Chapter 04

수용액 반응

지구 표면의 70%를 덮은 바다, 몸속의 혈액, 실험실 시약병 대부분은 물에 무언가가 녹은 수용액이다. 물속에서 일어나는 반응은 뜻밖에도 세 종류로 거의 다 분류된다 — 고체가 생기는 침전, 양성자가 옮겨 가는 산·염기, 전자가 옮겨 가는 산화–환원. 이 장에서는 녹은 물질이 이온으로 존재하는지부터 확인하고, 몰농도로 양을 세어, 세 반응을 예측하고 적정으로 측정하는 법을 익힌다. 먼저 아래에서 소금 결정이 물에 녹는 장면을 분자 수준에서 보자.

누르면 그 자리에 소금 결정이 떨어진다

용액과 전해질

용액(solution)은 두 가지 이상의 물질이 분자 수준에서 고르게 섞인 균일 혼합물이다. 양이 가장 많은 성분을 용매(solvent), 녹아 있는 나머지를 용질(solute)이라 한다. 용매가 물이면 수용액(aqueous solution)이고, 화학식 뒤에 (aq)를 붙인다.

순수한 물은 전기를 거의 통하지 않는다. 그런데 소금을 녹이면 전구에 불이 켜지고, 설탕을 녹이면 켜지지 않는다. 전류를 나르는 것은 용액 속을 움직이는 이온이다. 물에 녹아 이온을 내는 물질을 전해질(electrolyte), 분자 그대로 녹아 이온을 내지 않는 물질을 비전해질(nonelectrolyte)이라 한다.

강전해질

거의 100% 이온으로 존재. 가용성 이온 화합물(NaCl, KNO₃, CaCl₂), 강산(HCl, HNO₃, H₂SO₄), 강염기(NaOH, Ba(OH)₂).

약전해질

일부만(보통 몇 % 이하) 이온화하고 나머지는 분자로 남는다. 약산(CH₃COOH, HF), 약염기(NH₃). 반응식에 \(\ce{<=>}\)를 쓴다.

비전해질

분자로만 녹는다. 설탕 C₁₂H₂₂O₁₁, 에탄올 C₂H₅OH, 요소 같은 대부분의 분자 화합물(산·염기 제외).

이온 화합물이 녹을 때는 이미 결정 속에 있던 이온이 물 분자에 둘러싸이며 떨어져 나간다. 이것이 해리(dissociation)다. 물 분자의 부분 음전하(O 쪽)는 양이온을, 부분 양전하(H 쪽)는 음이온을 향해 이온을 감싸는데, 이를 수화(hydration)라 한다. 반면 HCl이나 CH₃COOH 같은 분자 화합물은 원래 이온이 없다. 물과 반응해 새로 이온이 생기는 과정을 이온화(ionization)라 한다.

Na⁺ O(δ−) 쪽이 양이온을 향한다 Cl⁻ H(δ+) 쪽이 음이온을 향한다 수화 껍질(hydration shell)
수화된 이온. 물 분자는 굽은 극성 분자라 산소 쪽이 부분 음전하(δ−), 수소 쪽이 부분 양전하(δ+)를 띤다. 그래서 Na⁺ 주위에서는 산소가, Cl⁻ 주위에서는 수소가 이온 쪽을 향해 껍질을 이룬다.
$$\ce{NaCl(s) ->[H2O] Na+(aq) + Cl-(aq)} \qquad \ce{HCl(g) ->[H2O] H+(aq) + Cl-(aq)} \qquad \ce{CH3COOH(aq) <=> H+(aq) + CH3COO-(aq)}$$
+ − + − + − + − 강전해질 (NaCl) + − 약전해질 (CH₃COOH) 비전해질 (설탕)
전기 전도도 실험. 강전해질은 녹은 거의 모든 입자가 이온(+, −)이라 전구가 밝게 켜지고, 약전해질은 대부분 분자(타원)로 남아 희미하며, 비전해질은 이온이 없어 켜지지 않는다.

같은 0.10 M 농도의 NaCl, CH₃COOH(아세트산), 설탕 용액에 전극을 꽂았다. 전구는 어떻게 켜질까?

전류를 나르는 것은 이온이다. NaCl은 모두 이온으로, 아세트산은 약 1%만 이온으로 존재하고, 설탕은 이온을 전혀 내지 않는다. 아래 측정기에서 확인하라.
SIMULATOR

전도도 측정기: 용질과 농도에 따른 전구 밝기

분류—
이온화 비율—
이온의 총 농도—
전기 전도도 κ—
해볼 것: ① 0.1 M에서 NaCl, CH₃COOH, 설탕을 차례로 골라 전구 밝기를 비교하라. ② 같은 0.1 M에서 HCl이 NaCl보다 전도도가 3배 가까이 큰 이유는? (H⁺는 물 분자 사이를 ‘건너뛰며’ 매우 빨리 움직인다.) ③ 아세트산을 0.0001 M까지 묽히면 이온화 비율이 어떻게 변하는가? 약전해질은 묽을수록 더 많이 이온화한다(14·15장). 전도도는 이온별 극한 몰전도도에 간단한 농도 보정을 곱한 근사값이다.
용질
MINI LAB전압을 걸면 양이온(+)은 음극(−)으로, 음이온(−)은 양극(+)으로 끌려간다. 전극에 닿는 이온 수가 곧 전류다(전극에 도착한 이온은 반응해 없어지고 같은 이온이 보충된다고 가정). 분자(회색 타원)는 전하가 없어 전기장에 끌리지 않는다. 전압 0에서는 이온이 무작위로만 움직여 알짜 전류가 0이다.

몰농도와 희석, 용액 화학량론

용액 속 용질의 양을 세는 가장 흔한 단위는 용액 1 L에 녹아 있는 용질의 몰수, 몰농도(molarity)다.

$$M = \frac{n_\text{용질}\ (\text{mol})}{V_\text{용액}\ (\text{L})} \qquad\Longleftrightarrow\qquad n = M\times V$$
분모는 용매가 아니라 용액 전체의 부피다. 단위 mol/L를 M으로 쓰고 "몰라"라 읽는다.
MINI LAB액면의 흰 원을 위아래로 끌어 용액의 부피를 바꾼다. 점 하나가 Cu²⁺ 1 mmol이다. 용질을 더하면 점이 늘고, 물을 더해 부피를 키우면 점이 퍼져 색이 옅어진다 — 몰농도는 ‘부피당 입자 수’다. ‘목표 농도 도전’을 눌러 주어진 농도를 ±2% 안에 만들어 보라.

