물리·화학대백과사전

[박대선]

물리·화학대백과사전 을 읽었다. 부력의 원리는 깊이에 따른 힘의 차이에 있다. 즉 수압이 깊이에 따라 증가하기 때문에 바닥에 가해지는 힘은 천장에 가해지는 힘보다 크기에 그 차이만큼의 부력이 발생한다. 힘은 압력과 단면적의 곱으로 정의되기에 정육면체라고 하면 단면적은 동일하고 압력차이만큼의 부력이 존재한다. 압력은 밀도에 중력가속도와 깊이를 곱해서 결정되므로 깊이의 차이만큼 압력차가 발생하고 압력차에 단면적을 곱한 만큼 부력이 발생하고 중력보다 부력이 크다면 수면으로 상승하여 부력이 중력과 같아질 깊이만큼의 깊이를 유지하게 된다.

청수의 경우 10미터마다 수압이 1기압씩 증가한다. 대기압은 10만파스칼이고 물의 밀도는 1000키로/입방미터이고 중력가속도는 10미터/제곱초로 약산하면 20만파스칼은 10만파스칼(대기압)에 1000 * 10 * 깊이가 되기에 10미터가 1기압이 늘어나는 것이다. 심해 잠수정 해미래는 6천미터까지 잠수할 수있는데 이 경우 대략 600기압의 압력을 견뎌야 한다. 대기압은 평방미터당 10톤의 무게에 해당하는 압력이므로 이의 600배라면 엄청난 수준이 된다. 36 하강하는 물체에는 중력가속도가 붙고 이동하는 물체에는 공기저항이 작용한다. 결국 공기저항이 중력과 같아지는 속도까지 증가한다. 공기저항은 속도에 비례하기에 가속도는 중력가속도에서 속도/질량을 빼서 결정한다. 따라서 폭우의 하강속도가 가랑비보다 빠르다. 속도는 질량에 중력가속도를 곱해서 결정되는데 이는 빗방울의 반지름에 비례하기 때문이다. 42

충격량만큼 운동량이 변하기에 깨지기 쉬운 물체는 부드러운 완충재로 감싸는 것이 좋다. 운동량은 여전하지만 힘이 전달되는 시간이 증가하기에 힘의 크기가 그만큼 줄기 때문이다. 48 주기는 길이에 비례한다. 그래서 높은 건물은 장주기를 가지는데 주기가 긴 지진이 발생하면 공진을 일으키기도 한다. 이를 수정하는 간단한 방법은 낮은 건물과 연결하여 무게 중심을 낮추는 것이다. 주기가 짧아지기 때문이다. 60 지구도 행성이기에 태양을 두개의 초점중의 하나로 두는 타원공전을 한다. 근일점에서 더 빠른데 이는 9월 23일인 추분에서 3월 21일인 춘분까지가 179일로 춘분에서 추분까지의 186보다 일주일 짧은 것을 보면 알 수있다. 물론 이는 남반구에서는 반대로 나타난다. 62

기차레일은 25미터길이로 이루어지고 비스듬한 이음새로 연결되있다. 열팽창에 의한 변형을 방지하기위해서다. 그래서 온습도가 일정한 터널내부에는 이음새없이 가설하기도 하기에 덜커덩이라는 소리가 나지않는다. 70 비행기의 고도는 10키로 상공으로 기압이 지상의 1/4에 불과하다. 이를 가압하기는 하지만 여전해 80%수준이기에 귀가 아프게 된다. 72 기체가 압축되면 온도가 상승한다. 그래서 디젤 엔진은 실린더로 압축하여 발화점으로 기온을 상승시키고 경유를 분사하여 폭발력을 얻는다. 기온이 올라 따뜻해진 공기는 팽창하고 밀도가 낮아지기에 상승한다. 상승하면 기압이 낮기에 팽창과 상승을 지속하고 이슬점까지 하락하면 수증기가 발생하여 구름을 형성한다.

