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화학
. 물질의 과학
1. 원자, 분자 및 이온.
*. 연소설 : 연소 - 물질이 산소와 화합하는 현상.
*. 물질(Substance) : 물체를 만드는 재료 - 부피와 질량을 갖는다.
*. 원소(Element) : 보통의 화학적 방법으로는 더 이상 나눌 수 없는 순수한 물질.
*. 혼합물 : 물리적 방법에 의해 각 성분으로 분리해 낼 수 있는 물질. (녹는점, 끓는점이 일정하지 않다.) 성분비가 일정하지 않다.
*. 순물질 : 물리적 방법으로는 더 이상 분리되지 않는 순수한 물질. 녹는점, 끓는점이 일정하다. 그 성분비가 일정하다.
*. 홑원소 물질 : 한 종류의 원소로 이루어진 물질.
*. 화합물 : 두 종류 이상의 원소로 이루어진 물질.
*. 동소체 : 같은 원소로 이루어진 홑원소 물질이지만, 성질이 서로 다른 물질.
생성원인 : 분자배열, 원자배열, 분자조성 등. (예) 인 - 흰인, 붉은인 연소생성물, 오산화인
*. 질량 보존의 법칙 : 순수한 화합물에서 성분 원소의 질량비는 항상 일정하다. (1799년 프루스트, Proust)
*. 원자설 : 1803년 돌턴(Dalton) : 질량 보존의 법칙과 일정 성분비의 법칙을 설명하기 위해 제안.
(1) 모든 물질은 원자라고 하는 더 이상 쪼갤 수 없는 아주 작은 입자로 구성되어 있다. 예외 : 핵반응
(2) 같은 원소의 원자는 크기, 모양, 질량 및 성질이 서로 같으며, 원소가 다르면 크기, 모양, 질량 및 성질도 다르다. 동위원소 발견
(3) 화학 변화가 일어날 때에 원자가 새로 생기거나 없어지지 않는다.
(4) 화합물은 서로 다른 종류의 원자가 간단한 정수비로 결합하여 생성된다.
(1),(2),(3) 항 : 질량보존의 법칙 설명, (1),(2),(4) 항 : 일정 성분비의 법칙 설명.
*. 배수 비례의 법칙 : A, B en 원소로 이루어진 두 가지 이상의 화합물에서, A 원소의 일정량과 결합하는 B 원소의 질량 사이에는 간단한 정수비가 성립한다. (1803년, 돌턴이 제안)
*. 기체 반응의 법칙 : 일정한 온도와 압력에서 기체가 화학 반응을 할 때 반응하는 기체와 생성하는 기체의 부피 사이에는 간단한 정수비가 성립한다. (1808년, 게이-뤼삭, Gay-Lussac)
*. 분자설 : 1811년 아보가드로, Avogadro
(1) 기체는 일정한 수의 원자들의 집합체인 분자들로 이루어져 있다.
(2) 모든 기체는 같은 온도와 압력에서 같은 부피 속에 같은 수의 분자를 포함한다. (아보가드로의 법칙)
참고 : 염화칼슘 무수물 : 건조제로 사용. (수증기 제거)
2. 화학식과 화학식량
*. 화학식 : 물질의 가장 간단한 단위 속에 들어있는 원자의 종류와 수를 원소기호로 나타낸 식.
분자식 : 분자를 구성하는 원자의 종류와 수로 나타낸 식. (의미 : 분자를 구성하는 성분원소 간의 양적 관계)
실험식 : 물질을 구성하는 원자의 종류와 원자수의 비를 가장 간단한 정수비로 나타낸 식(예: 이온결정). 분자식은 실험식의 정수배. (의미 : 이온 결정을 구성하는 성분원소 간의 양적 관계)
시성식 : 분자의 성질을 나타내는 작용기(원자단) 부분을 분명히 나타낸 식.
구조식 : 분자를 구성하는 원자들 간의 결합 상태를 결합선으로 나타낸 것.
*. 원자량(Atomic weight) : 원자들 간의 상대적 질량비. (기준 : 질량수가 12인 탄소원자 한 개의 질량을 12로 정해 비교한 다른 원자의 상대적 질량. 1961년 IUPAC에서 정함) 단위가 없다.
질량수 : 원자핵을 구성하는 양성자수와 중성자수의 합 단위가 없다.
질량 결손 : 큰 원자의 경우 원자핵의 질량이 그 원자핵을 구성하는 입자들의 질량의 합보다 작아진다. (이유 : 아인슈타인의 상대성 원리 - 소립자들이 결합하여 원자핵을 구성할 때 막대한 양의 에너지가 방출된다. 그 에너지만큼 원자의 질량이 감소.)
*. 질량 분석기 : 동위원소의 원자량이나 존재 비율을 구하는데 사용하는 분석기기.
*. 분자량 : 분자를 구성하는 모든 원자의 원자량의 합.
*. 화학식량(Formula weight) : 좁은 의미에서는 실험식량으로 나타낸다.(이온 결합 물질)
*. 아보가드로수 (Avogadro's number, 로슈미트수) : 질량수 12의 탄소 12g 속에 들어 있는 탄소 원자의 수. 개.
*. 1몰 : 작은 입자가 아보가드로 수 개 만큼 모인 집단.
기체의 부피 : 0, 1기압 (표준상태)에서 22.4 L
3. 화학반응과 화학반응식
*. 화학반응 : 어떤 물질이 변화하여 성질이 다른 새로운 물질로 되는 변화.
화합 : 두 가지 이상의 물질이 반응하여 한가지 물질로 변화하는 반응.
분해 : 한가지 물질이 두 가지 이상의 물질로 변화하는 반응. (열분해, 전기분해)
치환 : 화합물을 구성하는 성분중 일부가 다른 원자나 원자단으로 자리바꿈하는 반응.
복분해 : 두 가지 화합물이 성분의 일부를 서로 바꾸어 두 가지 새로운 화합물을 생성하는 반응.
*. 화학 반응식 : 화학반응이 일어날 때 반응에 관여하는 물질과 생성되는 물질을 원소기호와 화학식으로 간략하게 써서 나타낸 식. 반응물질과 생성물질을 화학식으로 나타낸 후 계수를 맞춘다.(미정계수법)
*. 알짜이온 반응식 : 이온이 관여하는 반응에서 실제로 반응에 참여하지 않는 이온을 빼고 알짜이온 만으로 나타낸 반응식. (알짜이온, net ion, 구경꾼 이온). 예 : 앙금 생성 반응, 산화환원 반응, 산염기 반응.
*. 화학반응식의 계수의 비 = 몰수의 비 = 분자수의 비 = 부피의 비(기체인 경우) 질량의 비.
. 원자 구조와 주기율
1. 원자구조
1878년. 크룩스. 음극선(Cathode rays) 발견. (-)극에서 (+)극으로 진행. (기체 방전관에서)
1897년. 톰슨. 음극선은 (-)전하를 띤 매우 작은 입자들의 흐름 전자(Electron) 명명.
1909년. 밀리컨(Millikan). 전자 한 개의 전하량 , 전자 한 개의 질량
1911년. 러더퍼드(Rutherford) : 입자 산란 실험, 원자핵 발견.(Atomic nucleus)
1886년. 골드스타인(Goldstein) : 양성자 발견. 질량 , 전자의 1836배
1932년. 채드윅(Chadwick) : 중성자 발견. 질량 , 전자의 1839배.
*. 원자번호 : 원자핵이 가진 양성자의 수 - 고유의 값, 원소의 성질을 알 수 있다.