정확한 농도의 용액을 만들려면 용질을 정확히 달아 부피 플라스크(volumetric flask)에 넣고, 일부 물로 녹인 뒤 눈금선까지 물을 채운다. 1 L의 물에 녹이면 부피가 1 L에서 조금 벗어나므로 안 된다.

강전해질은 녹으면서 이온으로 갈라지므로 이온의 농도는 화학식의 아래 첨자를 곱해야 한다. 0.10 M CaCl₂ 용액에서 \([\ce{Ca^2+}] = 0.10\) M, \([\ce{Cl-}] = 0.20\) M이다. 대괄호 \([\;]\)는 몰농도를 뜻한다.

희석

진한 원액(stock solution)에 용매를 더해 묽혀도 용질의 몰수는 변하지 않는다. 따라서

$$M_\text{진}\,V_\text{진} = M_\text{묽}\,V_\text{묽}$$
양변 모두 용질의 몰수다. \(V\)는 같은 단위(mL끼리, L끼리)면 된다. 진한 산을 희석할 때는 열이 많이 나므로 물에 산을 조금씩 붓는다.

2.0 원액을 25 덜어 물을 부어 250로 만들면 묽힌 용액의 농도는 이다. 용질의 몰수 은 그대로이고, 부피가 배가 되었으므로 농도는 그만큼 낮아졌다.

원액 1.00 M 10.00 mL 덜기 n = 0.0100 mol 눈금선 물을 더해 100.0 mL로 → 0.100 M n 그대로 V × 10 M ÷ 10
희석. 피펫으로 덜어 낸 원액 속 용질의 몰수(0.0100 mol)는 물을 더해도 그대로이고, 부피가 10배가 되었으므로 농도는 1/10이 된다.

황산 구리(II) 오수화물 CuSO₄·5H₂O(몰 질량 249.68 g/mol)로 0.150 M CuSO₄ 용액 250.0 mL를 만들려면 몇 g을 달아야 하는가?

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전략 필요한 몰수 \(n = MV\)를 구하고 몰 질량을 곱한다. 수화물 1 mol이 CuSO₄ 1 mol을 주므로 수화물의 몰 질량을 써야 한다.
풀이 \(n = (0.150\,\text{mol/L})(0.2500\,\text{L}) = 0.03750\) mol, \(\;m = 0.03750\times249.68 = 9.36\) g
CuSO₄·5H₂O 9.36 g을 250 mL 부피 플라스크에 넣고 눈금까지 물을 채운다.
검토 무수 CuSO₄(159.61 g/mol)의 몰 질량을 쓰면 5.99 g이 나와 36%나 적게 넣게 된다. 결정수의 질량을 잊지 말 것.

시판 진한 질산은 15.8 M이다. 0.250 M HNO₃ 500. mL를 만들려면 진한 질산 몇 mL가 필요한가?

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전략 \(M_\text{진}V_\text{진} = M_\text{묽}V_\text{묽}\)를 \(V_\text{진}\)에 대해 푼다.
풀이 $$V_\text{진} = \frac{(0.250\,\text{M})(500.\,\text{mL})}{15.8\,\text{M}} = 7.91\,\text{mL}$$
진한 질산 7.91 mL를 물 약 400 mL에 천천히 넣고, 식힌 뒤 500 mL까지 채운다.
검토 농도가 약 63배 낮아지므로 부피는 500/63 ≈ 8 mL. 크기가 맞다.

0.200 M CaCl₂ 25.0 mL와 0.100 M NaCl 50.0 mL를 섞었다. 혼합 용액의 \([\ce{Cl-}]\)는? (부피는 더해진다고 본다.)

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전략 농도는 바로 더할 수 없다. 각 용액에서 Cl⁻의 몰수를 구해 더한 뒤 전체 부피로 나눈다.
풀이 CaCl₂에서 \(2\times0.200\times0.0250 = 0.0100\) mol, NaCl에서 \(0.100\times0.0500 = 0.00500\) mol. $$[\ce{Cl-}] = \frac{0.0150\,\text{mol}}{0.0750\,\text{L}} = 0.200\,\text{M}$$
[Cl⁻] = 0.200 M
검토 처음 두 용액의 [Cl⁻]가 0.400 M, 0.100 M이었으니 부피 가중 평균 \((0.400\times25 + 0.100\times50)/75 = 0.200\)과 같다.

용액이 반응에 쓰이면 3장의 화학량론 사슬에서 "질량 ÷ 몰 질량" 대신 "부피 × 몰농도"가 몰수로 가는 다리가 된다. 다음 절의 침전 반응과 마지막 절의 적정이 모두 이 계산이다.

침전 반응과 알짜 이온 반응식

질산 납(II) 용액과 아이오딘화 포타슘 용액은 둘 다 무색투명하지만, 섞는 순간 샛노란 고체가 생긴다. 이처럼 용액끼리 반응해 녹지 않는 고체, 곧 침전(precipitate)이 생기는 반응을 침전 반응이라 한다. 침전은 양이온과 음이온이 짝을 바꾸어(복분해, metathesis) 녹지 않는 조합을 만들 때 생긴다.

용해도 규칙

어떤 이온 화합물이 물에 녹는지는 다음 경험 규칙으로 예측한다(25 °C, 약 0.01 M 이상 녹으면 "녹는다"로 본다).

이 이온을 포함한 화합물은대체로중요한 예외
Li⁺, Na⁺, K⁺ 등 1족 이온, NH₄⁺녹는다없음
NO₃⁻, CH₃COO⁻녹는다없음
Cl⁻, Br⁻, I⁻녹는다Ag⁺, Hg₂²⁺, Pb²⁺의 화합물
SO₄²⁻녹는다Sr²⁺, Ba²⁺, Hg₂²⁺, Pb²⁺의 화합물
S²⁻녹지 않는다NH₄⁺, 1족, Ca²⁺, Sr²⁺, Ba²⁺
CO₃²⁻, PO₄³⁻녹지 않는다NH₄⁺, 1족
OH⁻녹지 않는다NH₄⁺, 1족, Ca²⁺, Sr²⁺, Ba²⁺

세 가지 반응식

AgNO₃ 용액과 NaCl 용액을 섞으면 흰 AgCl이 침전한다. 같은 반응을 세 수준으로 쓸 수 있다.

$$\begin{aligned} &\text{분자 반응식:} && \ce{AgNO3(aq) + NaCl(aq) -> AgCl(s) + NaNO3(aq)}\\ &\text{완전 이온 반응식:} && \ce{Ag+(aq) + NO3-(aq) + Na+(aq) + Cl-(aq) -> AgCl(s) + Na+(aq) + NO3-(aq)}\\ &\text{알짜 이온 반응식:} && \ce{Ag+(aq) + Cl-(aq) -> AgCl(s)} \end{aligned}$$
완전 이온 반응식에서는 강전해질만 이온으로 쪼개 쓴다. 고체, 약전해질, 기체, 물은 화학식 그대로 둔다.

