초강산

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超强酸 / Superacid

설명

초산(超酸), 과산(過酸)이라고도 한다. 초강산의 정의는 수용액 상에서 황산보다 더 강한 산이다. 산도도 일반적인 계산 방법으로는 제대로 구해질 수 없을 정도의 산도이므로, 초강산의 pH를 계산하기 위해 만든 Hammett 산도함수를 이용한다. 학부에서 무기화학쯤 들어가면 책 구석에 짧게 나온다. 보통의 산보다도 훨씬 위험한 물질들이다. 초강산에 관련되어 George Olah는 1994년에 노벨상을 받았다.

Hammett 산도함수 :
[math]H_{0} = \text{p}K_{BH^+} + \log \frac{[B]}{[BH^+]}[/math]
(B는 나이트로아닐린, BH⁺는 그의 짝산)

초강산을 이용하면 1가 양이온 화학종을H+도? 반응성이 커진 2가 양이온 화학종으로 만들어 낼 수 있다. 이렇게 만들어낸 양이온들은 초친전자체로 다양한 화학반응을 이끌어낼 수 있다.

폴리크레졸렌(알보칠의 주성분), 육플루오린화안티몬산(HSbF₆), 마법산( 플루오르황산(HSO₃F)과 오플루오린화안티몬산(SbF₅)을 1:1로 섞은 용액)이 대표적인 초강산. 특히 육플루오린화안티몬산, 플루오르황산, 오플루오린화안티몬산, 마법산 모두 유리를 녹이므로 테플론으로 만든 특수한 용기에 보관한다.

위에서 언급한 Hammett acidity function를 이용하여 얻은 산도는 H₀로 표기되는데, 이 H₀ 대로 초강산 세기를 나열하면 다음과 같다.출처

이름	H0
육플루오린화안티몬산(H2FSbF6)	-31.3
마법산(HSO3F + SbF5)	-19.2
카보레인산(H(CHB11Cl11))	-18
플루오르황산(HSO3F)	-15.1
삼플루오르메테인슬폰산(CF3SO3H)	-14.9
클로로황산(HSO3Cl)	-12.78
황산(H2SO4)	-12
플루오린화수소산 (불산)(HF)	-11

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.

가장 강력한 산은 수소 이온화 헬륨(HeH+)인데, 이것의 산해리상수(pKa)는 -63. 참고로 육플루오린화안티몬산(H₂FSbF₆)은 -31.3, 염산은 -9.3. pKa는 -log₁₀Ka를 의미하는 것이니, 염산보다 무려 5 * 10⁵³ 배나 높은 것이다! 다만 플라즈마 상태에서만 관찰되므로 산으로서 잘 언급되지 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.

초강산에 페놀프탈레인을 떨어트리면 핏빛으로 변한다.

대응하는 물질로 초염기(초강염기)가 있다. 기체상에서 양성자 친화도가 >1000kJ/mol인 염기들이 이에 속한다. 초염기의 예로는 퀴누클리딘 등이 있다.