*. 질량수 = 양성자수 + 중성자수
*. 원자번호를 실험적으로 구하는 방법 : 1914년 모즐리, X 선 파장조사 원소의 원자번호가 증가할수록 X 선의 파장은 짧아진다.
*. 동위원소(Isotope) : 원자번호는 같으나 질량수가 다른 원소.
*. 원자모형
(1) 돌턴의 모형(1807년) : 더 이상 쪼갤 수 없는 고체 입자.
(2) 톰슨의 모형(1903년) : (+)전하를 띤 공 속에 (-)전하를 띤 전자들이 듬성듬성 박혀 있는 구조.
(3) 러더퍼드의 모형(1911년) : 행성 모형 (Planet model)
(4) 보어의 모형(1913년) : 궤도모형 (Orbit model)
(5) 현대적 모형(양자역학 토대로 제시) : 오비탈 모형(Orbital model), 전자구름 모형. 확률 분포를 구름처럼 나타낸 모형.
*. 백색광이 프리즘을 통과하면 선스펙트럼이 나오는 이유는? - 빛은 색광에 따라 파장이 다르며 굴절률도 각기 달라 복색광을 프리즘에 통과시키면 단색광이 분산되어 나오기 때문.
*. 선스펙트럼 :
라이먼(Lyman) 계열 : 자외선 영역
발머(Balmer)계열 : 가시광선 영역
파션(Paschen) 계열 : 적외선 영역
*. 보어의 가설
전자는 원자핵 주위의 특정한 에너지 준위의 원형궤도(orbit) 상에서만 운동한다. (주양자수 n )
전자껍질의 에너지는 주양자수 n에 의해 결정된다.
허용된 원 궤도상을 도는 전자는 에너지를 흡수하거나 방출하지 않는다.
전자가 낮은 에너지준위에서 높은 에너지준위로 전이할 때는 두 에너지 준위의 차에 해당하는 에너지를 흡수하여, 그 반대의 경우에는 에너지를 방출한다.
각 전자 껍질에 들어갈 수 있는 최대 전자수는 2개다.
*. 보어가설의 모순점
전자를 2개 이상 가지는 원자에 대해서는 잘 적용되지 않는다.
실제로 전자는 원자핵 주위의 일정 궤도상을 운동하는 것이 아니다.
화학결합을 정량적으로 설명할 수 없다.
*. 오비탈(Orbital) : 일정한 에너지의 전자가 원자핵 주위에 존재하는 확률분포상태
주양자수(n) : 전자의 에너지 준위. 언제나 정수. n = 1, 2, 3, ( K, L, M, )으로 표시
방위양자수() : 부양자수. 전자 부껍질. 오비탈의 모양 결정. = 0, 1, 2, (n-1)
자기양자수(m) : 전자구름의 방향과 궤도면의 위치(오비탈의 공간배위)를 결정하는 값.
m = -, -(-1), , -1, 0, +1, , +(-1), + (2+1)개의 정수값.
스핀양자수(s) : 전자의 자전에너지를 결정. 이 존재.
*. 주양자수가 n인 경우 s 오비탈의 마디수 : (n-1) 개
*. 오비탈의 에너지 준위
수소원자의 에너지 준위 : 주양자수 n 값만 같으면 오비탈의 에너지 값은 동일하다.
다전자 원자의 에너지 준위 : 가리움 효과와 침투효과를 고려. (n+)값이 높을수록 에너지가 높은 상태. (n+)값이 같으면 n값이 높은 오비탈이 더 높은 에너지 상태.
*. 전자배치
구성원리 : 전자는 에너지 준위가 가장 낮은 오비탈부터 점차 높은 오비탈로 채워진다.
파울리의 배타원리 : 한 개의 오비탈에는 스핀 방향이 반대인 전자가 2개까지만 채워질 수 있다.
훈트의 규칙 (최대 다중도 원리) : 짝짓지 않은 전자가 많을수록 전자간의 반발력이 작아서 안정하다.
2. 주기율
주기율표 : 원자들을 원자번호 순으로 배열하여 화학적 성질이 비슷한 원소들이 동일한 세로줄을 형성하도록 만든 것. 주기(Period), 족(Group)
전이원소 : 모두 금속. 두 가지 이상의 원자가를 갖는 것이 많다. 흔히 촉매로 사용. 이온과 화합물이 색을 띠는 것이 많다.
*. 원자 반지름 : 결정이나 기체 분자에서 인접한 두 원자핵 사이의 거리를 측정. 이 값을 2로 나누어서 구한다.
같은 족 : 원자번호가 증가할수록 전자 껍질수가 증가하므로 아래로 갈수록 커진다.
같은 주기 : 원자번호가 증가할수록 원자핵의 (+)전하가 증가하므로 전기적 인력이 커져 작아진다.
원자반지름 결정하는 인자 : 전자껍질, 핵의 전하량, 가리움 효과(Screening Effect)
이온반지름과의 관계 : (양이온) - 반지름이 작아진다. (음이온) - 반지름이 커진다.
*. 이온화에너지 : 기체 상태의 중성원자 1몰에서 가장 바깥 전자 껍질의 전자 1몰을 떼어내는데 필요한 최소 에너지. 어느 원소의 n 차 이온화 에너지와 (n+1)차 이온화에너지 사이의 차이가 급격히 커진다면 이 원소의 원자가 전자는 n개이다.
같은 족 : 점차 감소. 같은 주기 : 점차 증가(핵전하량 증가)
*. 전자 친화도 : 기체상태의 중성원자 1몰이 전자 1몰을 받아들여 음이온으로 될 때 방출하는 에너지. (단위 kJ/mol)
같은 족에서 원자번호가 증가할수록 감소. 같은 주기에서 원자번호가 증가할수록 증가.
(예외) F보다 Cl의 전자친화도가 더 크다. (이유 : F원자의 크기가 작아서 원자가 전자간의 반발이 심해지므로)
3. 전형원소와 그 화합물
알칼리 : 염기성을 띠는 물질
*. 알칼리금속(Alkaline metals)
원자번호가 증가할수록 반응성이 커진다. 금속결합력이 약해지므로 녹는점, 끓는점이 낮아진다.
연하여 칼로 자를 수 있으며, 열전기 전도성이 크다.
공기 중에서 쉽게 산화 은백색의 금속 광택을 잃는다.
상온에서 물과 격렬히 반응하여 수소기체 발생 수분이나 산소가 없는 석유나 벤젠 속에 넣어 보관.
수소 및 할로겐 홑원소 물질과 직접반응. 수소화합물은 물과 반응하여 수소기체 발생.
불꽃반응 : Li(빨강), Na(노랑), K(연보라), Rb(진빨강), Cs(연파랑)
*. 수산화나트륨(NaOH) : 흰색의 반투명한 고체. 조해성. 공기중의 이산화탄소 흡수(흰색의 탄산나트륨)
*. 탄산나트륨() : 솔베이법(Solvay). 1866년 - 암모니아소다법.
흰색고체. 물에 녹는다.(약한 염기성), 열을 가해도 쉽게 분해되지 않는다. 수화물은 풍해성이 있다. 산을 가하면 이산화탄소 발생.
*. 탄산수소나트륨() : 무색의 결정(중조), 가열하면 이산화탄소 발생.
물에 잘 녹지 않으나 수용액은 약한 염기성.(은 위산의 와 반응하여 과다위산을 제거)
*. 알칼리토금속(Alkaline Earth Metal)
Be, Mg을 제외한 알칼리토금속의 수산화물()은 원자번호가 증가할수록 물에 대한 용해도가 증가하며 염기성이 커진다.
탄산염은 모두 물에 잘 녹지 않으나, 염화물 및 질산염은 모두 물에 잘 녹는다.
