화학반응
1. 화학반응과 에너지
(1) 반응열
[1] 반응열
① 엔탈피 변화 ( )
각 물질이 지니고 있는 고유한 에너지를 엔탈피( = 열함량 )이라고 하며 기호 H로 나타낸다. 이 때 화학반응에 수반되는 엔탈피 변화 는 다음과 같이 정의한다.
= 생성물질의 총 엔탈피 - 반응물질의 총 엔탈피
물질의 엔탈피는 온도와 압력 등의 조건에 따라서 달라지므로 역시 조건에 따라 그 값이 달라진다. ∴ 를 논의할 때는 보통 1기압 25℃에서의 값을 기준으로 정하고 사용한다.
② 반응열 (Q) : 화학반응이 일어날 때 흡수되거나 방출되는 에너지로 와는 크기는 같고 부호는 반대이다. Q = -
③ 열화학 반응식 : 화학반응식에 반응열을 함께 표시한 반응식. 같은 물질이라도 상태가 다르면 엔탈피 값이 달라지므로 열화학 반응식에서는 물질의 상태도 함께 표시해 주어야 한다.
예) 기체상태 ____, 액체상태 ____, 고체상태 ____, 수용액상태 ____
i) 발열반응 : 화학반응이 일어날 때 에너지를 _________하는 반응
반응이 진행될수록 온도가 ________
생성물질의 총 엔탈피 > 반응물질의 엔탈피 ∴ __ 0, Q __ 0
예 )
ii) 흡열반응 : 화학반응이 일어날 때 에너지를 __________하는 반응
반응이 진행된 수록 온도가 _________
생성물질의 총 엔탈피 < 반응물질의 엔탈피 ∴ __ 0, Q __ 0
예)
④ 발열반응과 흡열반응에서의 엔탈피 변화
⑤ 반응열의 종류
i) 연소열 : 어떤 물질 1몰이 연소할 때의 반응열
예) C ( 흑연 ) + O2 (g) CO2 (g), = -393.5kJ 에서
C ( 흑연 ) 의 연소열( ) = -393.5kJ
ii) 생성열 : 가장 안정한 상태의 홑원소물질로 부터 어떤 물질 1몰이 생성될 때의 반응열
iii) 분해열 : 어떤 물질 1몰이 가장 안정한 상태의 홑원소물질로 분해 될 때의 반응열
분해열은 생성열과 크기는 같고 부호는 반대이다.
iv) 중화열 : 산과 염기가 만나 H2O 1몰이 생성될 될 때의 반응열
중화반응의 알짜이온반응식은 산․염기의 종류에 관계없이 항상 로 일정하므로 중화열은 산․염기의 종류에 관계없이 로 일정하다.
v) 용해열 : 물질 1몰이 용매에 완전히 용해될 때의 반응열
2CO(g)+O2(g) 2CO2(g), = -570kJ의 반응에 대한 설명으로 틀린 것은?
i) 이 반응은 발열반응이다.
ii) CO2(g)의 생성열()은 -285kJ 이다.
iii) CO(g)의 연소열()은 -285kJ이다.
iv) 생성물이 반응물 보다 더 안정하다.
[2] 헤스의 법칙
① 헤스의 법칙 (총열량 불변의 법칙) - 화학반응에서의 반응열은 반응의 처음 상태와 마지막 상태가 같으면 반응경로에 관계없이 일정하다.
② 헤스의 법칙을 이용하면 열화학 반응식을 대수적( +, -, . )으로 처리하여 실험적으로 측정하기 어려운 반응열을 계산할 수 있다.
예) C ( 흑연 ) + O2 (g) CO2 (g) + 394kJ ․․․․․(가)와
CO (g) + O2 (g) CO2 (g) + 283kJ ․․․․․․(나)반응을 이용
C ( 흑연 ) + O2 (g) CO (g) ․․․․(다)의 반응열(Q)를 구하면?
다음 열화학반응식을 보고 흑연으로부터 다이아몬드를 만들 때의 값을 구하면?