이슬점은 1기압인 경우 100도지만 압력이 낮아지면 이슬점도 하락한다. 고도에 따라 기압이 하락하기에 대략 100미터를 상승하면 0.2도의 이슬점 강하가 나타난다. 76 음파는 고체가 기체보다 빠르고 가벼운 기체가 무거운 기체보다 빠르다. 고체는 분자가 연결되있기에 빠르며 가벼우면 무거운 경우보다 빨리 전달되기 때문이다. 구체적으로 초당 철은 6000미터의 속도고 물은 1500미터로 1/4로 느려지며 헬륨은 970미터나 질소는 240미터고 공기는 340미터정도로 온도가 증가할 수록 빨라진다. 98

제베크 효과(Seebeck effect)는 두 종류의 금속 또는 반도체를 서로 연결하고 두 접점을 서로 다른 온도로 유지했을 때 전압(전류)이 발생하는 현상이다. 열에너지가 전기 에너지로 변환되는 대표적인 열전 효과(thermoelectric effect) 중 하나다. 금속 A와 금속 B를 연결해 고리 모양을 만들고 한쪽 접점을 뜨겁게, 다른 쪽 접점을 차갑게 만들면, 뜨거운 쪽에서 에너지를 받은 전자들이 움직이면서 전위차(전압)가 생기고, 회로에 전류가 흐르게 된다. 온도 센서 – 열전대(Thermocouple)가 가장 대표적인 활용이다. 온도 차이를 전압으로 변환하여 온도를 정밀하게 측정한다. 열전 발전(Thermoelectric generator, TEG)은 폐열(자동차 배기열, 산업 공정 열 등)을 전기로 변환할 때 사용되고 우주선 전력 공급(RTG)에도 중요하다. 라디오아이소토프 열전 발전기의 핵심 원리 중 하나로 사용된다. 126

키르히호프의 법칙(Kirchhoff’s Laws)은 전기회로를 분석할 때 매우 중요한 두 가지 기본 법칙을 말한다. 전류와 전압의 흐름을 설명하는 법칙으로, 1845년 구스타프 로버트 키르히호프(Gustav Robert Kirchhoff)가 제안했다.

1️. 키르히호프의 전류법칙 (KCL: Kirchhoff’s Current Law): 회로의 한 노드(node, 접점)에 들어오는 전류의 합은 나가는 전류의 합과 같다.

2️. 키르히호프의 전압법칙 (KVL: Kirchhoff’s Voltage Law): 회로의 어떤 폐회로(loop)에서 전압의 합은 0이다. 130

지구의 질량중 철이 차지하는 비중은 32%로 제일 많다. 다음이 산소 30%, 규소 15%, 마그네슘 14%순이다. 지구 외핵에 전도성 철이 자전에 의해 회전하면서 자기장이 형성된다. 자전속도가 두배이상 빠른 목성은 더 강한 자기장이 발생하고 200배이상인 금성의 자기장은 지구의 1/2000에 불과하다. 134 혼합물의 분리는 여러 성분이 섞여 있는 혼합물을 성질의 차이를 이용해 개별 물질로 나누는 과정이다. 혼합물의 종류(균일/불균일), 성분의 상태(고체/액체/기체), 끓는점·용해도·입자 크기 등의 차이에 따라 다양한 방법이 사용된다.

1. 여과(Filtration): 액체 + 불용성 고체 혼합물 분리 * 원리: 입자 크기 차이 * 예: 모래와 물 분리

2. 증발(Evaporation): 용액에서 용질을 얻고 싶을 때 * 원리: 끓는점 차이 * 예: 소금물에서 소금 얻기

3. 증류(Distillation): 끓는점이 다른 액체 혼합물 분리 * 원리: 끓는점 차이를 이용한 기화 → 응축 * 예: 에탄올-물 혼합물 분리

▫ 단순 증류 — 끓는점 차이가 큰 액체 ▫ 분별 증류 — 끓는점 차이가 작은 액체

4. 크로마토그래피(Chromatography):

복잡한 혼합물, 색소 등 미량 물질 분리 * 원리: 이동상과 고정상에 대한 친화도 차이 * 예: 잉크 색소 분리, 혈액 성분 분석

5. 분별 결정(Fractional crystallization):

고체가 여러 성분 섞인 혼합물 * 원리: 용해도의 차이 * 예: 다른 온도에서 잘 녹는 두 고체 분리

6. 자력 분리(Magnetic separation): 자성을 띠는 성분 포함 혼합물 * 예: 철가루와 모래 분리

7. 침전 및 상층액 decantation: 고체와 액체 * 원리: 밀도 차이로 가라앉은 고체와 상층액 분리* 예: 흙탕물 가라앉힌 뒤 윗물 따라내기