Be, Mg의 황산염은 물에 잘 녹으나, Ca, Sr, Ba의 황산염은 물에 녹기 어렵다.
*. 수산화칼슘() : 소석회. 물에 약간 녹아 강한 염기성. (석회수) 이산화탄소 통하면 탄산칼슘 생성.
*. 탄산칼슘() : 물에 녹기 어려우나, 이산화탄소가 녹아 있는 물에는 녹아서 와 로 된다.
800 이상으로 가열하면 CaO와 로 분해된다.
*. 산화칼슘(CaO) : 흰색고체, 공기중의 수분이나 이산화탄소 잘 흡수.
물과 반응 : 많은 열을 내며 수산화 칼슘이 된다.
*. 황산칼슘() : 석고(), 석고 무수물()
*. 할로겐 원소 (17족) : (기체. 담황색), (기체, 황록색), (액체, 적갈색), (고체, 흑자색)
원자번호가 증가함에 따라 녹는점끓는점이 높아진다.
같은 주기의 원소 중에서 산화력이 가장 크며, 원자번호가 작을수록 반응성이 커진다.
은 화합물은 색깔을 띤 앙금을 형성 : AgF(물에 용해), AgCl(흰색앙금), AgBr(연노란색), AgI(노란색)
*. 플루오르() : 할로겐 원소중 산화력이 가장 크다. 연한 황색의 자극성 유독기체.
*. 염소() : 황록색의 자극성 유독기체, 공기보다 무겁다.(하방치환) 요오드화칼륨 녹말 종이를 보라색으로 변색시킨다.
*. 브롬() : 액체, 적갈색. 매우 유독.
*. 할로겐화 수소 : 산성세기 HF HCl < HBr < HI
HF : 석영과 반응(). 수용액은 약산성, 끓는점이 매우 높다.(수소결합)
HCl : 무색기체, 공기보다 무겁다.(검출법 : 암모니아 기체와 흰연기 만든다.)
HBr, HI : 모두 발연성 기체. 물에 잘 녹아 강산을 만든다.
*. 탄소(C)
다이아몬드 : 광택, 정사면체 구조
흑연 : 육각형의 고리로 연결된 층상구조.(한 개의 전자는 층과 층 사이에 약하게 결합), 쉽게 부서지고, 미끄러지기 쉬워 윤활제, 연필심으로 이용.(전기전도성이 있다.)
*. 알루미늄(Al) : 양쪽성 원소 (수소기체 발생), 환원력이 커서 금속산화물을 환원시킬 수 있다.
*. 규소(Si) : 다이아몬드와 비슷한 구조. 준금속, 반도체의 원료, 그물 구조체, 녹는점 매우 높다.
*. 암모니아() : 무색의 자극성 기체. 공기보다 가볍다. 물에 매우 잘 녹음.(상방치환) 물에 녹아 약한 염기성.
*. 황화수소() : 달걀 썩는 냄새, 무색의 유독기체. 물에 약간 녹아 매우 약한 산성. 환원성(많은 물질과 반응하여 황을 유리시킨다.) 대부분의 중금속 이온과 반응하여 앙금 형성 (금속 양이온 검출에 이용)
*. 질산 : 무색의 발연성 액체. 빛을 쪼이면 쉽게 분해(갈색병에 보관) 산화력이 있는 산.
왕수(Aqua regia) : 진한 질산과 진한 염산. 1:3 부피비로 혼합한 용액.
부동태 : 산화물의 피막을 형성한 상태.
*. 이산화황() : 무색의 자극성있는 유독기체. 물에 잘 녹는다. 환원성 표백제.
*. 삼산화황() : 바늘모양의 흰결정. 물에 녹아 황산이 된다.
*. 황산() : 진한 황산(건조제. 탈수작용), 가열된 진한 황산은 산화력이 강하다.
묽은 황산 : 강한 산성 - (제조) 다량의 물에 진한 황산을 조금씩 가해 주면서 저어준다.
*. 산성산화물 : 비금속 원소의 산화물.(산화수 +4 이상). 물에 녹아 산. 염기와 중화반응.
*. 염기성산화물 : 금속원소의 산화물(산화수 +3이하). 물에 녹으면 염기. 산과 중화반응.
*. 양쪽성 산화물 : 양쪽성 원소. Al, Zn, Sn, Pb 의 산화물. 산, 염기 모두와 반응.
4. 전이원소와 그 화합물
*. 전이원소의 성질 : 원자가 전자수가 2개 또는 1개. 족에 관계없이 같은 주기의 원소는 비슷한 성질을 나타낸다.
반응성이 약해 촉매로 쓰는 것이 많고 밀도가 큰 중금속이다.
녹는점이 높고, 열과 전기의 전도도가 좋으며, 자석에 끌리는 성질.
착이온을 잘 형성.(특유의 색깔) 짝짓지 않은 d 오비탈의 전자가 가시광선 부분에서 빛에너지를 흡수하여 보다 높은 에너지 준위로 전이하기 때문
4주기 전이원소들은 원자반지름이나 이온반지름 및 이온화에너지가 비슷하다. d 오비탈에 있는 전자가 증가할수록 원자핵과의 인력이 커지는 대신 전자사이의 반발력 또한 커지기 때문.
여러개의 산화수 존재 : 덜 채워진 d 오비탈의 전자도 결합에 참여하기 때문.
*. 크롬(Cr) : 은백색 광택. 도금이나 합금의 원료.
중크롬산 칼륨() : 산성용액에서 강한 산화제, 주황색결정, 물에 잘 녹는다. 염기성용액에서 노란색 이온으로 된다.
크롬산 칼륨() : 노란색 결정. 물에 잘 녹는다. 산성용액에서 주황색의 중크롬산 이온으로 된다.
*. 망간(Mn) : 은회색 금속, +2+7 산화수
이산화 망간() : 흑색가루(산화제)
과망간산 칼륨() : 흑자색 결정. 산성용액에서 강한 산화제.
*. 철(Fe) : 회백색 금속.
육시아노철()산 칼륨 : 페로시안화 칼륨, 노란색 결정. 물에 녹아 착이온 생성 : 과 푸른색 앙금 형성.
육시아노철()산 칼륨 : 페리시안화 칼륨. 붉은색 결정. 물에 녹아 착이온 생성 : 과 푸른색 앙금 형성.
*. 구리(Cu) : 열과 전기전도성, 연성. 전성. 전선의 재료. 합금재료. : 산화력이 강한 질산이나 진한황산과 반응.
황산구리() : 흰색 가루 미량의 수분검출(푸른색 황산구리결정. )
*. 은(Ag) : 열과 전기전도성이 가장 크다. +1가의 산화수. 산화력이 강한 질산이나 진한 황산과 반응.
*. 착이온(Complex ion) : 어떤 전이금속 양이온에 공유 전자쌍을 가진 분자나 이온이 배위결합하여 생성되는 새로운 이온.
배위자(Ligand) : 중심 금속이온에 배위결합을 한 분자 또는 이온.
: 아쿠아(aqua), : 암민(ammine), : 시아노(cyano)
: 클로로(chloro), : 히드록소(hydroxo)
*. 배위수 = 리간드의 수
*. 착이온의 구조
배위수 2인 경우 : 선형구조, sp 혼성.
배위수 4인 경우 : 평면 사각형구조 (혼성), 정사면체 구조 (혼성)
배위수 6인 경우 : 정팔면체 (혼성, 혼성)
*. 기하이성질체
형 : 평면 사각 구조에서 cis 형, trans 형이 존재.
형 : 평면 사각 구조에서 cis 형, trans 형이 존재.
형 : 팔면체 구조 : cis 형, trans 형이 존재.