양쪽에 똑같이 나타나는 Na⁺와 NO₃⁻는 반응에 참여하지 않는다. 이런 이온을 구경꾼 이온(spectator ion)이라 하고, 이를 지운 식이 알짜 이온 반응식(net ionic equation)이다. 알짜 이온 반응식은 "어떤 은 화합물 용액이든, 어떤 염화물 용액이든 섞으면 AgCl이 생긴다"는 일반적인 사실을 말해 준다. 알짜 이온 반응식도 원자 수와 전하가 양변에서 같아야 한다.

분자완전 이온알짜 이온 Pb(NO₃)₂(aq) + 2KI(aq) → PbI₂(s) + 2KNO₃(aq) Pb²⁺+2NO₃⁻+2K⁺+2I⁻→PbI₂(s)+2K⁺+2NO₃⁻ K⁺와 NO₃⁻는 양쪽에 똑같이 있다 → 구경꾼 이온, 지운다 Pb²⁺+2I⁻→PbI₂(s)전하: (+2) + 2(−1) = 0 = 0 ✓
  1. 분자 반응식: 질산 납(II) + 아이오딘화 포타슘 → 노란 PbI₂ 침전 + 질산 포타슘.
  2. 완전 이온 반응식: 강전해질(aq)은 모두 이온으로 쪼갠다. 계수는 이온 앞으로 옮겨 간다. 고체 PbI₂는 그대로 둔다.
  3. 양쪽에 똑같이 나타나는 K⁺와 NO₃⁻를 지운다 — 구경꾼 이온이다.
  4. 남은 것이 알짜 이온 반응식. 원자 수와 전하(0 = 0)가 모두 맞는지 확인한다.
구경꾼 이온 지우기. 알짜 이온 반응식은 “Pb²⁺가 든 용액과 I⁻가 든 용액이면 무엇이든 PbI₂가 생긴다”는 일반적 사실을 말한다.
AgNO₃(aq) Ag⁺ NO₃⁻ NO₃⁻ Ag⁺ + NaCl(aq) Na⁺ Cl⁻ Cl⁻ Na⁺ 섞은 뒤 Na⁺ NO₃⁻ Na⁺ NO₃⁻ 구경꾼 AgCl(s)
침전 반응의 입자 모형. Ag⁺와 Cl⁻는 만나 녹지 않는 고체 격자 AgCl로 빠져나가고, Na⁺와 NO₃⁻는 섞기 전과 똑같이 용액 속을 떠다닌다(구경꾼 이온).
SIMULATOR

침전 반응 혼합기

비커 액면의 흰 원을 끌어 B를 더 붓는다
침전—
침전 질량—
한계 이온—
해볼 것: ① AgNO₃와 NaCl을 고르고 VB를 0에서 50 mL까지 늘리며 침전 질량이 직선으로 늘다가 멈추는 지점(당량점)을 찾아라. ② Ba(NO₃)₂와 NaCl은 섞어도 침전이 없다 — 막대그래프의 모든 이온이 구경꾼이다. ③ Pb(NO₃)₂ + Na₃PO₄처럼 전하가 다른 이온은 몇 : 몇으로 반응하는가? 오른쪽 그래프는 섞은 뒤 용액에 남은 이온의 mmol이다(용해도 규칙에 따라 판정하고, 침전은 완전히 일어난다고 가정).

0.200 M BaCl₂ 25.0 mL와 0.100 M Na₂SO₄ 40.0 mL를 섞었다. (a) 알짜 이온 반응식을 쓰고, (b) 생기는 침전의 질량과 (c) 반응 후 남는 Ba²⁺의 농도를 구하라. \(M(\ce{BaSO4}) = 233.38\) g/mol.

풀이 보기
전략 용해도 규칙: BaSO₄는 녹지 않고 NaCl은 녹는다. 각 이온의 몰수를 구해 한계 반응물을 찾는다.
풀이 (a) \(\ce{Ba^2+(aq) + SO4^2-(aq) -> BaSO4(s)}\); 구경꾼 이온은 Na⁺, Cl⁻.
(b) \(n(\ce{Ba^2+}) = 0.200\times0.0250 = 5.00\) mmol, \(n(\ce{SO4^2-}) = 0.100\times0.0400 = 4.00\) mmol → SO₄²⁻가 한계. \(m = 4.00\times10^{-3}\times233.38 = 0.934\) g.
(c) 남은 Ba²⁺ 1.00 mmol ÷ 65.0 mL = 0.0154 M.
BaSO₄ 0.934 g, [Ba²⁺] = 0.0154 M
검토 1 : 1 반응이므로 몰수가 작은 쪽이 다 쓰인다. 위 시뮬레이터에서 Ba(NO₃)₂ 50 mL + Na₂SO₄ 40 mL(Ba²⁺ 5 mmol, SO₄²⁻ 4 mmol)로 같은 질량을 확인할 수 있다.

산·염기와 중화 반응

신맛이 나고 리트머스를 붉게 바꾸는 물질을 산, 쓴맛이 나고 미끈거리며 리트머스를 푸르게 바꾸는 물질을 염기라 불렀다. 아레니우스(1884)는 이를 이온으로 정의했다.

아레니우스 산·염기

산(acid)은 물에 녹아 H⁺ 이온의 농도를 높이는 물질, 염기(base)는 OH⁻ 이온의 농도를 높이는 물질이다.

