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산과 염기 Acids & Bases |
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1. 개요
超强酸 / Superacid초산(超酸), 과산(過酸)이라고도 한다. 초강산의 정의는 수용액 상에서 황산보다 더 강한 산이다. 당연하지만 보통의 강산보다도 훨씬 위험한 물질들이다. 산도도 일반적인 pH 계산 방법으로는 제대로 구할 수 없어 Hammett 산도함수를 이용해서 구해야 한다. 학부에서 무기화학쯤 들어가면 책 구석에 짧게 나온다. 초강산에 관한 연구로 조지 A. 올라(George Andrew Olah)는 1994년에 노벨상을 받았다.
2. 활용
알려진 초강산 순위
Hammett 산도함수 :
[math(H_0 = {\rm p}K\rm_{BH^+} + \log\dfrac{[B]}{[BH^+]})]
([math(\rm B)]는 나이트로아닐린 (or 짝염기) , [math(\rm BH^+)]는 그의 짝산)
초강산을 이용하면 대부분의 1가 양이온 화학종을 반응성이 커진 2가 양이온 화학종으로 만들어 낼 수 있다. 이렇게 만들어낸 양이온들은 초친전자체로 다양한 화학반응을 이끌어낼 수 있다.
폴리크레줄렌[1], 플루오로안티몬산, 마법산이 대표적인 초강산. 특히 플루오로안티몬산, 마법산 모두 유리를 녹이므로[2] 테플론으로 만든 특수한 용기에만 보관할 수 있다. 유리를 전극으로 쓰는 pH 미터 또한 이들 물질과 접촉해서는 안 된다.
3. 세기
위에서 언급한 Hammett 산도함수를 이용하여 얻은 산도는 H0로 표기되는데, 이 H0 대로 초강산 세기를 나열하면 다음과 같다. 출처| 이름 | H0 |
| 수소화 헬륨 이온(HeH+)[3] | -63 |
| 플루오로안티몬산(HSbF6)[4] | -23 ~ -28 |
| 마법산(HSO3F + SbF5) | -19.2 |
| 카보레인산(H(CHB11Cl11)) | 최약 -18 |
| 플루오로황산(HSO3F) | -15.1 |
| 트라이플루오로메테인설폰산(CF3SO3H)[5] | -14.9 |
| 과염소산(HClO4) | -13 |
| 클로로설폰산(HSO3Cl) | -12.78 |
| 황산(H2SO4) | -12 |
| 플루오린화 수소(불산)(HF)[6] | -11 |
단일 화합물 중 가장 강한 산은 카보레인산이라고 볼 수 있는데, 흥미롭게도 산도는 높으나 반응성이 거의 없다.
가장 강력한 산은 수소화 헬륨 이온(HeH+)인데, 이것의 산해리상수(pKa)는 -63. 참고로 플루오로안티몬산(HSbF6)은 -31.3, 염산은 -9.3. pKa는 -log10Ka를 의미하는 것이니, 염산보다 무려 [math(5\times10^{53})]배나 강력한 산도를 띠는 셈이다. 다만 플라즈마 상태에서만 관찰되므로 산으로서 잘 언급되지는 않는다. 우주 공간 중 초기 우주와 가장 유사한 형태의 공간에 성간매질에 존재할 것으로 추정되고 있었는데 2019년 나사의 SOFIA 관측 장치를 통해 NGC 7027[8]에서 이 분자를 발견하는 데 성공했다. HeH+는 빅뱅 이후 초기 우주에서 가장 먼저 합성된 화합물로 추정되며, 따라서 초기 우주 상태에서의 화학을 이해하는 데 중요한 물질이라고 볼 수 있다.[9]
4. 기타
흔히 염기성에서 자줏빛으로 변하는 것으로 알려진 페놀프탈레인은 초강산에 떨어트리면 핏빛으로 변한다.대응하는 물질로 초염기가 있다. 기체상에서 양성자 친화도가 >1000kJ/mol인 염기들이 이에 속한다. 초염기의 예로는 tert-부틸리튬 등이 있다.
[1]
알보칠의 주성분.
[2]
애초에 전부 유리를 반응시킬 수 있는
플루오린이 들어 있으니 당연한 진실이다.
[3]
지구상에서 가장 산도가 높은 물질이다.
[4]
이쪽은 보관 및 관리가 가능한 지구상에서 가장 산도가 높은 물질이다.
[5]
보통 TfOH로 표기한다.
[6]
묽은 플루오린화 수소는 약산이지만 순수한 플루오린화 수소는 강산이다.
[7]
해당 문단은 '샘 킨' 저서 '사라진 스푼'을 참고하여 작성함.
[8]
백조자리 방향으로 약 3,000광년 떨어진
행성상성운으로 600년 전에 형성된 것으로 추정되며 성운 질량이 태양의 3~4배 정도 되는 데 반해 크기가 0.2x0.1광년밖에 되지 않아 밀도가 아주 높고 뜨거운 형태를 띠고 있다. 따라서 초기 우주의 상태와 가장 유사한 것으로 추정되는 곳이다.
[9]
해당 문단은
https://en.wikipedia.org/wiki/Helium_hydride_ion 를 참고하여 작성함.