형 : 팔면체 구조 : cis 형, trans 형이 존재.
*. 킬레이트(Chelate) : 두 자리 리간드가 금속 이온에 배위하여 고리를 이룰 때 이 착이온을 이른다.(두 자리 이상 리간드인 경우 고리 형성 착이온)
. 화학결합과 화합물
1. 화학결합과 화합물
*. 옥텟(Octet) 규칙 : 전자를 잃거나 얻어 비활성 기체와 같은 안정한 전자배치를 이루려는 경향.
*. 이온결합(Ionic bond) : 이온 사이에 정전기적 인력이 작용하여 결합
금속성이 큰 원소 + 비금속성이 큰 원소 이온결합 형성
쿨롬의 힘 : 두 이온 사이의 거리의 제곱에 반비례, 두 이온의 전하량의 곱게 비례.
평형거리 : 두 이온들 사이의 정전기적 인력과 전자 껍질의 겹침에 의한 반발력이 균형을 이루어 분자가 안정하게 되는 거리.
양이온과 음이온은 반발력과 인력에 의한 에너지가 최소가 되는 거리에서 이온결합을 형성한다.
*. 등전자 이온 : 총 전자수가 같고 양성자수가 서로 다른 이온 전자수가 같으므로 양성자수가 많을수록 핵의 양전하가 커서 전자들을 더 강하게 핵 가까이로 끌어당기게 되므로 작아진다.
*. NaCl 결정구조 : (면심입방결정) : 각각 6개 이온으로 배위
*. CsCl 결정구조 : (체심입방결정) : 양이온 주위에 8개의 음이온이 있다. : 보다 이온 크기가 크기 때문.
*. 이온결합 물질의 성질 : 외력을 가하면 부스러지기 쉽다. 용융상태나 수용액 상태가 되면 이온들이 자유롭게 이동할 수 있으므로 전기가 잘 통한다. 녹는점, 끓는점이 높다.(이온간 거리가 가까울수록 이온의 전하량이 클수록 정전기적 인력이 세게 작용하여 녹는점, 끓는점이 높아진다.), 극성용매인 물에 용해된다.
*. 공유결합(Covalent Bond) : 두 원자가 내놓은 전자가 쌍을 이루어 두 원자에 공유되면서 형성되는 결합.
공유전자쌍(Shared Electron Pair) : 양쪽원자가 서로 공유하는 전자쌍.
비공유전자쌍(Unshared Electron Pair) : 결합에 참여하지 않는 전자쌍.
이중결합(Double Bond) : 두 원자가 2쌍의 전자를 공유함으로써 이루어지는 결합.
삼중결합(Triple Bond) : 두 원자가 전자쌍 세 개를 공유하는 결합.
공유결합에너지(Bond Energy) : 기체 상태의 분자에서 두 원자 사이의 공유결합 1몰을 끊어서 중성의 기체 원자로 만드는데 필요한 에너지.
결합길이(Bond Length) : 두 원자핵 사이의 평균거리.
다중결합일수록 결합길이는 짧고 결합에너지는 크다.
*. 공유결합 물질의 성질 : 무극성 용매에 잘 녹는다. 이온결정보다 녹는점, 끓는점이 낮다. 전기전도성이 없다. 반응속도가 느리다.
*. 분자결정(Molecular Crystal) : 분자들이 규칙적으로 배열되어 3차원적으로 형성된 물질 : 부서지기 쉽고, 녹는점, 끓는점이 낮아 승화성이 있으며 전기전도성이 없다.
*. 공유결정(Covalent Crystal) : 모든 원자들이 공유결합으로 그물처럼 연결된 결정 : 녹는점, 끓는점이 매우 높고 단단하며 전기전도성이 없다.
*. 배위결합(Coordinate Covalent Bond) : 비공유 전자쌍을 제공하여 공유결합 형성.
*. 금속결합(Metallic Bond) : 자유전자와 금속양이온 사이의 정전기적 인력에 의한 결합.
성질 : 금속은 고체상태나 액체상태에서 전기를 잘 통한다. 열전도성이 크다. 은백색의 광택을 나타낸다.(금속표면이 모든 진동수의 빛을 반사하기 때문) 뽑힘성(연성)과 퍼짐성(전성)이 매우 크다. 자유전자가 많을수록, 금속의 원자반지름이 작을수록 금속결합력은 커진다.(같은 주기 금속원소의 녹는점은 원자번호가 증가할수록 높다).
2. 결합의 극성과 분자의 모양
*. 전기음성도(Electronegativity) : 공유결합을 이루고 있는 공유전자쌍을 끌어당기는 힘의 상대적 크기.
1932년 폴링 : F(4.0)와 비교. 같은 족에서 원자번호가 증가할수록 작아지고, 같은 주기에서 원자번호가 증가함에 따라 증가한다.
두 원자 사이의 전기음성도의 차가 크면 두 원자 사이의 결합은 이온결합성이 커지고, 두 원자 사이의 전기음성도의 차가 작으면 두 원자 사이의 결합은 공유결합성이 증가한다.
*. 극성분자(Polar Molecular) : 쌍극자(Dipole) : 양전하와 음전하의 중심이 일치하지 않고 어느 한 쪽으로 치우치는 분자 - 이중극자 모멘트의 벡터합이 영이 아닐 때. 극성분자나 이온결합물질은 극성용매인 에 잘 녹는다.
*. 무극성분자(Nonpolar Molecular) : 이중극자 모멘트 벡터합이 0 이 되는 분자. 무극성 용매에 잘 녹는다.
*. 전자쌍 반발원리(Electron Pair Repulsion Theory) : 전자쌍들은 (-)전하를 띠고 있기 때문에 정전기적으로 반발하여 가능한 한 멀리 떨어지려고 한다.
비공유전자쌍-비공유전자쌍 > 비공유전자쌍-공유전자쌍 > 공유전자쌍-공유전자쌍 반발 크기 비교
*. 분자오비탈(Molecular Orbital) : 분자궤도함수 : 홀전자들이 배치된 원자들이 겹쳐서 새로운 모양의 오비탈을 형성
오비탈 : 단면의 모양은 원형, 분자의 골격을 형성하는데 관여. 강한 결합
오비탈 : 단면의 모양은 아령형, 결합이 매우 약하여 끊어지기 쉽다.
*. 혼성오비탈(Hybrid Orbital)
혼성오비탈 : 결합각 109.5, 정사면체
혼성오비탈 : 결합각 120, 평면삼각형
혼성오비탈 : 결합각 180, 직선형
*. 반데르발스힘(van der Waals Force) : 분자들 사이에 작용하는 힘
편극(Polarization) : 분자내의 전자들이 극성분자의 (+)전하가 있는 쪽으로 몰리는 현상.
유발 이중 극자(Induced Dipole) : 편극이 일어나 이중극자가 형성
분산력(Dispersion Force) : 무극성 분자-무극성 분자간의 힘 분자량이 큰 분자일수록 녹는점, 끓는점 및 몰증발열이 증가. 표면적이 클수록 분산력 커져 끓는점이 높아진다.
반데르발스 반지름(van der Waals Radius) : 결정상태에서 인접한 두 원자의 핵간 거리의 반.
*. 용해 : 용매와 용매 분자간이나 용질과 용질 분자간의 힘보다 용매와 용질분자간의 힘이 세게 작용할 때 잘 일어난다. 에너지 면에서 발열반응이 진행되어 엔탈피 감소, 무질서도 증가할 때 용해는 잘 일어난다.