H⁺는 맨 양성자이므로 물속에서 혼자 있지 않고 물 분자에 붙어 하이드로늄 이온 H₃O⁺로 존재한다. \(\ce{H+(aq)}\)와 \(\ce{H3O+(aq)}\)는 같은 것을 가리키는 두 표기다. 산을 "양성자 주개", 염기를 "양성자 받개"로 넓힌 브뢴스테드–로우리 정의는 15장에서 다룬다. NH₃는 OH⁻를 가지고 있지 않지만 물에서 양성자를 받아 OH⁻를 만들기 때문에 염기다.

$$\ce{NH3(aq) + H2O(l) <=> NH4+(aq) + OH-(aq)}$$

강산 (7가지를 외운다)

HCl, HBr, HI, HNO₃, HClO₃, HClO₄, H₂SO₄(첫 번째 H⁺). 그 밖의 산(HF, CH₃COOH, H₃PO₄, H₂CO₃ …)은 약산으로 본다.

강염기

1족 수산화물(LiOH, NaOH, KOH …)과 무거운 2족 수산화물 Ca(OH)₂, Sr(OH)₂, Ba(OH)₂. NH₃와 대부분의 아민은 약염기.

중화 반응

산과 염기가 반응해 물과 염(salt)을 만드는 반응을 중화 반응(neutralization)이라 한다. 강산과 강염기의 반응은 무엇이든 알짜 이온 반응식이 같다.

$$\ce{HCl(aq) + NaOH(aq) -> NaCl(aq) + H2O(l)} \qquad\Longrightarrow\qquad \ce{H+(aq) + OH-(aq) -> H2O(l)}$$

약산은 대부분 분자로 존재하므로 완전 이온 반응식에서도 분자로 쓴다. 예를 들어 아세트산과 수산화 소듐의 알짜 이온 반응식은 \(\ce{CH3COOH(aq) + OH-(aq) -> CH3COO-(aq) + H2O(l)}\)이다. 녹지 않는 염기도 마찬가지로 고체 그대로 쓴다: 위산을 중화하는 제산제 \(\ce{Mg(OH)2(s) + 2H+(aq) -> Mg^2+(aq) + 2H2O(l)}\).

기체 발생 반응

복분해의 생성물 가운데 물에 잘 녹지 않는 기체가 있으면 거품이 되어 빠져나간다. 산이 다음 음이온과 만나면 기체가 생긴다.

반응물알짜 이온 반응식생기는 기체
탄산염·탄산수소염 + 산\(\ce{CO3^2- + 2H+ -> H2O + CO2(g)}\), \(\ce{HCO3- + H+ -> H2O + CO2(g)}\)CO₂ (H₂CO₃가 분해)
황화물 + 산\(\ce{S^2- + 2H+ -> H2S(g)}\)H₂S (썩은 달걀 냄새)
아황산염 + 산\(\ce{SO3^2- + 2H+ -> H2O + SO2(g)}\)SO₂
암모늄염 + 강염기\(\ce{NH4+ + OH- -> H2O + NH3(g)}\)NH₃
SIMULATOR

이온 혼합 실험실: 칸막이를 들어 두 용액을 섞어라

가운데 칸막이 위 흰 원을 위로 끌어 올린다
반응 유형—
생긴 것—
남은 이온—
A는 화학식 단위 6개, B는 슬라이더만큼이다. 해볼 것: ① HCl + NaOH: H⁺와 OH⁻가 만나 물 분자가 되고 Na⁺·Cl⁻는 그대로 떠다닌다(중화). ② HCl + Na₂CO₃: 탄산 이온 하나가 H⁺ 두 개를 받아 CO₂ 거품으로 빠져나간다(기체 발생). ③ Pb(NO₃)₂ + KI: Pb²⁺ 하나가 I⁻ 두 개를 붙잡아 노란 PbI₂가 바닥에 쌓인다(침전). B의 양을 바꿔 남는 이온, 곧 한계 반응물을 찾아라. ④ BaCl₂ + KI처럼 아무것도 생기지 않는 조합도 있다.

탄산수소 소듐(NaHCO₃, 84.007 g/mol) 0.500 g을 과량의 염산에 넣었다. (a) 알짜 이온 반응식을 쓰고, (b) 25 °C, 1.00 atm에서 발생하는 CO₂의 부피를 구하라.

풀이 보기
전략 NaHCO₃는 가용성 염이므로 이온으로 쓰고 Na⁺와 Cl⁻를 지운다. 기체의 부피는 \(V = nRT/P\)(5장).
풀이 (a) \(\ce{HCO3-(aq) + H+(aq) -> H2O(l) + CO2(g)}\)
(b) \(n = 0.500/84.007 = 5.95\times10^{-3}\) mol = \(n(\ce{CO2})\). $$V = \frac{(5.95\times10^{-3})(0.082057)(298.15)}{1.00} = 0.146\,\text{L}$$
CO₂ 약 146 mL
검토 약 0.006 mol × 24.5 L/mol ≈ 0.15 L. 위 속에서 이 기체가 트림이 된다.

탄산수소 소듐 0.50을 과량의 염산에 넣으면, 25, 1.00 atm에서 CO₂ , 곧 가 주사기에 모인다.

산화–환원 반응

철이 녹슬고, 연료가 타고, 전지가 전류를 내는 것은 모두 전자가 한 물질에서 다른 물질로 옮겨 가는 반응이다. 전자를 잃는 것을 산화(oxidation), 얻는 것을 환원(reduction)이라 한다. 전자는 사라지지 않으므로 산화와 환원은 언제나 함께 일어난다.

외우는 법

"산화는 전자를 잃고, 환원은 얻는다." 영어로는 OIL RIG(Oxidation Is Loss, Reduction Is Gain). 자신은 환원되면서 상대를 산화시키는 물질이 산화제(oxidizing agent), 자신은 산화되면서 상대를 환원시키는 물질이 환원제(reducing agent)다.

산화수

공유 결합 화합물에서는 전자가 완전히 넘어가지 않는다. 그래서 "결합 전자를 모두 전기음성도가 큰 원자에게 준다고 가정했을 때의 가상 전하"를 산화수(oxidation number)로 정의해 전자의 이동을 장부처럼 기록한다. 산화되면 산화수가 증가하고, 환원되면 감소한다.

