는 것이다.

염기가 강하다는 것은 양성자를 받고 싶어 한다는 것이다.

 

이러한 산과 염기의 세기를 판단하기 위한 3가지 방법이 있다.

정량적 방법	정성적 방법	***대략적인 pKa 순서 외우기
pKa가 낮을수록 강산	짝염기가 안정할수록 강산 (ARIO)	ARIO에 기반해서 대략적인 분자들의 pKa 순서를 외움 많이 공부하다 보면 외워짐

 

 

 

 

2-1. 정량적 방법 : pKa가 낮을수록 강산

단순히 pKa를 비교했을 때, pKa가 낮으면 강산이다.

*응용해서, 짝산의 pKa가 낮으면 약염기이다

 

강산이다

=양성자를 잘 내놓는다

=평형이 오른쪽으로 치우친다

=Ka가 높다

=pKa가 낮다

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2-2. 정성적 방법 : ARIO + Sterically hindered 

짝염기가 안정할면 강산이다.

짝염기가 안정한지 정성적으로 분석하면, 산성도를 알 수 있다.

 

 

A > R > I > O > S 의 우선순위로 안정성을 비교한다

대략적인 경향성이지 절대적인 순서는 아님 주의!!

-Atom: 원자 크기가 클수록 & 전기음성도가 클수록 안정하다

           *공명 후까지 생각해서, 전자가 퍼져있는 원자들을 파악 후 비교해야 함

-Resonance: 공명이 많을수록 안정하다

-Induction: 전기음성도가 큰 인접한 원자에 의해, 전자가 당겨져 안정화된다

-Orbital: sp > sp2 > sp3 > p 순으로 음전하를 안정화한다

-Sterically hindered: 입체적으로 크면, 용매에 의한 안정화를 방해해 불안정해진다.

 

 

 

 

 

1. Atom

원자 크기가 크면, 그 만큼 전자를 잘 안정시킴 = 안정

S vs O : S가 더 주기가 높고, 크기가 커서, 전자를 잘 안정 = 약염기 & 강산

 

전기음성도가 크면, 그 만큼 전자를 잘 가지고 있음 = 안정

N vs O : O가 더 전기음성도가 커서, 전자를 잘 가짐 = 약염기 & 강산

 

 

 

2. Resonance

공명이 많을수록, 유리한 원자에 있을수록 안정하다.

 

3. Induction

인접한 위치에 전기음성도가 큰 원자가 많을수록, 

전자를 끌어당겨 안정해진다

 

4. Orbital 

sp > sp2 > sp3 > p 순으로,

에너지가 낮으니 전자를 잘 안정화시킴

 

 

 

 

5. Sterically hindered  

입체적으로 방해될수록, 용매에 의해 안정화되는 걸 막아 불안정해짐

 

 

 

 

 

예외: NH3 vs C2H2

C2H2의 sp 오비탈 효과가, C vs N의 atom 효과를 넘을만큼 강력하다

그래서 C2H2가 더 강산이다

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2-3. 공부하다 보면.... : 대략적인 pKa 순서 외우기

 

문제 풀다보면 대략적인 순서가 외워진다.

대충 ARIO steric 경향성을 따른다

 

I- Br- Cl-: 옥텟 만족 굿

H2SO4: 공명이 강력함

oxonium: O에 달린 양성자에, 짝염기가 중성이고 안정

---H3O+---

원자 & 공명에 따른 경향성

---H2O ----

OH류 : steric 경향성

CH류: sp sp2 sp3 오비탈 경향성

그 사이에 예외로 NH3 끼었음

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. 산과 염기로 반응을 분석하기

3-1. 반응의 평형 결정하기

산염기 반응은, 산끼리 양성자를 누가 뱉을지 / 염기끼리 양성자를 누가 뱉을지 대결하는 것과도 같다.

산과 짝염기, 염기과 짝산 간 경쟁이 아니라

산끼리, 염기끼리 경쟁하는 셈! 

오개념에 유의.

 

그렇게 했을 때, 결국 약산, 약염기 쪽으로 평형이 치우치게 된다.

(산성도는 2에서 배운 대로 비교하면 됨)

 

 

3-2. 시약 결정하기

반응이 일어나려면, 그 결과 더 안정해지도록 평형이 이루어져야 함.

ex. 산이 반응하려면, 강한 염기 = 짝산이 더 약산인 염기 가 필요

ex. 반대로 염기가 반응하려면, 강산 = 짝염기가 더 약염기인 산 이 필요

 

 

3-3. 용매 결정하기 (Leveling Effect)

 

<Leveling Effect>

반응에서의 용매가 

산보다 강산이거나, 염기보다 강염기면 안 됨.

그러면 걔네가 반응물보다 더 격렬하게 반응해서, 원하는 반응이 일어나기 힘듦

*추가적으로 극성 용매를 선택해야, 산 염기가 잘 녹아있음

 

저 표를 보면, 반응의 산보다 약산이고, 염기보다 약염기인 연두색들이 용매가 될 수 있음.