*. 수소결합 : F, O, N 과 같이 전기음성도가 큰 원자와 공유결합을 하고 있는 H 원자가 다른 분자 중에 있는 F, O, N 에 끌리어 이루어지는 결합(특성 : 녹는점, 끓는점이 매우 높다)
물()의 특성 : 굽은형 구조, 물의 밀도는 4에서 가장 크다. 비열이 매우 크다. 녹는점, 끓는점이 높다
. 물질의 상태와 용액
1. 기체, 액체, 고체
*. 기체의 압력 : 분자의 충돌에 의하여 용기 벽의 단위 넓이에 작용하는 힘. 용기벽의 단위면적에 충돌하는 분자의 수가 많아지면 압력이 커지고, 분자의 수가 작아지면 압력이 작아진다.
국제단위 : 파스칼(Pa) - 1N의 힘이 1의 면적에 작용할 때의 압력. 1기압 = 101.325 kPa = 760 mmHg = 760 Torr
*. 보일의 법칙(Boyle's Law) : 1662년. Boyle - 일정한 온도에서 일정량의 기체의 부피는 압력에 반비례한다
기체의 양과 온도가 일정한 상태에서 :
*. 절대온도 : -273를 0으로 놓고 섭씨오도와 같은 눈금으로 표시한 온도 (단위 : K, Kelvin)
T(K) = 273 + t()
*. 샤를의 법칙(Charles's Law) : 일정한 압력에서 일정량의 기체의 부피는 절대온도에 비례한다.
*. 보일-샤를의 법칙(Boyle Charles' Law) : 일정량의 기체의 부피는 압력에 반비례하고 절대온도에 비례한다
*. 기체상수(R)(Gas Constant) : 아보가드로의 법칙에서 0 1기압 기체 1몰의 부피는 22.4L 이므로
*. 이상기체 상태 방정식(Ideal Gas Equation) :
*. 실제기체 : 압축률 고려(), 이상기체인 경우 Z=1
실제기체는 압력이 커지면 분자간 거리가 짧아져 분자사이에 인력이 작용하게 되기 때문에 이상기체에서 벗어난다.
실제기체는 압력이 낮고 온도가 높을수록 부피가 커지면서 기체분자사이의 거리가 멀어져 입자간의 인력이 거의 미치지 않으므로 이상기체에 가깝게 행동한다.
Z > 1 일 때 : 반발력 우세, Z < 1 일 때 : 인력이 우세하여 압축이 잘된다.
반데르발스 상태방정식 :
: 실제기체의 분자간 인력으로 인하여 이상기체보다 작아진 압력을 더해준 값.
: 실제기체 자체의 부피를 빼준 것
*. 기체 분자 운동론(Kinetic Theory)의 가정
기체 분자들은 서로 멀리 떨어져 있고 끊임없이 무질서하게 빠른 속도로 직선운동을 하여 기체가 담긴 용기벽과 충돌하면서 압력을 나타낸다.
완전탄성충돌을 한다.
기체분자들이 충돌할 때 기체 분자들 사이에 인력이나 반발력은 작용하지 않는다.
분자 자체의 부피는 너무 작기 때문에 용기의 부피에 비하여 무시할 수 있다.
기체 분자의 평균 운동에너지는 절대온도에 비례한다.
*. 기체의 확산(Diffusion) : 기체 분자가 그 질량과 관계없이 자연스럽게 혼합되어 균일하게 되는 현상.
1831년. 그레이엄(Graham) : 일정한 온도와 압력에서 두 기체의 확산속도의 비는 두 기체의 밀도의 제곱근에 반비례한다. 그레이엄의 법칙(Graham's Law) : 두 기체의 확산 속도의 비는 두 기체의 분자량의 제곱근에 반비례. (일정한 온도와 압력에서)
*. 돌턴의 부분 압력의 법칙(Dalton's Law of Partial Pressure) : 혼합기체가 나타내는 전체 압력은 각 성분 기체가 나타내는 부분 압력의 합과 같다.
혼합기체의 부분 압력의 비는 각 성분 기체의 몰수의 비(분자수의 비)와 같다.
혼합기체 중의 각 성분 기체의 부분 압력은 그 기체의 몰분율에 비례한다.
*. 액체의 일반적 성질
압력을 증가시켜도 부피가 거의 변하지 않는다. 일정한 형태의 모양을 갖지 않는다. 일정한 부피 속에서 진동회전병진 운동을 모두 하지만, 기체에 비하여 활발하지는 못하다.
점성도(Viscosity) : 유체가 흐를 때 분자들은 서로 다른 분자를 스치면서 마찰과 인력에 의한 저항을 받는다. 분자간 인력의 클수록 크고, 온도가 높아지면 감소한다.
표면장력(Surface Tension) : 자신의 표면을 작게 만들려는 성질. 분자간 인력이 클수록 증가한다.
*. 증발(Evaporation) : 표면에 있는 분자들이 액체 내부에 있는 분자들에 비해 인력이 작아서 액체표면으로부터 떨어져 나와 기체 상태로 되는 것.
*. 증기압력(Vapor pressure) : 증발속도와 응결 속도가 같은 동적 평형 상태에서 증기가 나타내는 압력.
온도가 높을수록, 분자간 인력이 작은 물질일수록 커진다.
증기압력곡선 : 액체와 기체가 평형을 이루어 공존하는 온도와 압력을 나타낸다.
*. 임계온도 : 기체에 아무리 압력을 가해도 액화가 되지 않고 그 온도 이하로 온도를 낮추어야 액화하는 온도 (액화가 일어날 수 있는 가장 높은 온도)
*. 임계압력 : 임계온도에서 기체를 액화하는데 필요로 하는 최소의 압력. 임계온도가 높고, 임계 압력이 낮은 기체일수록 액화가 잘 일어난다.
임계온도 : , 임계압력 :
*. 끓는점 : 액체의 증기압력과 액체 외부의 압력이 같아지는 온도
기준 끓는점 : 외부압력이 1기압일 때의 끓는점
증기압력은 온도가 높아짐에 따라 증가한다.
*. 증발열(Heat of Evaporation) : 어떤 액체 1g을 같은 온도의 기체상태로 증발시키는데 필요한 열량.
분자 사이의 인력이 큰 물질일수록 몰증발열의 값이 크고 끓는점이 높다.
*. 고체 : 일정한 부피를 가지며 압력을 가해도 그 부피가 거의 줄어들지 않고 유동성이 없어서 일정한 모양을 유지. 구성입자들 사이의 거리가 매우 가까워서 인력이 크기 때문에 진동운동만 한다. 물질의 상태 중에서 가장 낮은 에너지 상태로 존재.
*. 융해열(Heat of Fusion) : 녹는점에서 어떤 고체 1g을 녹여 그 온도의 액체로 변화시키는데 필요한 열량.
*. 결정성 고체 (Crystalline Solid) : 결정(Crystal) : 고체를 구성하고 있는 입자들이 규칙적으로 배열되어 일정한 모양을 이루고 있다. 녹는점이 일정. 비등방성이 있다(결정에 빛을 쪼이는 방향에 따라 굴절되거나 반사되는 각이 달라지는 성질)
*. 비결정성 고체(Amorphous Solid) : 고체를 구성하는 입자들이 불규칙적으로 배열되고 녹는점이 일정하지 않은 고체 등방성(어느 방향에서 빛을 쪼이든 같은 방향으로 굴절되거나 반사된다.)
*. 결정격자(Crystal Lattices) : 삼차원적인 질서를 규칙적으로 반복하면서 특징적인 모양을 갖게된다.