산화수 규칙 (위 규칙이 우선)
  1. 원소 상태의 원자는 0 (Na, O₂, P₄, S₈ …).
  2. 단원자 이온은 그 전하와 같다 (Fe³⁺ → +3, Cl⁻ → −1).
  3. 화합물 속 1족 금속은 +1, 2족 금속은 +2, 플루오린은 언제나 −1.
  4. 수소는 비금속과 결합하면 +1, 금속과 결합하면(NaH, CaH₂) −1.
  5. 산소는 보통 −2. 과산화물(H₂O₂, Na₂O₂)에서는 −1, OF₂에서는 +2.
  6. 중성 화합물의 산화수 합은 0, 다원자 이온은 그 이온의 전하와 같다. 나머지 원자는 이 규칙으로 계산한다.

다음 반응에서 각 원자의 산화수를 매기고, 산화된 원소와 환원된 원소, 산화제와 환원제를 찾아라. $$\ce{Cr2O7^2-(aq) + 6Fe^2+(aq) + 14H+(aq) -> 2Cr^3+(aq) + 6Fe^3+(aq) + 7H2O(l)}$$

풀이 보기
전략 규칙 5·6으로 Cr₂O₇²⁻의 Cr을 구한다: \(2x + 7(-2) = -2\).
풀이 Cr: \(x = +6\) → +3 (감소, 환원). Fe: +2 → +3 (증가, 산화). H(+1), O(−2)는 변하지 않는다. 전자 수 확인: Cr 2개 × 3 = 6개 얻음, Fe 6개 × 1 = 6개 잃음.
Fe²⁺가 산화되고(환원제), Cr₂O₇²⁻의 Cr이 환원된다(산화제).
검토 주고받은 전자 수(6개)가 같고, 전하도 좌변 \(-2 + 12 + 14 = +24\), 우변 \(6 + 18 = +24\)으로 맞다. 이 반응은 Fe²⁺의 산화환원 적정에 쓰인다.

활동도 계열과 금속의 치환 반응

아연 조각을 황산 구리(II) 용액에 담그면 푸른 용액이 옅어지고 아연 표면에 붉은 구리가 입혀진다. 아연이 전자를 구리 이온에게 넘겨주는 치환 반응(displacement reaction)이다.

$$\ce{Zn(s) + Cu^2+(aq) -> Zn^2+(aq) + Cu(s)}$$
금속 | 용액 속 이온
MINI LAB금속 표면을 원자 수준으로 확대한 그림. 이온이 표면에 닿으면 노란 전자(e⁻)가 금속 원자에서 이온으로 건너가고, 전자를 잃은 금속 원자는 이온이 되어 녹아 나가며, 전자를 받은 이온은 원자가 되어 표면에 쌓인다. Cu | Ag⁺에서는 Cu 하나가 전자 2개를 Ag⁺ 두 개에게 나눠 준다. Cu | Zn²⁺에서는 이온이 부딪쳐도 전자가 넘어가지 않는다.

거꾸로 구리 조각을 Zn²⁺ 용액에 담그면 아무 일도 일어나지 않는다. 금속이 산화되기 쉬운 순서로 늘어놓은 목록을 활동도 계열(activity series)이라 한다. 위에 있는 금속은 아래에 있는 금속의 이온을 환원시킨다. 수소보다 위에 있는 금속은 산(H⁺)과 반응해 H₂를 내고, 맨 위의 알칼리 금속은 물과도 격렬히 반응한다.

산화되기 쉬움 (강한 환원제) 산화되기 어려움 Li → Li⁺K → K⁺Ba → Ba²⁺Ca → Ca²⁺Na → Na⁺ Mg → Mg²⁺Al → Al³⁺Zn → Zn²⁺Fe → Fe²⁺Ni → Ni²⁺ Sn → Sn²⁺Pb → Pb²⁺ H₂ → 2H⁺ Cu → Cu²⁺Ag → Ag⁺Hg → Hg²⁺Pt → Pt²⁺Au → Au³⁺ 찬물과 반응 산과 반응해 H₂ 발생 산과도 반응하지 않음 (귀금속, 계열의 아래쪽) 예: Fe(s) + Cu²⁺ → Fe²⁺ + Cu(s) ✓ Cu(s) + Fe²⁺ → 반응 없음 ✗ Zn(s) + 2H⁺ → Zn²⁺ + H₂(g) ✓
활동도 계열(위에서 아래로 이어진다: Pb, H₂ 다음이 Cu). 위쪽 금속일수록 전자를 쉽게 내놓는다. 어떤 금속은 자기보다 아래에 있는 금속 이온(과 H⁺)을 환원시킬 수 있다. 18장의 표준 환원 전위가 이 순서를 정량화한다.

구리 선을 질산 은(AgNO₃) 용액에 담가 두면 어떻게 될까?

Cu는 활동도 계열에서 Ag보다 위에 있어 Ag⁺에게 전자를 준다: Cu + 2Ag⁺ → Cu²⁺ + 2Ag. 생긴 Cu²⁺가 용액을 푸르게 만든다. 아래에서 금속 Cu, 용액 AgNO₃를 골라 확인하라.
SIMULATOR

활동도 계열: 금속 조각을 이온 용액에 담그기

반응—
산화(환원제)—
환원(산화제)—
금속 조각 아래쪽의 흰 원을 위로 끌어 꺼내면 반응이 멈추고, 다시 끌어내려 담그면 이어진다. 해볼 것: ① 구리 조각을 AgNO₃ 용액에 담가 보라(은 나무가 자라고 용액이 푸르게 변한다). 반대로 은 조각을 Cu²⁺ 용액에 담그면? ② HCl 용액에 여러 금속을 담가 H₂ 거품이 나는 금속과 나지 않는 금속의 경계를 찾아라. ③ Al + Cu²⁺처럼 전하가 다르면 전자 수를 맞추기 위해 계수가 2 : 3이 된다. 왼쪽 사다리에서 금속(●)이 이온(○)보다 위에 있을 때만 반응이 일어난다.

다음 조합 중 반응이 일어나는 것을 고르고 알짜 이온 반응식을 써라. (a) Ni(s) + Pb(NO₃)₂(aq) (b) Ag(s) + HCl(aq) (c) Al(s) + CuSO₄(aq)

풀이 보기
전략 활동도 계열에서 금속이 상대 이온의 금속(또는 H₂)보다 위에 있으면 반응한다. 반응식은 주고받는 전자 수를 맞춘다.
풀이 (a) Ni는 Pb보다 위 → \(\ce{Ni(s) + Pb^2+(aq) -> Ni^2+(aq) + Pb(s)}\).
(b) Ag는 H₂보다 아래 → 반응 없음.
(c) Al은 Cu보다 위. Al은 3개, Cu²⁺는 2개의 전자를 주고받으므로 최소공배수 6: \(\ce{2Al(s) + 3Cu^2+(aq) -> 2Al^3+(aq) + 3Cu(s)}\).
(a)와 (c)가 반응한다.
검토 (c)의 전하: 좌변 +6, 우변 +6. 질산 이온·황산 이온은 구경꾼이다.

