산과 염기가 반응하여 물과 염이 생성되는 반응이다.
알짜 이온 반응식은 아래와 같다.
$\mathrm{H}^{+}(aq) + \mathrm{OH}^{-}(aq) \rightarrow \mathrm{H_{2}O}(l)\quad\Delta H^{\circ} = -57.1\,\mathrm{kJ}$
또는
$\mathrm{H_{3}O}^{+}(aq) + \mathrm{OH}^{-}(aq) \rightarrow 2\mathrm{H_{2}O}(l)\quad\Delta H^{\circ} = -57.1\,\mathrm{kJ}$
중화 반응은 ΔH<0인 화학 반응이므로 발열 반응이다.
수용액 상태에서 H+는 H2O와 결합하여 H3O+를 형성하므로, 위 두 알짜 이온 반응식은 같은 반응을 나타낸다.
따라서 두 알짜 이온 반응식의 ΔH∘는 같다.
산이 내놓은 H+와 염기가 내놓은 OH−가 모두 반응한 지점이다.
중화 반응이 일어날 때 발생한 열이다.
단위는 주로 kJ을 사용한다.
중화 반응에서 물과 함께 생성되는 물질이다.
HCl(aq)과 NaOH(aq)의 중화 반응식은 아래와 같다.
$\mathrm{HCl}(aq) + \mathrm{NaOH}(aq) \rightarrow \mathrm{H_{2}O}(l) + \mathrm{NaCl}(aq)\quad\Delta H^{\circ} = -57.1\,\mathrm{kJ}$
위의 중화 반응식에서 물과 함께 생성된 물질인 NaCl(aq)은 염에 해당한다.
강산과 강염기의 대부분(약 100%)이 해리되고 중화 반응을 일으켜 물과 염이 생성된다.
일반적으로 강산과 강염기는 수용액에서 100% 해리된다고 가정하며, 생성된 염은 용해도 규칙에 따라 용해 여부를 판단한다.
아래 그림과 같이 0.1M HCl(aq) 20mL가 담긴 비커에 0.2M NaOH(aq)를 조금씩 넣을 때를 생각해보자. (단, 혼합 전 모든 수용액의 온도는 같고, 혼합 용액의 부피는 혼합 전 각 수용액의 부피의 합과 같다.)
- 혼합 용액의 온도 변화 예상하기:
NaOH(aq)를 몇 mL만큼 넣었을 때 혼합 용액의 온도가 최대가 되는지 구해보자.
1. 초기 HCl(aq)의 H+가 남아 있을 때는 넣어준 NaOH(aq)의 OH−와 중화 반응하여 중화열이 방출되므로 혼합 용액의 온도가 계속 높아진다.
2. 중화점에 도달하여 초기 HCl(aq)의 H+가 모두 중화 반응으로 소모된 이후에는 NaOH(aq)를 넣어도 중화열이 발생하지 않으므로,
초기 온도의 NaOH(aq)를 넣을수록 중화 반응으로 뜨거워졌던 혼합 용액의 온도가 낮아진다.
따라서 혼합 용액의 온도가 최대가 되는 지점은 초기 HCl(aq)의 H+가 모두 반응한 중화점이다.
초기 HCl(aq)의 H+ 몰 수는 0.1M×20mL=0.1mol/L×20×10−3L=2×10−3mol이므로
넣어준 NaOH(aq)의 OH− 몰 수가 이와 같은 2×10−3mol일 때 혼합 용액의 온도가 최대가 된다.
그러므로 이때 넣어준 NaOH(aq)의 부피를 V라 하면 0.2M×V=2×10−3mol,
0.2mol/L×V=2×10−3mol,
V=1×10−2L,
V=1×10−2×103mL,
V=10mL이다.
따라서 NaOH(aq)를 10mL만큼 넣었을 때 혼합 용액의 온도가 최대가 된다.
- 혼합 용액 속 이온 수의 비 구하기:
NaOH(aq)를 20mL만큼 넣었을 때, 혼합 용액 속 이온 수의 비를 구해보자.
강산인 HCl은 수용액 상태에서 모두 해리되므로 초기 HCl(aq)에서 이온의 몰 수는 아래와 같다:
H+ 몰 수: 2×10−3mol
Cl− 몰 수: 2×10−3mol
강염기인 NaOH는 수용액 상태에서 모두 해리되므로 NaOH(aq) 20mL에 들어 있는 이온의 몰 수는 아래와 같다:
Na+ 몰 수: 0.2M×20mL=0.2mol/L×20×10−3L=4×10−3mol
OH− 몰 수: 4×10−3mol
H+와 OH−는 중화 반응에서 같은 몰 수만큼 반응하므로 혼합 용액에서 이온의 몰 수는 아래와 같다:
H+ 몰 수: 0mol
Cl− 몰 수: 2×10−3mol=2mmol
Na+ 몰 수: 4×10−3mol=4mmol
OH− 몰 수: 4×10−3mol−2×10−3mol=2×10−3mol=2mmol
그러므로 혼합 용액 속 이온 수의 비를 구하면
H+수:Cl−수:Na+수:OH−수=0:2:4:2=0:1:2:1이다.