체심입방구조(Body Cubic Structure) : 배위수 8, 단위격자 입자수 =
면심입방구조(Face-Centered Cubic Structure) : 배위수 12 (입방 밀집 구조),
단위격자 입자수 =
육방밀집구조(Hexagonal Close-Packed Structure) : 배위수 12
단위격자 입자수 =
*. 상평형 그림 : 한 물질의 여러 상들 사이의 평형을 나타낸 그림.(압력과 온도 그래프)
증기압력곡선 : 액체와 기체가 공존
융해곡선 : 고체와 액체가 공존
승화곡선 : 고체와 기체가 공존
삼중점 : 상평형 그림에서 고체, 액체, 기체가 공존할 수 있는 온도와 압력을 나타내는 점.
2. 용액
*. 용해 : 한 물질이 다른 물질에 녹아 균일하게 섞이는 현상.
*. 용액 : 용해 결과 생성된 균일 혼합물
*. 용매화(Solvation) : 용해된 용질 입자가 용매 입자에 둘러싸여 안정한 상태가 되는 현상.
*. 용해는 용매와 용질의 분자구조가 비슷하거나 같은 원자단을 가지고 있을 때 잘 일어난다.(Like Dissolves Like)
*. 포화용액 : 용해속도 = 석출속도. 불포화용액 : 용해속도>석출속도, 과포화용액 : 포화용액보다 용질이 더 녹아 불안정한 용액.
*. 용해도 : 어떤 온도(t)에서 용매 100g에 최대한 녹는 용질의 g수(압력의 영향 없고, 온도의 영향을 많이 받는다.)
흡열용해과정 : 온도를 높이면 용해도 증가, 발열용해과정 : 온도를 낮추면 용해도 증가.
*. 재결정, 분별결정 : 온도 변화에 따른 용해도의 차이를 이용하여 불순물이 섞인 고체 혼합물에서 순수한 물질을 분리해 내거나 순수한 결정을 얻는 방법
*. 기체의 용해도 : 0, 1기압에서 물 1mL에 녹는 기체의 부피(mL), 물 100g당 녹는 기체의 g수.
온도의 영향 : 일정한 압력에서 기체의 용해도를 증가시키려면 온도를 낮추어야 한다.(발열과정)
압력의 영향 : 일정한 온도에서 기체의 용해도는 그 기체의 압력(분압)이 클수록 커진다.(헨리의 법칙)
헨리의 법칙(Henry's Law) : 일정온도에서 일정량의 용매에 요해되는 기체의 질량은 그 기체의 압력(분압)에 비례한다. 용해되는 기체의 부피는 압력에 관계없이 항상 일정하다. 잘 적용되는 기체 : 낮은 압력에서 물에 대한 용해도가 별로 크지 않은 무극성 분자의 기체.
혼합기체의 용해도 : 각 성분 기체의 용해도는 그 기체의 부분압력에 비례한다.
참고
이상적 묽은 용액 : Henry's Law에 만족한다.
: B의 증기압력을 에서의 실험곡선에 정접이 되도록 취한 일종의 비례상수.
-. 이상 용액의 열역학적 혼합함수.
: 몰분율()은 항상 1보다 작으므로 어떤 비율로나 이므로 자발적으로 혼합된다.
: 엔탈피 , 내부에너지 변화는 Zero이고, 엔트로피 변화 는 증가한다.()
*. 용액의 농도
퍼센트 농도 : 용액의 질량에 대한 용질의 질량을 질량 백분율로 나타낸 농도.
몰농도(M, mol/L) : 용액 1L 속에 녹아 있는 용질의 몰수.
몰랄농도(m, mol/kg) : 용매 1000g에 녹아있는 용질의 몰수 온도나 압력의 변화에 관계없이 일정하다.
*. 용액의 총괄성 : 용질의 종류에 관계없이 용질의 입자수에 따라 결정되는 성질.
증기압내림, 끓는점 오름, 어는점 내림, 삼투압
라울의 법칙(Rault's Law) :
반트호프의 법칙(van't Hoff's Law : 1855년) : (고분자 화합물의 분자량 측정에 이용)
*. 콜로이드(Colloid) : 거름종이는 통과, 반투막은 통과하지 못함.
분산계 = 분산매 + 분산질 확산속도가 느리고 결정화되기 어렵다.
서스펜션 : 콜로이드 입자보다 큰 고체 입자가 분산되어 있는 용액.(흙탕물)
에멀션 : 큰 액체 입자가 분산되어 있는 용액.(우유)
졸(Sol) : 액체 상태의 콜로이드, 겔(Gel) : 반고체 상태의 콜로이드
에어로졸(Aerosol) : 분산매가 기체인 콜로이드
소수 콜로이드 : 물과의 친화력이 약해서 소량의 전해질에 의해 쉽게 앙금이 된다.
친수 콜로이드 : 물과의 친화력이 강해서 다량의 전해질에 의해서만 앙금이 된다.
보호 콜로이드 : 소수 콜로이드에 친수 콜로이드를 소량 가해 주면 친수 콜로이드 입자가 소수 콜로이드 입자를 둘러싸서 소량의 전해질에 의해서는 앙금이 잘 생성되지 않게 한다. 이렇게 소수 콜로이드를 보호해 주기위해 가해주는 콜로이드
양성 콜로이드, 음성 콜로이드, 분자 콜로이드, 회합 콜로이드(작은 분자나 이온들이 여러 개 모여 이루어진다.)
분산 콜로이드 : 불용성 고체 물질이 작게 쪼개어져서 분산되어 이루어진다.
틴들현상(Tyndall Phenomenon) : 콜로이드 용액에 직사광선을 비추면 빛의 진로가 선명하게 보이는 현상. 빛이 투과하지 못하고 콜로이드 입자에 부딪쳐서 산란되기 때문.
브라운 운동(Brown Motion) : 불규칙적인 직선운동 - 입자 자체의 운동이 아니라 용액 중의 분산매 분자들이 분자운동을 하면서 불규칙하게 콜로이드 입자와 충돌하기 때문에 나타나는 현상 분산매의 분자운동을 간접적으로 확인
한외 현미경 : 콜로이드의 틴들 현상을 이용하여 만든 현미경.(집광기 부착)
투석(Dialysis) : 반투막을 통과하지 못하는 성질을 이용하여 콜로이드를 정제하는 방법.
흡착 : 콜로이드 입자는 질량에 비해 표면적이 매우 크므로 용액중의 다른 분자나 이온을 잘 흡착한다. 비누의 세탁작용, 탈색, 염색 : 콜로이드 입자는 이온을 선택적으로 흡착하는 성질이 있기 때문에 같은 종류의 콜로이드는 항상 같은 전하를 띤다. 콜로이드는 전하 때문에 콜로이드 입자는 서로 반발하여 가라앉지 않고 오랫동안 분산매 속에 안정하게 존재한다.
전기이동(Electrophoresis) : 콜로이드 용액에 직류 전류를 통하면 같은 전하를 띤 콜로이드 입자들이 한쪽 전극으로만 이동하는 현상.
엉김 : 소수 콜로이드는 물과의 친화력이 약하기 때문에 소량의 전해질을 가하면 가라앉는다. 전기적으로 중성이 된다.(콜로이드의 전하와 반대되는 전해질의 전하가 클수록 앙금 생성효과가 크다)
염석 : 친수 콜로이드가 다량의 전해질에 의해 콜로이드 입자가 엉기는 현상.
. 화학 반응과 에너지
1. 반응열
*. 열화학 반응식 : 화학반응이 일어날 때 출입하는 열량을 표시한 화학반응식
*. 반응열 : 화학반응이 일어날 때 방출되거나 흡수되는 열량
발열반응(주위의 온도가 올라간다), 흡열반응(주위의 온도가 내려간다)
상태표시 : 기체(Gas, g), 액체(Liquid, ), 고체(Solid, s), 수용액(Aqueous, aq)
표준상태 : 25, 1기압
반응열의 크기는 반응에 참여하는 반응 물질과 생성 물질의 양에 정비례한다.