적정

농도를 모르는 용액의 농도를 알아내는 가장 정확한 방법 중 하나가 적정(titration)이다. 농도를 정확히 아는 표준 용액(standard solution)을 뷰렛에서 조금씩 떨어뜨려, 미지 시료와 정확히 화학량론적으로 반응한 순간 — 당량점(equivalence point) — 까지 들어간 부피를 잰다.

$$n_\text{적정액} = M_\text{적정액} V_\text{적정액} \;\xrightarrow{\ \times\ \text{계수비}\ }\; n_\text{시료} \;\xrightarrow{\ \div\ V_\text{시료}\ }\; M_\text{시료}$$

당량점은 눈에 보이지 않으므로 그 근처에서 색이 변하는 지시약(indicator)을 넣는다. 지시약의 색이 바뀌어 적정을 멈추는 지점을 종말점(end point)이라 하며, 좋은 적정에서는 종말점이 당량점과 한두 방울(0.05–0.1 mL) 이내로 일치한다. 산염기 적정에는 산성에서 무색이고 염기성(pH ≈ 8.2 이상)에서 분홍색인 페놀프탈레인이 흔히 쓰인다. 과망가니즈산 포타슘 KMnO₄는 진한 보라색이지만 환원되면 거의 무색인 Mn²⁺가 되므로, 한 방울의 과량이 남는 순간 용액이 연분홍빛이 되어 스스로 지시약 역할을 한다.

눈금 읽기(메니스커스 바닥) 콕 미지 시료 + 지시약 표준 용액(적정액) 적정 계산의 세 단계 ① 들어간 적정액의 몰수 = M × V ② 반응식 계수비로 시료의 몰수 산염기: H₂SO₄ 1 mol ↔ NaOH 2 mol 산화환원: MnO₄⁻ 1 mol ↔ Fe²⁺ 5 mol ③ 시료의 몰수 ÷ 시료 부피 = 농도 당량점: 계수비만큼 정확히 반응한 순간
적정 장치. 뷰렛의 처음과 나중 눈금 차가 들어간 적정액의 부피다. 당량점을 지나 한 방울이 과량이 되는 순간 지시약 색이 바뀐다.
H⁺H⁺H⁺H⁺H⁺H⁺Cl⁻Cl⁻Cl⁻Cl⁻Cl⁻Cl⁻H⁺6OH⁻0H₂O (새로 생김)0Na⁺0Cl⁻6NaOH 넣은 양: 0페놀프탈레인: 무색 (산성) H⁺H⁺H⁺Cl⁻Cl⁻Cl⁻Cl⁻Cl⁻Cl⁻Na⁺Na⁺Na⁺H⁺3OH⁻0H₂O (새로 생김)3Na⁺3Cl⁻6NaOH 넣은 양: 3단위H⁺ + OH⁻ → H₂O, 아직 산성 · 무색 Cl⁻Cl⁻Cl⁻Cl⁻Cl⁻Cl⁻Na⁺Na⁺Na⁺Na⁺Na⁺Na⁺H⁺0OH⁻0H₂O (새로 생김)6Na⁺6Cl⁻6NaOH 넣은 양: 6단위 (당량점)n(OH⁻) = n(H⁺), pH 7 · 아직 무색 Cl⁻Cl⁻Cl⁻Cl⁻Cl⁻Cl⁻Na⁺Na⁺Na⁺Na⁺Na⁺Na⁺Na⁺OH⁻H⁺0OH⁻1H₂O (새로 생김)6Na⁺7Cl⁻6NaOH 넣은 양: 6단위 + 한 방울OH⁻가 남자마자 분홍색 → 종말점 NaOH(aq)HCl 시료 + 지시약
  1. HCl 시료: H⁺ 6개와 Cl⁻ 6개(확대 그림). 페놀프탈레인은 산성에서 무색이다.
  2. NaOH를 넣으면 OH⁻가 H⁺와 만나 곧바로 물이 된다. Na⁺와 Cl⁻는 구경꾼이다.
  3. 당량점: 넣은 OH⁻ 수 = 처음 H⁺ 수. 용액에는 NaCl과 물만 남는다. 아직 색은 없다.
  4. 한 방울만 더 넣어도 남는 OH⁻ 때문에 염기성이 되어 분홍색이 나타난다 — 종말점.
강산–강염기 적정을 입자로 본 모습. 종말점(색 변화)은 당량점을 한 방울 지난 지점이므로, 좋은 적정에서는 둘의 차이가 0.05 mL 정도다.
SIMULATOR

적정 뷰렛: 종말점을 찾아 미지 농도 구하기

콕의 흰 원을 옆으로 끌어 열면 방울이 떨어진다
미지 시료의 농도 (M)
적정액—
시료 부피25.00 mL
넣은 적정액의 몰수—
플라스크 색—
해볼 것: ① 1 mL씩 넣다가 색이 처음 바뀌면 1 mL 물러나 한 방울씩 다시 넣어 종말점 부피를 0.05 mL까지 읽어라. 그 부피로 미지 농도를 계산해 확인하라. ② 같은 부피의 HCl과 H₂SO₄ 시료를 비교하면, 농도가 같을 때 H₂SO₄ 쪽이 NaOH를 두 배 소비한다. ③ 약산인 아세트산도 당량점의 부피는 같은 농도의 HCl과 똑같다 — 당량점은 산의 세기가 아니라 몰수로 정해진다. (pH 곡선과 지시약 선택은 16장에서 다룬다.)

NaOH는 공기 중의 CO₂와 수분을 흡수하므로 정확히 달아 표준 용액을 만들 수 없다. 대신 순수한 프탈산 수소 포타슘(KHP, KHC₈H₄O₄, 204.22 g/mol, 일양성자산) 0.5108 g을 물에 녹여 NaOH 용액으로 적정했더니 24.37 mL가 들었다. NaOH의 몰농도는?