8. 원심 분리(Centrifugation):

밀도 차이가 작아 침전이 어려운 경우 * 원리: 회전력으로 빠른 분리 * 예: 혈액 성분 분리

9. 체거름(입자별 분리): 고체 혼합물 * 원리: 입자 크기 차이 * 예: 곡식에서 돌, 먼지 제거

▪ 혼합물의 분리 선택 기준

| 고체 + 액체 | 여과, 증발, 원심 분리 |

| 액체 + 액체 | 증류, 분별 증류, 분액 깔때기(밀도 차이) |

| 고체 + 고체 | 자력 분리, 체거름, 분별 결정 | 174

양성자와 전자수가 같지만 중성자수가 다른 것을 동위원소라고 한다. 화학적으로는 비슷하지만 물리적으로는 다를 수있는데 대표적인 것이 탄소다. 99%의 탄소는 중성자가 6이고 양성자와 전자도 6이지만 중성자가 7인 경우가 1%에 가깝고 극히 적은 중성자가 8인 동위원소는 방사선을 방출한다. 방사선은 헬륨원자핵이 광속의 5%로 날라가는 알파선, 전자가 광속의 90%으로 이동하는 베타선, 그리고 광속인 전자기파가 감마선이다. 이를 통해 중성자가 감소하는 현상을 이용하는 것이 연대측정법이다.

식물은 대기에서 이산화탄소를 흡수하여 광합성에 사용한다. 그래서 생존중에는 대기중의 탄소동위원소의 비율이 유지되지만 죽으면 중성자가 8인 동위원소의 비율이 감소하게 된다. 반감기는 5730년이기에 어떤 유적의 목재가 동위원소의 비율이 절반이라면 그 유적은 5730년전에 건설되었다고 추정할 수있다. 만약 1/4라면 반감기가 두번 지났기에 11,460년전이라는 합리적 추론이 가능하다. 물론 대기중의 탄소비율이 변경될 수있기에 다소 증감해야 한다. 탄소의 중성자는 양성자와 전자로 분리되어 전자는 방사선으로 방출되고 탄소는 양성자의 추가로 원자번호 7인 질소가 된다. 180

중화반응을 활용한 탈취 방법은 냄새의 원인이 되는 산성·염기성 물질을 반대 성질의 물질로 중화하여 무취(혹은 약한 냄새의) 염을 만드는 원리다. 매우 실용적이고 과학적으로도 정확한 방법이다.