화학반응이 역으로 진행될 때에는 반응열의 크기는 같고 그 부호만 반대이다.
*. 엔탈피(Enthalpy) : 물질이 지니고 있는 고유의 에너지 = 열함량(Heat Content)
일정한 압력 하에서 물질이 생성될 때 그 물질 속에 축적된 화학에너지
엔탈피 변화량() : 일정한 온도와 압력에서 화학반응이 진행되는 동안 출입하는 반응열
발열반응 , 흡열반응
종류 : 생성열, 분해열, 연소열, 용해열, 중화열 등
*. 반응열 측정
열용량 : 물을 포함하는 열량계의 온도를 1 올리는데 필요한 열량. 반응열(Q) = 열용량 온도변화 (Q = C)
*. 헤스의 법칙(총열량 불변의 법칙, 1840년) : 화학변화가 일어나는 동안에 출입한 반응열은 반응전의 물질의 종류와 상태 및 반응후의 물질의 종류와 상태가 같으면 반응경로에 관계없이 항상 일정하다.
*. 결합에너지 : 두 원자 사이의 결합을 끊어 원자 상태로 해리 시키는데 필요한 에너지
*. 열역학 기본식
내부에너지 : dU = TdS - PdV
,
엔탈피 : H = U + pV , dH = TdS + Vdp
,
Gibb's 에너지(자유에너지) : G = H - TS , dG = Vdp - SdT
,
Helmholtz 에너지(일함수) : A = U - TS , dA = - pdV - SdT
,
*. 열용량 : ,
일정 부피 과정 : , 일정 압력 과정 :
이상기체에서 열용량 관계 : (n은 몰수)
2. 반응속도
반응속도 : 단위 시간에 반응하는 물질 또는 생성되는 물질의 몰농도의 변화량.(mol/L초, mol/L분)
반응 물질의 종류가 많고 끊어야 하는 공유 결합의 수가 많을수록 반응속도가 느리다.(이온 사이의 반응속도는 아주 빠르다.)(공유결합이 끊어져 재배열되는 반응의 반응속도는 느리다.)
*. 반응속도에 영향을 주는 요인
조건
-. 유효충돌 : 실제로 반응이 일어날 수 있는 방향으로 입자들이 충돌하는 것.
-. 활성화 에너지 : 반응을 일으키는 데 필요한 최소의 에너지.(활성화물)
활성화 에너지가 크면 반응속도가 느리고, 작으면 반응 속도가 빠르다.
활성화 에너지의 크기는 촉매에 의해 달라지나 반응열은 촉매에 관계없이 일정하다.
농도의 영향 : 반응물질의 농도가 증가하면 충돌횟수가 늘어나 반응속도가 빨라지게 된다.
-. 질량 작용의 법칙(1864년) : 온도가 일정할 때 반응속도는 반응물질의 몰농도의 곱에 비례한다.
반응속도상수() : 반응물질의 농도가 달라져도 값은 변하지 않으나, 온도가 달라지면 값이 변한다.
순수한 고체물질이나 용매는 반응속도 식에 포함시키지 않는다.
온도의 영향 : 온도 상승에 의해 반응속도가 빨라지는 주된 이유는 활성화 에너지보다 큰 에너지로 충돌하는 분자수가 23배 증가하기 때문.
압력의 영향 : 기체반응에서 기체의 분압은 그 기체의 몰수에 비례하므로 기체의 분압이 증가하면 충돌횟수가 많아져서 반응속도가 빨라진다.
촉매의 영향 : 활성화에너지에만 영향을 주고, 반응열을 변화시키지 못한다.(반응경로를 바꾼다.) 촉매 : 화학반응에 참여하여 자신은 변화하지 않고 반응속도만을 변화시키는 물질 : 정촉매, 부촉매
표면적의 영향 : 반응하는 면적이 클수록 충돌이 많아지므로 반응속도가 빨라진다.
*. 반응속도 결정단계(Rate Determining Step) : 반응메커니즘에서 가장 느린단계반응(활성화에너지가 가장 큰 단계), 전체적인 반응속도를 결정하는 단계.
*. 반응속도식
영차 반응 :
적분된 속도 법칙 :
반감기 :
1차 반응 :
적분된 속도 법칙 :
반감기 :
2차 반응 :
적분된 속도 법칙 :
반감기 :
3. 화학평형
*. 평형상태 : 정반응 속도와 역반응 속도가 같으며 반응계에는 반응물질과 생성물질이 함께 존재한다.(가역반응) 비가역 반응의 예 : 기체 발생 반응, 앙금 생성 반응, 강한 산과 강한 염기의 중화반응.
*. 화학 평형상태의 특징 : 가역반응에서만 이루어진다. 동적평형을 이룬다. 반응물질과 생성물질이 함께 존재.
평형농도 : 평형계에 존재하는 각 물질의 농도는 외부의 변화가 없는 한 일정하게 유지.
*. 화학 평형의 법칙 : 일정 온도의 화학 평형 상태에서는 반응물질의 농도의 곱과 생성물질의 농도의 곱의 비는 항상 일정하다.(평형상수, K)
불균일 평형 : 둘 이상의 상(Phase)으로 이루어지는 평형 순수한 액체나 고체의 농도는 일정하여 상수로 취급한다.
*. 평형상수가 나타내는 의미와 그 성질
평형상수 K가 큰 반응은 정반응이 우세한 반응으로 평형계에 생성물질이 많이 존재.
일정한 온도에서 화학반응의 평형상수는 일정.
역반응의 평형상수(K')는 정반응의 평형상수(K)의 역수.
같은 반응이라도 화학반응식의 계수가 달라지면 평형상수식이 달라진다.
*. 반응지수(Q) : 물질의 현재농도(평형상태가 아닌 농도)를 평형상수식에 대입하여 얻은 값.
Q < K 일 때 : 정반응 진행, Q = K 일 때 : 평형상태, Q > K 일 때 : 역반응 진행
*. 압력 평형 상수()의 특징
기체 물질들 사이의 가역 반응에서만 적용
몰농도 대신 평형 부분 압력 적용
일정한 온도에서 같은 반응의 는 항상 일정하다
순수한 고체와 액체는 증기압력이 일정하므로 압력 평형상수 식에서 제외한다.
*. 평형을 결정하는 인자 : 모든 반응은 에너지가 낮아지는 방향(발열반응)으로, 무질서도가 증가하는 방향으로 진행되려고 한다.
*. 평형 이동의 법칙(르 샤틀리에의 법칙) : 평형 상태에 있는 화학 반응의 농도, 온도, 압력 등의 반응조건을 변화시키면, 그 변화를 감소하려는 쪽으로 저절로 반응이 진행되어 새로운 평형에 도달한다.
농도의 영향 : 물질을 더 넣어주면 감소하는 방향으로, 물질을 제거하면 생성되는 방향으로 평형이동(불균일 평형에서는 순수한 용매나 고체를 첨가하거나 제거하여도 평형이동을 하지 않는다.)
압력의 영향 : 압력을 높이면 압력을 낮추는 방향(기체의 몰수가 적어지는 방향), 압력을 낮추면 압력을 높이는 방향(기체의 몰수가 늘어나는 방향)
온도의 영향 : 온도를 높이면 온도가 낮아지는 방향인 흡열반응 쪽으로 평형이동, 온도를 낮추면 온도가 높아지는 방향인 발열반응 쪽으로 평형이동. 평형상수 값이 변한다.