풀이 보기
전략 KHP와 NaOH는 1 : 1로 반응한다(\(\ce{HP- + OH- -> P^2- + H2O}\)). KHP의 몰수 = 당량점까지 넣은 NaOH의 몰수.
풀이 \(n = 0.5108/204.22 = 2.501\times10^{-3}\) mol. $$M_{\ce{NaOH}} = \frac{2.501\times10^{-3}\,\text{mol}}{0.02437\,\text{L}} = 0.1026\,\text{M}$$
[NaOH] = 0.1026 M
검토 약 0.0025 mol ÷ 0.025 L ≈ 0.1 M. 이렇게 순수한 고체로 농도를 정하는 것을 표준화, 그런 고체를 일차 표준 물질이라 한다.

Fe²⁺를 포함한 산성 시료 25.00 mL를 0.02000 M KMnO₄로 적정했더니 연분홍색이 사라지지 않는 데 18.62 mL가 들었다. \([\ce{Fe^2+}]\)는? $$\ce{MnO4-(aq) + 5Fe^2+(aq) + 8H+(aq) -> Mn^2+(aq) + 5Fe^3+(aq) + 4H2O(l)}$$

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전략 Mn은 +7 → +2로 전자 5개를 얻고 Fe는 1개씩 잃으므로 MnO₄⁻ 1 mol이 Fe²⁺ 5 mol과 반응한다.
풀이 \(n(\ce{MnO4-}) = 0.02000\times0.01862 = 3.724\times10^{-4}\) mol → \(n(\ce{Fe^2+}) = 5\times3.724\times10^{-4} = 1.862\times10^{-3}\) mol. $$[\ce{Fe^2+}] = \frac{1.862\times10^{-3}}{0.02500} = 0.07448\,\text{M}$$
[Fe²⁺] = 0.07448 M
검토 계수비 5를 빠뜨리면 0.0149 M으로 다섯 배 작게 나온다. 산화환원 적정에서는 언제나 전자 수로 계수비를 확인하라.

핵심 정리

  1. 강전해질(가용성 이온 화합물, 강산, 강염기)은 거의 완전히 이온으로, 약전해질(약산, 약염기)은 일부만, 비전해질은 분자로 녹는다. 이온 화합물은 해리, 분자성 산은 이온화한다.
  2. 몰농도 \(M = n/V_\text{용액}\). 희석해도 몰수는 같다: \(M_1V_1 = M_2V_2\). 이온 농도는 화학식의 아래 첨자를 곱한다.
  3. 용해도 규칙으로 침전을 예측한다. 완전 이온 반응식에서 강전해질만 이온으로 쓰고, 구경꾼 이온을 지우면 알짜 이온 반응식이 된다.
  4. 아레니우스 산은 H⁺, 염기는 OH⁻를 낸다. 강산–강염기 중화의 알짜 반응은 \(\ce{H+ + OH- -> H2O}\). 탄산염·황화물·아황산염 + 산, 암모늄염 + 염기는 기체를 낸다.
  5. 산화는 전자를 잃어 산화수가 증가, 환원은 전자를 얻어 감소한다. 활동도 계열에서 위의 금속이 아래 금속의 이온(과 H⁺)을 환원시킨다.
  6. 적정: \(M_\text{적정액}V_\text{적정액}\) → 계수비 → 시료 몰수 → 농도. 당량점은 계수비만큼 정확히 반응한 점이고, 지시약의 종말점으로 찾는다.

연습문제

답은 유효숫자 3자리 정도로 입력한다. ±1% 이내면 정답으로 처리한다(산화수는 정수 또는 소수로). 필요한 몰 질량은 문제에 주거나 부록 A의 원자량으로 계산한다. \(R = 0.082057\) L·atm/(mol·K).

NaCl(58.44 g/mol) 5.85 g을 녹여 250.0 mL 용액을 만들었다. 몰농도는?

\(n = 5.85/58.44 = 0.1001\) mol, \(M = 0.1001/0.2500 = 0.400\) M.

6.00 M HCl 25.0 mL를 물로 묽혀 500.0 mL로 만들었다. 묽힌 용액의 농도는?

\(M_2 = M_1V_1/V_2 = (6.00)(25.0)/500.0 = 0.300\) M.

다음 중 수용액에서 약전해질인 것은?

HF는 약산이라 일부만 이온화한다. KBr은 가용성 이온 화합물, HNO₃는 강산(둘 다 강전해질), 메탄올은 비전해질이다.

0.250 M Fe(NO₃)₃ 용액에서 질산 이온의 농도와 모든 이온의 총 농도는?

Fe(NO₃)₃ 1 mol은 Fe³⁺ 1 mol과 NO₃⁻ 3 mol로 해리한다.

\([\ce{NO3-}] = 3\times0.250 = 0.750\) M, \([\ce{Fe^3+}] = 0.250\) M, 합계 1.00 M.

0.0200 M K₂Cr₂O₇(294.18 g/mol) 용액 500.0 mL를 만들려면 K₂Cr₂O₇ 몇 g이 필요한가?

\(n = 0.0200\times0.5000 = 0.0100\) mol, \(m = 0.0100\times294.18 = 2.94\) g.

다음 두 용액을 섞을 때 침전이 생기는 것은?

짝을 바꾸면 BaSO₄가 생기는데, Ba²⁺는 황산염 규칙의 예외라 녹지 않는다. 알짜 반응: \(\ce{Ba^2+ + SO4^2- -> BaSO4(s)}\). 나머지 조합의 생성물은 모두 녹는다.

0.150 M AgNO₃ 30.0 mL와 0.200 M NaCl 20.0 mL를 섞었다. 생기는 AgCl(143.32 g/mol)의 질량과, 반응 후 남는 Ag⁺의 농도를 구하라.

Ag⁺ 4.50 mmol, Cl⁻ 4.00 mmol. 어느 쪽이 한계인가?

Cl⁻가 한계 → AgCl 4.00 mmol × 143.32 = 0.573 g. 남은 Ag⁺ 0.50 mmol ÷ 50.0 mL = 0.0100 M.

0.100 M H₂SO₄ 30.0 mL를 완전히 중화하려면 0.125 M NaOH가 몇 mL 필요한가?

\(\ce{H2SO4 + 2NaOH -> Na2SO4 + 2H2O}\). 계수비 1 : 2.

\(n(\ce{H2SO4}) = 3.00\) mmol → \(n(\ce{NaOH}) = 6.00\) mmol → \(V = 6.00/0.125 = 48.0\) mL.