1. 산성 냄새 → 염기로 중화; 악취가 산성 성분일 때(식초 냄새, 상한 음식 산패 냄새)→ 염기를 사용해 중화

* 식초 냄새 제거 → 베이킹소다(NaHCO₃) 사용

* 음식물 쓰레기 산성 악취 제거 → 베이킹소다를 솔솔 뿌리면 제거

* 신 발 냄새(젖은 신발 속 지방산) 제거 → 베이킹소다 뿌리기

**원리: 산(acid) + 염기(base) → 염(salt) + 물 + (경우에 따라 CO₂)→ 냄새가 중성화

2. 염기성 냄새 → 산으로 중화; 악취가 염기성 성분일 때(암모니아 냄새, 소변 냄새)→ 약산을 사용해 중화

* 암모니아 냄새 제거 → 식초(초산), 레몬즙(시트르산) 사용

* 반려동물 소변 냄새 → 식초 물을 뿌려 산성으로 중화

* 화장실 염기성 냄새 → 희석한 식초로 청소

**원리: 염기(base) + 산(acid) → 염(salt) + 물→ 암모늄염으로 바뀌며 악취 감소

🌱 자주 사용하는 중화 탈취제 정리

| 냄새 종류 | 성질 | 사용해야 할 물질 | 예시 |

| 식초, 상한 음식 신 냄새 | 산성 | 염기 | 베이킹소다 · 탄산수소나트륨 |

| 발냄새(지방산) | 산성 | 염기 | 베이킹소다 파우더 |

| 암모니아 냄새 | 염기성 | 산 | 식초, 레몬즙, 구연산 |

| 소변 냄새 | 염기성 | 산 | 식초물 스프레이 |

🧪 중화반응 탈취의 장점

* 화학적 반응으로 악취 물질 자체를 제거

* 향으로 덮는 탈취제가 아니라 근본적 제거

* 가정에서 쉽게 적용 가능

⚠️ 주의할 점

* 강산·강염기를 사용하면 위험하므로 약산(식초), 약염기(베이킹소다)만 사용해야 함

* 표면에 따라 부식 가능성 있으므로 천이나 금속은 테스트 필요

* 혼합하면 안 되는 예: 식초 + 표백제(염소가스 발생) 절대 금지 206

극성(Polar) 용매·용질과 비극성(Non-polar) 용매·용질은 분자의 극성 여부에 따라 구분되며, 이로 인해 용해도(섞임성)가 결정된다. 핵심 원리는 “유사한 것끼리 잘 섞인다(Like dissolves like)”다.

1. 극성 용매 (Polar Solvent); 전하가 불균일하게 분포 → 쌍극자 모멘트가 큼 * 수소 결합 또는 이온과 강하게 상호작용 * 높은 유전율(전하 분리를 잘 유지)

* 물(H₂O) * 에탄올(EtOH) * 메탄올 * 아세톤 * 아세토니트릴

2. 비극성 용매 (Non-polar Solvent); 전하 분포가 균일 → 쌍극자 모멘트 매우 작거나 0 * 분자 간 상호작용은 주로 London 분산력 * 유전율 낮음

* 헥산 * 벤젠 * 톨루엔 * 에테르(약한 극성 또는 거의 비극성 취급되기도 함) * 클로로포름(약한 극성)

3. 극성 용질 (Polar Solute); 전하 분리가 존재 * 이온성 또는 강한 수소 결합 가능 * 극성 용매에 잘 녹음

* 소금(NaCl) * 설탕(수당류) * 알코올류 * 아미노산

4. 비극성 용질 (Non-polar Solute); 전하가 거의 없음 * 주로 탄화수소 계열 * 비극성 용매에 잘 녹음

* 지방(오일) * 파라핀 * 휘발유 성분(알케인류) * 테레핀유

5. 용해도 원리: Like dissolves like

* 극성 용매 ↔ 극성 용질 잘 녹음; ✔ 물 + 소금 ✔ 물 + 알코올

* 비극성 용매 ↔ 비극성 용질 잘 녹음; ✔ 헥산 + 기름 ✔ 벤젠 + 왁스

* 극성과 비극성이 서로 섞이기 어려움; ✘ 물 + 기름 216

끓는점 오름(boiling point elevation)과 어는점 내림(freezing point depression)은 용액의 콜리게이티브 성질(colligative properties) 중 두 가지로, 용질 입자의 수에 의해 결정되는 성질이다. 용질의 종류(화학적 성질)보다는 얼마나 많은 입자가 존재하는지가 핵심이다.

1. 끓는점 오름 (Boiling Point Elevation); 용매에 비휘발성 용질을 넣으면 끓는점이 상승.

예) 순수한 물의 끓는점: 100 °C → 소금을 넣은 물의 끓는점: 100 °C보다 약간 높음

✔ 이유; 용질이 존재하면 용매 분자가 기체로 탈출하기 어렵기 때문에, 기체압(증기압)이 낮아지고 끓기 위해 더 높은 온도가 필요.

✔ 공식; 끓는점 상승값 = 용매의 끓는점 상승 상수 * 몰랄농도 * 반트호프 계수(용질이 용액에서 나뉘는 입자 수 예) NaCl → Na⁺ + Cl⁻ → i = 2)

2. 어는점 내림 (Freezing Point Depression); 용매에 용질을 넣으면 어는점이 하락

예) 순수한 물의 어는점: 0 °C→ 소금이 녹아 있는 바닷물의 어는점: 0 °C보다 낮음→ 도로에 뿌리는 염화칼슘이 눈을 녹이는 원리

✔ 이유; 용질이 존재하면 고체(결정)가 만들어지기 어려워져 얼기 위해 더 낮은 온도가 필요합니다.

✔ 공식; 어는점 하강값 = 용매의 어는점 하강 상수 * 몰랄농도 * 반트호프 계수

삼투압(osmosis pressure)은 콜리게이티브 성질 중 하나로, 반투막을 사이에 둔 두 용액의 농도 차이 때문에 발생하는 압력이다. 삼투압은 용질의 종류가 아니라 용질 입자의 수에 의해 결정된다.