*. 용해도곱 상수() : 불용성염을 물에 넣으면 극히 적은 양이 물에 용해되어 포화용액이 되고 고체염과 이온 사이에 동적 평형을 이룰 때의 평형상수.
4. 산과 염기
*. 아레니우스의 정의(1887년, Arrhenius)
산 : 수용액에서 을 내어 산성을 나타내는 물질.
염기 : 수용액에서 을 내어 염기성을 나타내는 물질.
*. 브뢴스테드와 로우리의 정의(1923년)
산 : 양성자 주게 염기 : 양성자 받게
*. 루이스의 정의(1923년)
산 : 비공유 전자쌍을 받는 물질 염기 : 비공유 전자쌍을 주는 물질
*. 이온화도(전리도, 해리도 : ) : 용해된 전해질의 전체 몰수에 대해 이온화된 전해질 몰수의 비
이온화도가 큰 물질일수록 산성이나 염기성이 강하다.
같은 온도와 농도에서 같은 전해질의 이온화도는 일정하다
온도가 높을수록, 농도가 묽을수록 이온화도가 커진다.(오스트발트의 희석률)
*. 이온화 상수 : , 이 값이 클수록 산성이나 염기성이 강하다.
*. 이온화도()와 이온화 상수()의 관계
(약산의 이온화도는 매우 작으므로 1- 1 로 계산)
,
*. 물의 이온곱 상수 :
온도가 높아질수록 커진다.(물의 이온화 과정이 흡열 과정이기 때문)
25 순수한 물 1L의 농도 : 약 55.5몰
수소이온지수(pH) : 의 상용로그의 역수.
*. 지시약 : 수용액의 pH에 따라 특유의 색깔을 나타내는 물질.
*. 산성비 : 황(이산화 황, ), 질소(이산화질소, )
*. 중화적정 : 농도를 모르는 일정한 부피의 산(또는 염기) 용액에 농도를 아는 염기(또는 산) 용액을 조금씩 넣어 완전히 중화하는데 필요한 부피를 측정하여 그 농도를 알아내는 실험적인 방법이다.
nMV = n'M'V'
*. 중화적정곡선
강산을 강염기로 적정 : 용액의 액성 : 강산성 중성 강염기성(페놀프탈레인, 메틸오렌지)
강산을 약염기로 적정 : 용액의 액성 : 강산성 중성 약염기성 당량점은 약산성을 띤다.(메틸오렌지, 메틸레드)
약산을 강염기로 적정 : 용액의 액성 : 약산성 중성 강염기성 당량점 : 약염기성(페놀프탈레인)
약산을 약염기로 적정 : 용액의 액성 : 약산성 중성 약염기성(pH 미터를 사용)
*. 염의 가수분해(Hydrolysis) : 이온화도가 큰 강산의 음이온이나 강염기의 양이온은 가수분해되지 않는다.
약산의 음이온 : 약염기성 용액
약염기의 양이온 : 약산성을 나타낸다
강산 + 약염기의 염 : 액성은 산성
약산 + 강염기의 염 : 액성은 염기성
약산 + 약염기의 염 : 액성은 중성
*. 완충용액 : 약산에 약산의 짝염기를 넣은 용액이나, 약염기에 약염기의 짝산을 넣은 용액. 같은 몰수의 약산과 그 약산의 염을 녹이면 완충용액이 된다.
5. 산화와 환원(Oxidation-Reduction)
*. 산화 : 산소와 화합하거나 수소를 잃는 화학변화, 물질이 전자를 잃는 화학변화.(산화수 증가)
*. 환원 : 산소를 잃거나 수소와 화합하는 화학변화, 물질이 전자를 얻는 화학변화.(산화수 감소)
산화와 환원의 반응계에서 총전자의 수는 항상 일정하다. 이온화 경향이 큰 금속일수록 양이온이 잘된다.
*. 산화수(Oxidation number) : 어떤 물질의 성분원소가 그 물질속에서 어느 정도로 산화 또는 환원되었는지를 나타내는 수치.
규칙
-. 홑원소 물질을 구성하는 원자의 산화수는 모두 zero 이다.
-. 중성의 화합물을 구성하는 원자들의 산화수의 총합은 zero 이다.
-. 라디칼 이온을 구성하는 원자들의 산화수의 총합은 그 이온의 전하수와 같다.
-. 단원자 이온의 산화수는 그 전하수와 같다. 수소원자의 산화수(금속 수소화물 : -1)
-. 산소원자의 산화수(과산화물 : -1)
*. 환원제 : 다른 물질을 환원시키고 자신은 산화되는 물질
*. 산화제 : 다른 물질은 산화시키고 자신은 환원되는 물질
*. 산화환원 적정 : 농도를 알고 있는 표준물질로 농도를 모르는 물질을 적정하여 그 농도를 알아내는 실험적인 방법. nMV = n'M'V'
*. 전지
(-)극 : 양극(anode), 산화반응, 이온화 경향 크다, 전자를 내 놓는다, 전류가 흘러 들어온다.
(+)극 : 음극(cathod), 환원반응, 이온화 경향 작다, 전자를 받아들인다. 전류가 흘러 나간다.
*. 전극전위 : 표준수소 전극과 다른 반쪽 전지로 이루어진 전지의 기전력을 측정하여 각 반쪽 전지 전위의 상대적인 크기.
*. 표준전극전위(E) : 25, 1기압(표준상태)일 때의 반쪽 전지의 전극전위 값.
환원전위가 큰 반응물질은 전지에서 (+)극이 된다.
표준환원전위 값이 큰 물질일수록 산화력이 강하다.
기전력(전위차) : 두 반쪽 전지의 전극전위의 차
전자수를 맞추기 위해 반쪽 반응에 정수배를 해주더라도 전극전위에는 정수배를 해서는 안된다.
기전력의 값이 양(+)의 값이면 반응이 자발적
*. 볼타전지 : 분극현상, 감극제(분극현상을 없애기 위해 사용하는 산화제), 1차 전지(재충전 불가능)
*. 다니엘 전지 : 2차 전지, 염다리(U자관에 한천과 염의 혼합용액을 넣어 만든 것, 이온을 이동시켜 전지의 회로를 형성)
*. 망간-아연 건전지 : 염다리가 필요없다. 수명이 짧다.
*. 알칼라인 건전지 : 수명이 길고 물에 녹는 물질이 없어 안정한 전압을 얻는다.
*. 납축전지 : 2차전지, 여러개를 직렬로 연결
<방전>
(-)극(판) : (산화)
(+)극(판) : (환원)
(전체반응) :
<충전> 황산용액 농도 증가. 기전력 회복.
*. 수은전지 : (장점) 매우 작은 크기의 전지. 전압이 일정하다. (단점) 1차 전지, 환경오염 문제.
*. 니케드 전지 : 매우 작은 크기의 전지, 2차 전지.
*. 연료전지 : 열효율이 좋고, 환경오염을 일으키지 않으나, 고온이 요구되고, 경제적인 부담이 크다.
*. 전기분해 : 산화환원 반응을 이용하여 전기에너지를 화학에너지로 바꾸어 물질을 분해하는 반응
(-)극 : (환원반응) : 환원전위가 큰 물질부터 차례로 석출.
(+)극 : (산화반응) : 산화전위가 큰 물질부터 차례로 석출.
*. 패러데이(Faraday)법칙
생성되거나 소모되는 물질의 양은 흘러준 전기량(Q)에 비례한다.
1 F 의 전기량으로 얻어지는 물질의 양은 전자 1몰이 흐를 때 얻어지는 물질의 양과 같다.
1 F = (전자 1개의 전하량) (아보가드로의 수) = = 96485 C
전기량(C) = 암페어 초 = A t