C(다이아몬드) + O2(g) CO2(g) + 395.4kJ
C(흑연) + O2 CO2 (g) + 393.7 kJ
[3] 결합에너지와 반응열
① 결합에너지 : 두 원자간의 결합을 끊어 원자상태로 만드는데 필요한(=흡수되는) 에너지
원자가 결합을 형성할 때 방출하는 에
② 반응열() = 반응물의 결합에너지 합 - 생성물의 결합에너지 합
예) H2(g) + Cl2(g) 2 HCl (g)의
반응열() 계산
(가) = 반응물의 결합에너지 합
= ___________________________
(나) = 생성물의 결합에너지 합
= __________________________
∴ 반응열() = _____________ = _________
(2) 반응속도
[1] 반응속도
① 반응속도 = =
예) H2 (g) + I2 (g) 2HI (g) 에서
반응속도 v = = = 가 된다.
② 반응속도식 :
일정 온도에서 반응속도는 반응물질의 농도의 곱에 비례한다.
의 반응에서
반응속도 의 형태로 나타낼 수 있다.
이 때 k 는 반응속도상수로 농도와 무관하고 온도에 따라서만 변한다.
m, n은 반응차수로 반응식의 계수와 무관하며 실험을 통해서만 구할 수 있다.
이 반응은 A에 대해서는 m차, B에 대해서는 n차 반응이고
전체 반응차수는 m+n이다.
[A], [B] 는 각각 반응물질 A와 B의 농도를 나타낸다.
i) m값 구하기
B의 농도가 일정할 때 (실험 1, 2번 비교) 이 반응의 반응속도는 오로지 A농도에만 관계 있다. A의 농도가 2배 증가할 때 반응속도는 4배 증가
반응속도는 A 농도의 제곱에 비례 ∴ m = _______
ii) n값 구하기
마찬가지로 A의 농도가 일정할 때 (실험 __, __번 비교)
B의 농도가 2배 증가할 때 반응속도는 __배 증가
반응속도는 B 농도에 정비례 ∴ n = _______
iii) 그러므로 반응속도식 v = __________________
[2] 반응경로와 에너지
① 활성화 상태 : 반음물질이 생성물로 되는 과정에서는 에너지를 많이 가진 불안정한 상태인 활성화상태를 거쳐야 한다.
② 활성화 에너지( ) : 화학반응이 일어나기 위해 필요한 최소한의 에너지
= 반응물이 활성화물로 되는데 필요한 최소의 에너지
활성화 에너지가 클 수록 반응속도는 _________
③ 반응 메커니즘
i) 반응 메커니즘 : 대부분의 화학반응은 반응물에서 생성물로 될 때 한 단계 반응으로 일어나지 않고 몇 단계의 과정을 거치면서 일어나는데 이러한 일련의 과정을 반응 메커니즘이라고 한다.
예) 4HBr(g) + O2(g) 2H2O(g) + 2Br2(g)은 다음 단계를 거쳐 진행된다.
1단계 HBr(g) + O2(g) HOOBr(g) (느림)
2단계 HOOBr(g) + HBr(g) 2HOBr(g) (빠름)
3단계 2HOBr(g) + 2HBr(g) 2H2O(g) + 2Br2(g) (빠름)
ii) 반응속도 결정단계 : 반응메커니즘에서 가장 느린단계의 반응속도가 전체 반응속도를 결정하므로 전체 반응속도식은 속도결정단계의 속도식과 같다.위의 반응에서 반응속도 결정단계는 ______단계가 된다.
∴ 위의 반응에서 전체 반응속도식은?
[3] 반응속도에 영향을 주는 요인
① 충돌이론
화학반응이 일어나기 위해서는 다음의 3가지 조건이 필요하다.
i) 반응물들이 반드시 충돌하여야 한다.
ii) 반응이 일어나기 적합한 방향으로 충돌하여야 한다.
iii) 활성화에너지 이상의 충분한 에너지를 가지고 충돌하여야 한다.