1. 삼투현상(Osmosis)란? 반투막(용매는 통과 O, 용질은 통과 X)을 사이에 두고 농도가 낮은 쪽(묽은 용액) → 농도가 높은 쪽(진한 용액) 으로 용매가 이동하는 현상.

예) 생리식염수보다 진한 용액에 세포를 넣으면 → 세포가 쪼그라듦 왜냐하면 물이 밖으로 빠져나가 농도를 맞추려 하기 때문.

2. 삼투압(Osmotic Pressure)이란? 묽은 용액에서 진한 용액으로 물이 계속 이동하려고 하는데, 이 움직임을 막기 위해 필요한 최소 압력이 바로 삼투압. 즉, “용매가 넘어오지 못하게 막기 위해 필요한 압력”.

3. 삼투압 공식; 삼투압 = 반트호프 계수 * 몰농도 * 기체상수(0.08206 L·atm·mol⁻¹·K⁻¹) * 절대온도(K)

삼투압은 온도에 비례함 → 따뜻할수록 삼투압 ↑

4. 실생활 예시

✔ 병원에서 쓰는 생리식염수(0.9% NaCl); 혈액과 삼투압이 같도록 만들어져서 피가 터지거나 쪼그라들지 않음.

✔ 식물의 뿌리가 물을 흡수하는 원리; 뿌리 세포 내부 용액 농도가 높아서 토양의 물이 뿌리 쪽으로 들어감.

✔ 짠 음식 먹은 후 입이 마른 이유; 혈액 삼투압 증가 → 세포에서 물이 빠져나감. 220

사람 힘으로 작동하는 역삼투압(RO) 정수기는 수량이 작아 비상용으로만 적합하다. 역삼투압은 삼투압 이상(약 50~100 psi, 3.5~7 bar 수준)의 압력이 필요하므로 사람이 직접 힘을 제공하려면 아래 방식들만 현실적으로 가능하기 때문이다.

(A) “수동 펌프(Hand Pump) + 소형 RO 멤브레인”; 캠핑/생존용으로 존재하는 방식.

* 자전거 펌프처럼 손으로 압력을 누적

* 물을 RO 멤브레인으로 통과시킴

* 정수는 아주 느리게 생산됨(수분 보급용 최소량 수준)

* 폐수는 따로 배출됨

➡ 실제 생존용 제품도 존재하지만, 유량이 매우 낮고 음용 최소량만 확보 가능한 수준.

(B) “풋펌프(foot pump)” 방식; 손보다 힘 전달이 쉬워 지속적인 고압 유지에 유리.

* 카약, 구명보트에 쓰는 풋펌프 형태

* 발로 꾸준히 밟아 압력을 50~100psi까지 압축

* RO 멤브레인을 통과하는 유량 증가

* 폐수와 정수 분리

➡ 인력만으로 소형 정수기 정도는 가능하지만, 가정용 RO 수준의 유량은 거의 불가능.

(C) “레버 방식(Lever-press)”; 레버를 길게 해 힘을 기계적으로 증폭시키는 방식.

* 사람이 작게 힘을 줘도 큰 압력이 구현됨

* 소형 RO 모듈과 조합하면 효율적

* 구조가 단순하지만 압력 용기의 안전성이 매우 중요

➡ 원리적으로 가능하나, 고압 용기 안전 문제로 일반인이 직접 제작하기 어려움.

✅.인력식 RO 정수기의 실제 구조(개념도); (원수) → 전처리 필터(침전/활성탄) → 수동 고압 펌프(손/발/레버) → RO 멤브레인 → (정수) 소형 저장 백/출수구 → (폐수) 배출 라인

# 필요한 핵심 부품

1. 전처리 필터(침전 + 활성탄); RO 멤브레인 막힘을 방지

2. 인력 기반 고압 펌프; * 수동 펌프(hand pump) * 풋펌프 * 레버 압축 펌프

3. 소형 RO 멤브레인(주로 50GPD 이하)

4. 폐수 분리 유량제어기(Flow restrictor)

5. 정수 저장 백(저압)

✅ 인력식 RO 정수기의 실제 성능 한계

✔ 유량(출수량)이 매우 낮음; * 1분 펌핑 → 수 ml 수준 * 10~20분 지속 펌핑 → 100~200ml 수준 대부분 “비상 상황용”으로만 적합

✔ 지속적인 펌핑 필요; RO는 자연적으로 물이 잘 안 지나가기 때문에 꾸준한 압력 유지가 필요

✔ 폐수 비율이 큼; 1:3~1:6 정도로 폐수가 많이 나옴(물 1L 정수하려면 3~6L 폐수가 생김)

✔ 고압 위험; * 잘못된 용기·튜브·피팅 사용 시 누수 또는 파열 위험 * 전문 장비 수준의 압력 관리가 필요

✅ 왜 “완전 자작”은 권장하지 않을까?