다음 밑줄 원소의 산화수를 구하라: Na₂S₂O₃의 S, ClO₃⁻의 Cl, CH₃OH의 C.

Na₂S₂O₃: \(2(+1) + 2x + 3(-2) = 0\) → \(x = +2\). ClO₃⁻: \(x + 3(-2) = -1\) → \(+5\). CH₃OH: \(x + 4(+1) + (-2) = 0\) → \(-2\).

대리석(CaCO₃, 100.09 g/mol)을 과량의 염산과 반응시켜 25 °C, 1.00 atm에서 CO₂ 0.500 L를 얻으려면 CaCO₃ 몇 g이 필요한가?

\(\ce{CaCO3(s) + 2H+(aq) -> Ca^2+(aq) + H2O(l) + CO2(g)}\)

\(n(\ce{CO2}) = PV/RT = 0.500/(0.082057\times298.15) = 0.02044\) mol = \(n(\ce{CaCO3})\) → \(0.02044\times100.09 = 2.05\) g.

다음 금속 중 묽은 염산에 넣었을 때 수소 기체를 발생시키는 것은?

활동도 계열에서 H₂보다 위에 있는 금속만 H⁺를 환원시킨다: \(\ce{Zn + 2H+ -> Zn^2+ + H2}\). Cu, Ag, Au는 H₂보다 아래다.

식초 10.00 mL를 0.1050 M NaOH로 적정했더니 당량점까지 16.45 mL가 들었다. (a) 아세트산(60.05 g/mol)의 몰농도와 (b) 식초의 밀도를 1.005 g/mL로 할 때 아세트산의 질량 퍼센트를 구하라. (묽힌 식초라고 하자.)

(b) 식초 1 L(1005 g) 안의 아세트산 질량을 구한다.

(a) \(n = 0.1050\times0.01645 = 1.727\times10^{-3}\) mol, \(M = 1.727\times10^{-3}/0.01000 = 0.1727\) M.
(b) 1 L 속 \(0.1727\times60.05 = 10.37\) g, \(10.37/1005\times100 = 1.03\%\).

KMnO₄ 용액을 표준화하기 위해 옥살산 소듐(Na₂C₂O₄, 134.00 g/mol) 0.2105 g을 산성 용액에서 적정했더니 24.88 mL가 들었다. KMnO₄의 몰농도는? $$\ce{2MnO4- + 5C2O4^2- + 16H+ -> 2Mn^2+ + 10CO2 + 8H2O}$$

\(n(\ce{C2O4^2-}) = 0.2105/134.00 = 1.571\times10^{-3}\) mol → \(n(\ce{MnO4-}) = \tfrac25\times1.571\times10^{-3} = 6.284\times10^{-4}\) mol → \(M = 6.284\times10^{-4}/0.02488 = 0.02526\) M.

염화물이 섞인 시료 0.4500 g을 녹이고 과량의 AgNO₃를 넣었더니 AgCl(143.32 g/mol) 침전 0.8127 g을 얻었다. 시료 속 염소의 질량 퍼센트는? (Cl 35.45 g/mol)

AgCl 속 Cl의 질량 = AgCl 질량 × (35.45/143.32).

\(m(\ce{Cl}) = 0.8127\times35.45/143.32 = 0.2010\) g → \(0.2010/0.4500\times100 = 44.7\%\).

2.00 M NaOH 원액으로 0.250 M NaOH 500. mL를 만들려면 원액 몇 mL가 필요한가?

\(V_1 = M_2V_2/M_1 = (0.250)(500.)/2.00 = 62.5\) mL. 원액을 덜어 부피 플라스크에 넣고 눈금선까지 물을 채운다.

0.100 M HCl 40.0 mL와 0.150 M NaOH 30.0 mL를 섞었다. 반응 후 남는 OH⁻의 농도는?

H⁺ 4.00 mmol, OH⁻ 4.50 mmol. 전체 부피는 70.0 mL.

\(\ce{H+ + OH- -> H2O}\). H⁺ 0.100 × 40.0 = 4.00 mmol, OH⁻ 0.150 × 30.0 = 4.50 mmol → OH⁻가 0.50 mmol 남는다. 전체 부피 70.0 mL로 나누면 \([\ce{OH-}] = 0.50/70.0 = 7.14\times10^{-3}\) M. 용액은 염기성이다.

0.200 M Pb(NO₃)₂ 25.0 mL와 0.150 M KI 40.0 mL를 섞었다. 생기는 PbI₂(461.0 g/mol) 침전의 질량은?

Pb²⁺ 5.00 mmol, I⁻ 6.00 mmol. Pb²⁺ 하나에 I⁻ 두 개가 필요하다.

\(\ce{Pb^2+ + 2I- -> PbI2(s)}\). I⁻ 6.00 mmol은 Pb²⁺ 3.00 mmol과만 반응한다(I⁻가 한계). PbI₂ 3.00 mmol × 461.0 = 1.38 g. Pb²⁺ 2.00 mmol이 남는다.

개념 확인 퀴즈

같은 0.10 M 농도에서 전기 전도도가 가장 작은 것은?

아세트산은 약전해질로 0.10 M에서 약 1.3%만 이온화한다. 나머지는 모두 강전해질이다.

\(\ce{Pb(NO3)2(aq) + 2KI(aq) -> PbI2(s) + 2KNO3(aq)}\)의 구경꾼 이온은?

알짜 이온 반응식은 \(\ce{Pb^2+ + 2I- -> PbI2(s)}\). K⁺와 NO₃⁻는 반응 전후에 그대로 용액에 남는다.

\(\ce{Fe(s) + Cu^2+(aq) -> Fe^2+(aq) + Cu(s)}\)에서 산화제는?

Cu²⁺는 전자를 얻어(환원되어) 철을 산화시키므로 산화제다. Fe는 환원제다.

같은 농도·같은 부피의 HCl 시료와 CH₃COOH 시료를 같은 NaOH 용액으로 적정할 때, 당량점까지 필요한 NaOH의 부피는?

둘 다 일양성자산이고 몰수가 같다. 아세트산 분자는 OH⁻와 직접 반응하므로 이온화 정도와 상관없이 모두 중화된다. 산의 세기는 당량점의 pH(16장)에 영향을 줄 뿐이다.

H₂O₂에서 산소의 산화수는?

과산화물에는 O–O 결합이 있어 산소의 산화수가 −1이다: \(2(+1) + 2x = 0\).