중화 반응 — 산과 염기가 만나면 왜 물이 될까

속이 쓰릴 때 먹는 제산제, 김치찌개의 신맛을 잡으려고 넣는 소다 한 꼬집, 산성화된 밭에 뿌리는 석회 가루. 셋 다 하는 일은 똑같습니다. 산성을 약하게 만드는 것입니다. 그런데 산과 염기가 만나면 정확히 무슨 일이 벌어지길래 둘 다 성질을 잃을까요?

산과 염기는 무엇을 내놓는가

먼저 산과 염기가 물에 녹으면 무슨 일이 생기는지 봐야 합니다.

• 산은 물에 녹아 수소 이온($\mathrm{H^+}$)을 내놓습니다. 신맛, 금속을 녹이는 성질, 푸른 리트머스를 붉게 만드는 성질은 전부 이 $\mathrm{H^+}$ 때문입니다.
• 염기는 물에 녹아 수산화 이온($\mathrm{OH^-}$)을 내놓습니다. 쓴맛, 미끈거리는 느낌, 붉은 리트머스를 푸르게 만드는 성질은 $\mathrm{OH^-}$ 때문입니다.

산의 공통 성질이 서로 다른 산에서 똑같이 나타나는 이유가 여기 있습니다. 염산이든 황산이든 식초든, 물에 녹으면 결국 같은 $\mathrm{H^+}$ 를 내놓기 때문입니다.

만나는 것은 H⁺ 와 OH⁻ 뿐입니다

염산에 수산화나트륨 수용액을 부어 봅시다. 섞기 전 용액 속에는 네 종류의 이온이 따로 떠다닙니다. $\mathrm{H^+}$, $\mathrm{Cl^-}$, $\mathrm{Na^+}$, $\mathrm{OH^-}$.

이 중에서 서로 달라붙는 것은 $\mathrm{H^+}$ 와 $\mathrm{OH^-}$ 한 쌍뿐입니다. 둘이 만나 물 분자가 됩니다.

나머지 $\mathrm{Na^+}$ 와 $\mathrm{Cl^-}$ 는 아무 일도 하지 않고 용액 속을 그대로 떠다닙니다. 반응에 끼지 않고 구경만 한다고 해서 구경꾼 이온이라고 부릅니다. 물을 증발시키면 이 둘이 남아 소금($\mathrm{NaCl}$)이 되는데, 이렇게 산의 음이온과 염기의 양이온이 만든 물질을 염이라고 합니다.

산의 $\mathrm{H^+}$ 가 사라지고 염기의 $\mathrm{OH^-}$ 도 사라지니, 둘 다 자기 성질을 잃습니다. 이것이 중화입니다. 제산제가 속쓰림을 가라앉히는 것도 이 반응입니다. 위산의 $\mathrm{H^+}$ 를 제산제 속 염기 성분이 붙잡아 물로 만들어 버립니다.

중화 반응은 열을 내놓습니다. 산과 염기를 섞으면 온도가 올라가고, 딱 맞게 반응했을 때 온도가 가장 높습니다. 이 열을 중화열이라고 합니다.

이온 수는 어떻게 변할까

시험에서 가장 자주 나오는 그림입니다. 염산에 수산화나트륨 수용액을 조금씩 넣으면서 각 이온의 수를 세어 봅니다.

• $\mathrm{H^+}$ — 넣어 준 OH⁻ 와 하나씩 짝지어 사라지므로 줄어듭니다. 딱 맞게 반응한 순간 0이 됩니다. 이 지점이 중화점입니다.
• $\mathrm{Cl^-}$ — 반응에 끼지 않으므로 처음부터 끝까지 일정합니다.
• $\mathrm{Na^+}$ — 넣는 대로 계속 쌓이므로 꾸준히 늘어납니다.
• $\mathrm{OH^-}$ — 중화점까지는 넣는 족족 H⁺ 와 반응해 사라지므로 0입니다. 중화점을 지나면 짝지을 H⁺ 가 없어 그때부터 쌓입니다.

여기서 한 가지를 놓치기 쉽습니다. 중화점까지 $\mathrm{H^+}$ 하나가 사라질 때마다 $\mathrm{Na^+}$ 하나가 들어옵니다. 그래서 전체 이온 수는 줄지 않고 그대로입니다. 중화점을 지나야 $\mathrm{Na^+}$ 와 $\mathrm{OH^-}$ 가 함께 쌓이면서 전체 이온 수가 늘기 시작합니다.

용액의 액성은 어느 쪽이 남았는지로 정해집니다. 중화점 전에는 $\mathrm{H^+}$ 가 남아 산성, 중화점에서는 중성, 지나면 $\mathrm{OH^-}$ 가 남아 염기성입니다. 이 변화를 눈으로 보려고 지시약을 씁니다. BTB 용액은 노랑에서 초록을 거쳐 파랑으로, 페놀프탈레인 용액은 무색이다가 중화점을 지나면 붉게 변합니다.

시험에서는 이렇게 나옵니다

• 알짜 이온 반응식을 쓰라는 문제. 답은 언제나 $\mathrm{H^+} + \mathrm{OH^-} \to \mathrm{H_2O}$ 입니다. 구경꾼 이온은 빼고 씁니다.
• 이온 수 변화 그래프에서 어느 선이 어느 이온인지 짝짓기. 일정한 선이 구경꾼, 0에서 시작하는 선이 넣어 준 쪽입니다.
• 중화점을 찾는 문제. 온도가 가장 높은 지점, $\mathrm{H^+}$ 가 0이 되는 지점, 지시약 색이 변하는 지점이 모두 같은 자리입니다.
• 섞은 뒤의 액성 판정. 산의 $\mathrm{H^+}$ 수와 염기의 $\mathrm{OH^-}$ 수를 세어 많은 쪽이 남습니다.
• 생활 속 예 분류: 제산제, 산성 토양에 석회, 벌레 물린 데 암모니아수, 생선에 레몬즙, 치약으로 입안의 산 제거.

자주 헷갈리는 것

• "중화되면 이온이 줄어드니 전체 이온 수도 준다" — 아닙니다. $\mathrm{H^+}$ 가 하나 사라질 때 $\mathrm{Na^+}$ 가 하나 들어오므로 중화점까지 전체 수는 그대로입니다.
• "중화 반응의 결과는 항상 중성이다" — 아닙니다. 중성이 되는 것은 딱 맞게 반응했을 때뿐입니다. 한쪽이 많으면 반응은 일어나도 산성이나 염기성으로 남습니다.
• "염은 소금이다" — 소금($\mathrm{NaCl}$)은 여러 염 가운데 하나일 뿐입니다. 황산과 수산화칼슘이 만나면 황산칼슘이라는 다른 염이 생깁니다.

정리합니다. 산이 내놓는 H⁺ 와 염기가 내놓는 OH⁻ 가 만나 물이 되는 것이 중화 반응입니다. 나머지 이온은 구경만 하다가 염으로 남습니다. $\mathrm{H^+}$ 가 0이 되는 중화점에서 온도가 가장 높고, 그 전후로 액성이 산성에서 염기성으로 넘어갑니다.