* 50~100psi는 일반적인 플라스틱 병이나 임의 제작 용기에서 파열 위험이 높음

* 부적절한 소독·위생 관리 시 바이오필름 형성 → 오염된 물 생성

* 배관·피팅 규격이 맞지 않으면 누수 또는 갑작스러운 파손

* 음용수 안전 문제 (정수 실패 시 건강 위험) 222

콜로이드(colloid)는 입자 크기가 분자보다 크고, 눈에 보이는 입자보다 작은 중간 크기의 입자가 어떤 매질(물, 공기 등)에 균일하게 분산된 혼합물을 말한다.

# 콜로이드의 입자 크기; 약 1 nm ~ 1000 nm(1 μm) 정도

* 이 범위의 입자는 분자처럼 완전히 용해되지도, 모래처럼 가라앉지도 않음 → 중간 상태로 떠다니며 안정하게 분산됨

# 콜로이드의 특징

1) 티yndall(틴달) 효과; 빛을 비추면 빛이 산란되어 광선이 보이는 현상, 공기 중의 먼지, 우유 등이 대표 예

2) 침전되지 않고 오래 안정; 입자가 작고 브라운 운동 때문에 아래로 가라앉지 않음

3) 반투막은 통과하지 못함; 용액과 콜로이드를 구분하는 중요한 특징 → 콜로이드는 삼투압이 거의 없거나 매우 낮음

4) 응집(coagulation) 가능; 전해질을 넣으면 전하가 중화되어 입자들이 뭉쳐 침전될 수 있음(수처리에서 널리 이용)

# 콜로이드의 종류(분산매질 기준)

| 고체 속 액체 | 젤리, 치즈 |

| 액체 속 고체 | 페인트, 잉크 |

| 액체 속 액체 | 우유, 마요네즈(유화) |

| 기체 속 액체 | 안개, 에어로졸 |

| 기체 속 고체 | 연기 |

# 일상적인 콜로이드 예시

* 우유 (지방 구형 입자 + 물)

* 마요네즈 (유화된 기름)

* 한천젤 (고체 속 액체 분산)

* 잉크 (고체 미립자 + 액체)

* 스모그 (고체 + 기체)

* 버터 (물 + 지방의 반고체 콜로이드)

# 콜로이드와 용액·현탁액의 비교

| 구분 | 용액 | 콜로이드 | 현탁액 |

| 입자 크기 | < 1 nm | 1–1000 nm | > 1 μm |

| 눈으로 보임? | 안 보임 | 안 보임 | 보임 |

| 침전? | X | 거의 X | O |

| 반투막 통과? | O | X | X | 223

산화환원(氧化還元, Redox Reaction)은 물질 사이에서 전자가 이동하는 반응을 말한다. 어떤 물질이 전자를 잃으면 산화, 전자를 얻으면 환원이 일어난다.

1. 산화(oxidation)와 환원(reduction)의 기본 개념

✔ 산화(Oxidation); 전자를 잃는 것 (e⁻ Loss), 산소를 얻거나, 수소를 잃는 과정으로 나타날 수도 있음

예: Fe > Fe^2+ + 2e^- → 철(Fe)이 전자를 잃어 산화됨

✔ 환원(Reduction); 전자를 얻는 것 (e⁻ Gain), 산소를 잃거나, 수소를 얻는 과정으로 표현될 수도 있음

예: Cu^2+ + 2e^- > Cu → 구리 이온이 전자를 얻어 환원됨

2. 산화와 환원은 항상 “쌍으로” 일어난다; 전자는 사라지지 않으므로 한 물질이 전자를 잃으면 → 다른 물질이 반드시 그 전자를 받아야 한다. 즉, 산화 환원은 동시에 일어나는 짝 반응이다.