② 반응속도에 영향을 주는 요인
i) 반응물질의 종류 : 일반적으로 이온간의 반응은 빠르고 공유결합물질간의 반응은 느리다.
ii) 농도 : 반응물질의 농도가 클수록 입자간의 충돌횟수가 증가하므로 속도가 증가한다.
iii) 압력 : 기체물질이 반응할 때 압력이 증가하면 부피가 감소하여 농도가 증가하므로 반응속도는 증가한다.
iv) 표면적 : 표면적을 크게 하면 접촉면적이 넓어져 충돌횟수가 증가하여 반응 속도는 증가한다. 같은 질량일 때 입자의 크기가 작아질수록 표면적은 _____________
v) 온도 : 온도를 높여주면 활성화 에너지 이상을 가지는 입자의 수가 증가되어 반응속도는 증가한다.
vi) 촉매 : 자신은 변하지 않고 반응이 진행될 때 ______________를 변화시켜 반응의 속도를 빠르게(정촉매) 또는 느리게(부촉매)하는 물질
2. 화학 평형
(1) 평형 상태
[1] 가역 반응과 비가역 반응
① 정반응과 역반응 : 화학반응식에서 왼쪽물질이 오른쪽물질로 변화는 반응을 정반응 오른쪽물질이 왼쪽물질로 바뀌는 반응을 역반응이라고 한다.
A + B 정반응
역반응
C
② 가역반응 : 반응조건에 따라 정반응이나 역반응이 모두 일어날 수 있는 반응
화학반응식에서는 를 써서 나타낸다.
HCl (g) + NH3 (g) 저온
고온
NH4Cl(s)
③ 비가역 반응 : 한 쪽 방향으로만 반응이 진행되는 반응 (정반응만 일어나고 역반응은 일어나지 않음)
i) 침전 생성 반응 : Ag+ (aq) + Cl- (aq) AgCl ()
ii) 기체 발생 반응 : Zn (s) + 2HCl(aq) ZnCl2(aq) + H2()
iii) 중화 반응 : HCl (aq) + NaOH(aq) NaCl (aq) + H2O (l)
[2] 화학 평형 상태
① 평형 상태 : 가역 반응에서 정반응의 속도(v1)와 역반응의 속도(v2)가 같아서 외관상으로 반응이 정지된 것처럼 보이는 상태
② 평형상태의 특징
i) 정반응의 속도와 역반응의 속도가 같다. v1 = v2
ii) 반응용기 속에는 반응물과 생성물이 각각 일정한 농도를 유지하며 함께 공존한다.
iii) 외관상 반응이 정지된 상태로 보이지만 실제로는 정반응과 역반응이 같은 속도로 계속 일어나고 있다. ==> ________________
③ 평형상수 K
aA (g) + bB (g) cC (g) + dD (g) 의 가역반응이 평형상태에 있을 때 반응물과 생성물의 농도는 일정하므로
K 는 항상 일정한 값을 가진다. 이 때 K를 평형상수라고 한다.
(단, [A]~[D]는 물질 A, B, C, D의 평형상태의 농도, a, b, c, d는 계수)
④ 평형상수 K의 성질
i) K 값은 농도와는 무관하며 _______에 따라서만 변한다.
ii) 고체나 용매 물질의 농도는 평형상수식에서 제외한다.
iii) K 값이 클수록 생성물질이 많아지는 반응이다.
iv) 반응계수가 달라지면 평형상수 값이 달라진다.
v) 역반응의 평형상수는 정반응의 평형상수의 역수이다.
CaCO3 (s) CaO (s) + CO2 (g) 에서 정반응의 평형상수식은?
N2 (g) + 3H2 (g) 2 NH3 ( g)에서 정반응의 평형상수 값이 100일 때
i) 역반응의 평형상수는?
ii) 의 평형상수는?
⑤ 모든 가역반응은 평형상태에 도달하기까지 반응이 진행된다. 그러므로 반응에 관여하는 물질의 농도를 평형상수식에 대입하여 얻어진 값(Q)을 평형상수(K)와 비교하면 반응의 진행방향을 판단할 수 있다.
예를 들어 aA + bB cC + dD의 반응에서
i) Q < K : Q 값이 K 값과 같아지려면 분모는 _______, 분자는 ________ 해야된다.