- 이온의 몰 수 변화 그래프 그리기:
넣어준 NaOH(aq)의 부피(mL)에 따른 이온의 몰 수 그래프를 그려보자.
∘ 초기 H+ 수는 넣어준 NaOH(aq)의 부피에 비례해서 감소한다.
∘ Cl−는 반응하지 않으므로 Cl− 수는 일정하다.
∘ Na+는 반응하지 않으므로 넣어준 NaOH(aq)의 부피에 비례해서 Na+ 수가 증가한다.
∘ OH−는 중화점에 도달하여 초기 H+가 모두 소비되면 중화 반응이 더 이상 일어나지 않으므로 그 이후 넣어준 NaOH(aq)의 부피에 비례해서 OH− 수가 증가한다.
이를 통해 넣어준 NaOH(aq)의 부피(mL)에 따른 이온의 몰 수 그래프를 그리면 아래 그림과 같다.
정답: $3$
초기 HCl(aq)의 H+ 몰 수는 0.3M×20mL=0.3mol/L×20×10−3L=6×10−3mol이다.
II에서 용액에 존재하는 모든 이온 수의 비율이 1:1이므로 두 이온을 제외한 나머지 이온의 비율은 0이다.
Cl−와 Na+는 반응하지 않아 항상 존재하므로 II는 중화점에 해당한다.
II는 초기 HCl(aq)에 NaOH(aq) 40mL+20mL=60mL만큼 넣은 용액이며,
NaOH(aq) 60mL의 OH− 몰 수는 xM×60mL이다.
II에서 H+와 OH−가 모두 반응하였으므로 6×10−3mol=xM×60mL,
6×10−3mol=xmol/L×60×10−3L,
x=0.1이다.
I은 초기 HCl(aq)에 NaOH(aq) 40mL만큼 넣은 용액이며,
NaOH(aq) 40mL의 OH− 몰 수는 0.1M×40mL=0.1mol/L×40×10−3L=4×10−3mol이다.
따라서 I에서 이온의 몰 수는 아래와 같다:
H+ 몰 수: 6×10−3mol−4×10−3mol=2×10−3mol=2mmol
Cl− 몰 수: 6×10−3mol=6mmol
Na+ 몰 수: 4×10−3mol=4mmol
OH− 몰 수: 0mol
그러므로 혼합 용액 속 이온 수의 비를 구하면
H+수:Cl−수:Na+수:OH−수=2:6:4:0=1:3:2:0이다.
따라서 정답은 3번이다.
정답: $2$
혼합 전 HCl(aq)의 부피는 I이 II보다 작고, NaOH(aq)의 부피는 I이 II보다 크므로
혼합 전 H+ 수는 I이 II보다 적고, OH− 수는 I이 II보다 많다.
Cl−와 Na+는 반응하지 않아 I, II 모두에 존재한다.
이때 
, 
는 각각 I, II에만 존재하므로 , 는 각각 OH−, H+이다.
∘ I을 통해 x를 구하는 경우:
강산인 HCl은 수용액 상태에서 모두 해리되므로 혼합 전 HCl(aq)에서 H+와 Cl− 수는 같다.
강염기인 NaOH는 수용액 상태에서 모두 해리되므로 혼합 전 NaOH(aq)에서 Na+와 OH− 수는 같다.
중화 반응으로 H+와 OH−는 같은 몰 수만큼 반응하며,
혼합 용액에는 와 중 (OH−)만 남았으므로 반응 전 OH− 수가 H+ 수보다 많았음을 알 수 있다.
따라서 Na+ 수도 Cl− 수보다 많아 
, 
는 각각 Na+, Cl−이다.
이온 모형에서 (Cl−) 수는 (Na+) 수의 32배이므로 혼합 전 HCl의 몰 수는 NaOH의 몰 수의 32배이다.
그러므로 0.4M×10mL=xM×30mL×32,
x=0.2이다.
∘ II를 통해 x를 구하는 경우:
강산인 HCl은 수용액 상태에서 모두 해리되므로 혼합 전 HCl(aq)에서 H+와 Cl− 수는 같다.
강염기인 NaOH는 수용액 상태에서 모두 해리되므로 혼합 전 NaOH(aq)에서 Na+와 OH− 수는 같다.
중화 반응으로 H+와 OH−는 같은 몰 수만큼 반응하며,
혼합 용액에는 와 중 (H+)만 남았으므로 반응 전 H+ 수가 OH− 수보다 많았음을 알 수 있다.
따라서 Cl− 수도 Na+ 수보다 많아 , 는 각각 Cl−, Na+이다.
이온 모형에서 (Cl−) 수는 (Na+) 수의 2배이므로 혼합 전 HCl의 몰 수는 NaOH의 몰 수의 2배이다.
그러므로 0.4M×20mL=xM×20mL×2,
x=0.2이다.
따라서 정답은 2번이다.
