초강산
1. 개요
超强酸 / Superacid
초산(超酸), 과산(過酸)이라고도 한다. 초강산의 정의는 수용액 상에서 '''황산보다 더 강한 산'''이다. 산도도 일반적인 pH 계산 방법으로는 제대로 구해질 수 없어 Hammett 산도함수를 이용해서 구해야 한다. 학부에서 무기화학쯤 들어가면 책 구석에 짧게 나온다. 보통의 산보다도 훨씬 위험한 물질들이다. 초강산에 관한 연구로 조지 A. 올라(George Andrew Olah)는 1994년에 노벨상을 받았다.
2. 상세
Hammett 산도함수 :
$$H_{0} = \text{p}K_{BH^+} + \log \frac{[B]}{[BH^+]}$$
(B는 나이트로아닐린 (or 짝염기) , BH+는 그의 짝산)
초강산을 이용하면 1가 양이온 화학종을 반응성이 커진 2가 양이온 화학종으로 만들어 낼 수 있다. 이렇게 만들어낸 양이온들은 초친전자체로 다양한 화학반응을 이끌어낼 수 있다.
폴리크레줄렌[1], 플루오린안티몬산[2], 마법산[3]이 대표적인 초강산. 특히 플루어로앤티모닉 애시드, 플루오르술폰산, 오플루오린화안티모니, 마법산 모두 '''유리를 녹이므로'''[4] 테플론으로 만든 특수한 용기에 보관한다. 유리를 전극으로 쓰는 pH 미터 또한 이들 물질과 접촉해서는 안된다.
위에서 언급한 Hammett 산도함수를 이용하여 얻은 산도는 H0로 표기되는데, 이 H0 대로 초강산 세기를 나열하면 다음과 같다.출처
단일 화합물 중 가장 강한 산은 카보레인산이라고 볼 수 있는데, 흥미롭게도 산도는 높으나 반응성이 거의 없다. 산의 반응에 기여하는 음이온 부분인 CHB11Cl11- 가 매우 안정적인 이온이기 때문. 이 때문에 보통의 경우 순식간에 끝나는 산-염기 반응이 중간 단계에서 거의 정지되므로 화학적인 관찰에 용이하다.[7]
가장 강력한 산은 수소화 헬륨 이온(HeH+)인데, 이것의 산해리상수(pKa)는 -63. 참고로 플루오린안티몬산(HSbF6)은 -31.3, 염산은 -9.3. pKa는 -log10Ka를 의미하는 것이니, 염산보다 무려 5 * 1053 배나 높은 것이다! 다만 플라즈마 상태에서만 관찰되므로 산으로서 잘 언급되지는 않는다. 우주의 성간매질에 존재할 것으로 추정되나 2013년 현재까지 확실하게 발견되지 않았다. HeH+는 빅뱅 이후 초기 우주에서 가장 먼저 합성된 화합물로 추정되며, 따라서 초기 우주 상태에서의 화학을 이해하는데 중요한 물질이라고 볼 수 있다.[8]
초강산에 페놀프탈레인을 떨어트리면 '''핏빛으로 변한다.'''
대응하는 물질로 초염기(초강염기)가 있다. 기체상에서 양성자 친화도가 >1000kJ/mol인 염기들이 이에 속한다. 초염기의 예로는 퀴누클리딘 등이 있다.
[1] 알보칠의 주성분.[2] HSbF6[3] 플루오르술폰산(HSO3F)과 오플루오린화안티모니(SbF5)를 1:1로 섞은 용액.[4] 애초에 다들 유리를 반응시킬수 있는 플루오린이 들어있으니 당연한 사실이다.[5] 보통 TfOH로 표기한다.[6] 묽은 플루오린화수소산은 약산이지만 순수한 플루오린화수소는 강산이다.[7] 해당 문단은 '샘 킨' 저서 '사라진 스푼'을 참고하여 작성함.[8] 해당 문단은 https://en.wikipedia.org/wiki/Helium_hydride_ion 를 참고하여 작성함.