3. 산화제(oxidizing agent)와 환원제(reducing agent)

| 산화제 | 다른 물질을 산화시키면서 자신은 환원됨 | O₂, Cl₂, KMnO₄, H₂O₂ |

| 환원제 | 다른 물질을 환원시키면서 자신은 산화됨 | H₂, CO, 금속 Na/Fe, Zn |

4. 산화수(oxidation number)로 산화환원 판단하기; 산화수 증가 → 산화, 산화수 감소 → 환원

예: Fe^2+ > Fe^3+ 산화수 증가(+2 → +3) → 산화

NO_3^- > NO 산화수 감소(+5 → +2) → 환원

5. 일상 속 산화환원 예시

* 철의 녹(Fe → Fe₂O₃) → 산화

* 과산화수소 소독(산화력이 강함)

* 배터리 작동(전자가 이동함)

* 세포 호흡(포도당 산화, 산소 환원)

* 연소 반응(산화 반응) 228

손난로는 종류에 따라 발열 방식이 다르다. 크게 일회용(화학식) 손난로, 금속 촉매식 손난로, 겔/팽창식(슈퍼쿨링) 손난로 세 가지가 있다.

1. 일회용 손난로(화학 반응식); 마트에서 파는 흔드는 손난로가 이 종류.

✔ 원리: 철가루의 산화(녹는 반응)가 열을 냄; 이 반응은 서서히 열을 내며 40~60℃ 정도로 유지.

손난로 속에는 철가루(Fe), 소금(NaCl) – 촉매 역할, 활성탄 – 열 분산, 물, 흡수성 물질(펄프류) 등이 들어 있다. 공기가 들어가면 철이 산소와 반응하는 산화반응(발열 반응)이 일어난다.

4Fe + 3O_2 > 2Fe_2O_3 + 열

✔ 특징; 8~12시간 지속, 일회용, 가격 저렴, 물이나 전기가 필요 없음

2. 금속 촉매식 손난로(라이터로 점화하는 타입); 백금촉매 손난로라고도 불림. 연소보다 온도가 낮고 매우 안정적.

✔ 원리: 백금 촉매 표면에서 ‘가솔린 증기 산화’가 일어나 열 발생

내부에 라이터 연료(나프타, 고도 휘발유류)를 넣고 백금촉매가 있는 헤드를 살짝 달아 주면 “연소가 아니라 촉매 산화반응”이 일어난다. 즉, 불을 내는 게 아니라 백금 표면에서 산소와 나프타 증기가 만나 묵직하게 산화되는 반응.

✔ 특징; 매우 따뜻함 (60℃ 이상 가능), 12~24시간 이상 지속, 연료 충전식, 산소 공급 필요(봉투에 구멍 있음)

3. 겔/슈퍼쿨링 손난로(금속 디스크 클릭하는 타입); 투명 젤이 들어 있고 금속판을 ‘딱’ 누르면 뜨거워지는 제품.

✔ 원리: 초과냉각된 초포화 용액의 ‘결정화 발열’

속엔 초포화 상태의 아세트산나트륨(NaCH₃COO) 용액이 들어 있다. 평소엔 액체 상태로 안정되지만, 금속판을 누르면 작은 충격 → 결정이 만들어짐 → 순식간에 결정화가 퍼지며 발열.

NaCH_3 + COO(aq) > NaCH}_3 + COO(s) + 열

✔ 특징; 즉시 발열, 50~55℃ 정도, 재사용 가능(끓여서 다시 녹이면 초기화됨), 열 지속 시간은 짧음(20–60분)