______반응이 우세하게 진행된다.
ii) Q = K 계속 평형상태를 유지한다.
iii) Q > K : Q 값이 K 값과 같아지려면 분모는 _______, 분자는 ________해야된다.
______반응이 우세하게 진행된다.
일정한 온도에서 1L들이 용기에 A, B, C 세 기체를 넣고 반응시키면서 시간에 농도의 변화를 조사하였더니 오른쪽 그림과 같은 결과가 나왔다.
i) 이 반응의 평형상수는?
ii) 또 같은 조건에 A,B,C를 각각 2몰씩 넣고 반응시키면 반응은 어느 방향으로 진행되겠는가?
(2) 평형 이동
[1] 화학평형의 이동
① 평형이동의 법칙 (르 샤틀리에의 원리)
가역반응이 평형상태에 있을 때 농도, 온도, 압력 등의 조건을 변화시키면 그 변화를 줄이려는 방향으로 평형이 이동하여 새로운 평형을 이루게 된다.
② 농도의 영향
i) 반응물 첨가 ==> 반응물을 감소시키는 방향으로 반응 진행 ==> ______________
ii) 생성물 첨가 ==> 생성물을 감소시키는 방향으로 반응 진행 ==> ______________
③ 온도의 영향
i) 온도를 낮추면 ==> 온도를 높이는 방향으로 반응 진행 ==> ___________________
ii) 온도를 높이면 ==> 온도를 낮추는 방향으로 반응 진행 ==> ___________________
==> 온도를 변화시키면 평형상수 값도 달라진다.
정반응 쪽으로 이동하면 평형상수값은 ______지고
역반응 쪽으로 이동하면 평형상수 값은 작아진다.
④ 압력의 영향
i) 압력을 낮추면 ==> 압력을 높이는 방향으로 반응 진행 ==> ____________________
ii) 압력을 높이면 ==> 압력을 낮추는 방향으로 반응 진행 ==> ___________________
==> 액체나 고체 물질은 압력의 영향을 받지 않는다.
⑤ 촉매의 영향
i) 촉매는 정반응과 역반응의 속도를 동시에 변화시키므로 평형을 이동시키지 않는다.
ii) 촉매는 반응물의 양이 일정한 경우에는 생성물의 양에도 영향을 주지 않는다.
2A (g) + 2B(s) 3C (g) + 100kJ 의 반응이 평형 상태에 있을 때 다음과 같이 조건을 변화시키면 반응은 어느 방향으로 진행되겠는가?
i) A 첨가 :
ii) C 제거 :
iii) 온도를 높임 :
v) 압력은 낮춤 :
■ 공통이온효과와 반응에 의한 평형의 이동
아세트산 수용액이 다음과 같이 이온화하여 평형상태에 있을 때
CH3COOH CH3COO- + H+
i) 공통이온효과
이 용액에 CH3COONa를 첨가하면 다음과 같이 이온화하여
CH3COONa CH3COO- + Na+
CH3COO- 이온의 농도가 _______한다. ∴ _______반응이 진행된다.
ii) 평형계에 존재하는 물질과의 반응에 의한 평형의 이동
위 용액에 NaOH 수용액을 첨가하면 NaOH가 이온화하여 생성된 OH-이온이 다음과 같이 반응하여 H+ + OH- H2O
H+ 이온의 농도가 _________한다. ∴ _______반응이 진행된다.
[2] 평형 이동의 응용
① 수소와 질소가 반응하여 암모니아를 만드는 아래의 반응에서
N2 (g) + 3H2 (g) 2 NH3 (g) ,
반응조건에 따른 암모니아의 수득률은 아래와 같이 변한다.
i) 반응물 보다 생성물의 기체의 몰수가 적으므로
압력이 높을 수록
==> 압력을 _______는 방향으로 반응진행
==> 기체분자수가 _______하는 반응 진행
∴ ____반응이 진행되어 수득률 __________
ii) 정반응이 발열 반응이므로
온도가 높을수록
==> 온도를 ________는 방향으로 반응 진행
==> _________ 반응이 진행
∴ ____반응이 진행되어 수득률 __________
② 촉매는 평형에 도달하는 속도만 변화시킬 뿐 수득률은 변화시키지 않는다.
