수소이온농도(pH)

왜 배우는가: 수소이온농도(pH)는 정수처리의 응집, 소독, 부식성 제어를 모두 좌우하는 기본 수질 인자다. 상수도 수질기준과 수질검사 항목에 포함되어 실무에서 매일 측정·관리되며, 시험에서도 용어 정의와 공정 영향 문제로 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제119회 1교시 8번, 제99회 2교시 5번, 제94회 1교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

수소이온농도(pH)는 수용액 속 수소이온(H⁺) 활동도의 역수에 상용로그를 취한 값으로, 용액의 산성·염기성 세기를 나타낸다.

• 수소이온농도(pH)
• 수소이온 활동도
• 산해리상수(Ka)
• 산성·염기성 판정
• 완충능력
• 차아염소산 해리
• 응집 최적 pH
• 염소소독 효율

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 pH는 물이 얼마나 산성인지 알려 주는 눈금이다. 숫자가 작을수록 수소이온이 많아 산성이 강하고, 숫자가 클수록 알칼리성이 강하다.

정식 정의는 다음과 같다. pH는 수소이온 활동도(aH⁺)의 역수에 상용로그를 취한 값이며, 묽은 용액에서는 활동도 대신 수소이온 농도 [H⁺]를 쓴다. 표현은 $\mathrm{pH} = -\log_{10}[\mathrm{H}^{+}]$ 이다. 여기서 [H⁺]는 수소이온 몰농도(mol/L)다.

산의 세기는 수소이온을 내놓는 정도로 정해진다. 일반 반응식은 HB ⇌ H⁺ + B⁻이고, 산해리상수 Ka는 $K_a = \frac{[\mathrm{H}^{+}][\mathrm{B}^{-}]}{[\mathrm{HB}]}$ 로 쓴다. Ka 값은 10⁻⁵ 같은 작은 수이므로 로그로 바꾼 pKa = -log Ka 를 사용한다.

예를 들어 [H⁺] = 10⁻⁸·² M 이면 pH는 8.2이고, 이때 [H⁺]는 약 6.31×10⁻⁹ M이다. 반대로 [H⁺] = 4.5×10⁻⁴ M 이면 pH = -log(4.5×10⁻⁴) ≈ 3.35 이다. pH가 1 작아지면 수소이온 농도는 10배 커진다는 점이 핵심이다.

• pH 7: 중성(25℃ 순수한 물에서 [H⁺] = [OH⁻] = 10⁻⁷ M)
• pH 7 미만: 산성
• pH 7 초과: 알칼리성

수용액의 pH는 물의 이온곱(Kw = [H⁺][OH⁻] = 10⁻¹⁴, 25℃) 과 함께 해석한다. 이 관계로 pH와 pOH의 합이 14가 된다.

정수 현장에서 pH는 단순한 산성·염기성 지표를 넘어, 물속 화학종의 분율을 바꾸는 조절 변수다. 같은 염소라도 pH에 따라 차아염소산(HOCl)과 차아염소산 이온(OCl⁻)의 비율이 달라진다. 응집제의 가수분해 형태도 pH에 따라 바뀐다.

3. 등장 배경과 필요성

pH 개념은 산과 염기를 구분하려는 오랜 시도에서 나왔다. 처음에는 맛으로 산과 염기를 구분했고, 이후 지시약이 색을 바꾸는 정도로 구분하게 되었다. 아레니우스 정의, 브뢴스테드-로리 정의를 거치며 산과 염기를 수소이온 기준으로 설명하게 되었다.

1909년 S.P.L. Sørensen이 수소이온 농도 지수의 개념을 처음 도입했고, 1924년에 현재 쓰는 정의가 정립되었다. 그 전에는 수소이온 농도를 지수 형태로 쓰기 어려워 실험값 비교가 불편했다. 로그 표기는 0 부근의 아주 작은 농도를 1~14 범위의 간단한 숫자로 바꾸어 준다.