# 세 방식 비교

| 종류 | 발열 원리 | 온도 | 지속 시간 | 재사용 |

| 일회용 화학식 | 철의 산화 | 40~60℃ | 8~12h | X |

| 촉매식(백금) | 나프타 촉매 산화 | 50~70℃ | 12~24h | O |

| 겔/슈퍼쿨링식 | 초포화 용액 결정화 | 50~55℃ | 20–60min | O |

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Chapter 01 물리학편 - 역학·열역학

Introduction 물리학의 기본이 되는 역학

01 등속 직선 운동 02 등가속도 직선 운동 03 포물선 운동 04 힘의 균형

05 수압과 부력 06 강체의 균형 07 운동 방정식 08 공기 저항과 종단 속도

09 일과 역학적 에너지 10 역학적 에너지 보존 법칙 11 운동량과 충격량 12 운동량 보존 법칙

13 두 물체의 충돌 14 원운동 15 관성력(원심력) 16 단순조화 운동

17 단진자 18 케플러의 행성 운동 법칙 19 만유인력의 운동 20 온도와 열

21 열의 이동 22 열팽창 23 보일-샤를의 법칙 24 기체 분자 운동

25 열역학 제1법칙 26 열기관과 열효율

Column 공포를 느끼게 하는 원인은 원심력

Chapter 02 물리편 - 파동

Introduction 소리와 빛도 파동의 일부

01 파동의 표현 방법 02 종파와 횡파 03 파동의 중첩 04 파동의 반사, 굴절, 회절

05 파동의 간섭 06 음파 07 현, 관, 기의 진동 08 도플러 효과

09 빛 10 렌즈의 결상 11 빛의 간섭

Column 다이너마이트나 번개도 충격파와 관련이 있음 Column 헬륨 기체를 마시면 목소리가 높아지는 이유

Chapter 03 물리학편 - 전자기학

Introduction 수학을 배우지 않은 패러데이

01 정전기 02 전기장과 전위 03 전기장 속의 도체와 절연체 04 콘덴서

05 직류 회로 06 전기 에너지 07 키르히호프의 법칙 08 비선형 저항

09 전류가 만드는 자기장 10 전류가 자기장에서 받는 힘 11 전자기 유도 12 자기 유도와 상호 유도

13 교류 발생 14 교류 회로 15 변압기와 교류 송전 16 전자기파

Column 주파수 변환

Chapter 04 물리학편 - 양자역학

Introduction 보이지 않는 세계를 탐구함

01 음극선 02 광전 효과 03 콤프턴 효과 04 입자의 파동성

05 원자 모형 06 원자핵의 붕괴 07 원자핵의 분열과 융합

Column 두께 측정

Chapter 05 화학편 - 이론 화학

Introduction 화학 학습의 시작은 이론 화학 화학 계산의 기본 사고방식

01 혼합물의 분리 02 원소 03 원자의 구조 04 방사성 동위원소

05 전자 배치 06 이온 07 원소의 주기율 08 이온 결정

09 분자 10 분자 결정 11 공유 결합 결정 12 금속 결정

13 물질량 ① 14 물질량 ② 15 화학 반응식과 양적 관계 16 산과 염기

17 중화 반응 18 상태 변화와 열 19 기액 평형과 증기압 20 기체의 상태 방정식

21 돌턴의 분압 법칙 22 용해 평형과 용해도 23 농도의 환산 24 끓는점 오름과 어는점 내림

25 삼투압 26 콜로이드 용액 27 열화학 방정식 28 산화 환원 반응

29 금속의 산화 환원 반응 30 전지 31 전기 분해 32 반응 속도

33 화학 평형 34 전리 평형

Column 유성 잉크를 지우는 가장 좋은 방법은? Column 도로 결빙 방지

Chapter 06 화학편 - 무기 화학

Introduction 생물과 무관한 물질 무기 화합물을 이해하는 핵심

01 비금속 원소 ① 02 비금속 원소 ② 03 비금속 원소 ③ 04 금속 원소 ①

05 금속 원소 ② 06 금속 원소 ③ 07 화학 물질의 보존 방법 08 무기 공업 화학 ①

09 무기 공업 화학 ② 10 무기 공업 화학 ③ 11 무기 공업 화학 ④ 12 무기 공업 화학 ⑤ 13 무기 공업 화학 ⑥

Column 유독성 기체의 이용 Column 미래의 에너지원으로 기대되는 메테인 하이드레이트

Chapter 07 화학편 - 유기 화학

Introduction 유기 화합물이란 탄소를 중심으로 구성된 물질

01 유기 화합물의 분류 및 분석 02 지방족 탄화수소 03 알코올과 에터 04 알데하이드와 케톤

05 카복실산 06 에스터 07 유지와 비누 08 방향족 탄화수소

09 페놀류 10 방향족 카복실산 ① 11 방향족 카복실산 ② 12 유기 화합물의 분리 13 질소를 포함한 방향족 화합물