3. 산과 염기의 반응
(1) 산과 염기의 정의
[1] 아레니우스의 산․염기
① 산 : 수용액에서 이온화하여를 내어 놓는 물질
예) HCl (aq) H+ (aq) + Cl- (aq)
② 염기 : 수용액에서 이온화하여 를 내어 놓는 물질
예) NaOH (aq) Na+ (aq) + OH- (aq)
③ 아레니우스 산․염기 개념의 한계 :
예) NH3 분자의 경우 물에 녹으면 분명 염기성을 나타내지만 분자안에 OH-이온이 없으므로 아레니우스의 산․염기개념으로는 염기가 될 수 없다.
[2] 브뢴스테드의 산․염기
① 산 : ( =양성자 )를 내어놓는 물질 (양성자 주게
② 염기 : 를 받아들이는 물질 (양성자 받게)
③ 산 염기의 반응에서 를 주고 받는 관계에서 짝산과 짝염기가 존재한다.
예) 위의 (가) 반응에서 HCl은 를 내놓고 Cl- 가 되었으므로 HCl은 Cl-의 짝산이 되고 Cl-는 HCl의 짝염기가 된다.
마찬가지로 H2O는 H3O+의 ________ , H3O+는 H2O의 ______ 이 된다.
다음 반응에서 짝산과 짝염기관계를 나타내어 보자
NH3 + HCl NH4+ + Cl-
④ 양쪽성물질 : (가), (나) 두 반응에서 물은 반응하는 물질에 따라 염기로도 작용하고 산으로도 작용하는데 이처럼 양성자를 줄 수도 있고 받을 수도 있는 물질을 양쪽성 물질이라고 한다.
(2) 산․염기의 세기
[1] 이온화도와 산․염기의 상대적 세기
① 산․염기의 세기는 양성자를 주는 경향과 받는 경향에 의존한다. 양성자를 주고 받는 경향이 클수록 강산․강염기가 된다.
② 이온화도 : 전해질이 용해되어 이온화 평형상태를 이루었을 때 용해된 전해질의 전체 몰수에 대한 이온화된 전해질의 몰수
0 α < 1
이온화도는 전해질의 농도가 묽을수록 온도가 높을수록 증가한다.
이온화도가 _____ 수록 강한 산, 강한 염기이다.
18℃에서 0.1 mol/L HA수용액의 이온화도는 0.6이다. HA가 다음과 같이 이온화 할 때 이 용액 1L 속에 존재하는 이온화하지 않은 HA분자의 몰수와 이온화하여 생긴 H+이온의 몰수는 각각 얼마인가? HA
[2] 이온화 상수와 산 염기의 세기
① 산과 염기가 물에 녹아 이온화하여 평형상태를 이루었을 때 구한 평형상수를 각각 산의 이온화상수() , 염기의 이온화상수()라고 한다.
산의 이온화상수()
염기의 이온화상수()
HA(aq) H+(aq) + A-(aq)
BOH(aq) B+(aq) + OH-(aq)
②,는 _______에 의해서만 변하고,가 클수록 ______ 산, 가 클수록_____ 염기다.
③ 이온화도와 이온화상수의 관계
예) HA의 농도가 C mol/L 이온화도가 일 때 산의 이온화상수를 구하면
HA H+ + A-
처음 농도 C 0 0
이온화한 농도
평형 농도
i) 0.05 일 때(강한 산일 때) ii) < 0.05 일 때(약한 산일 때)
= =
[3] 산․염기의 상대적 세기
① 어떤 산이 양성자를 내어놓는 경향이 크다는 것은 그의 짝염기가 양성자를 받는 경향이 작다는 것을 의미한다.
즉 강산의 짝염기는 ______염기가 되고 반대로 약산의 짝염기는 ______산이 된다.
② 강한 산과 강한 염기는 수용액에서 양성자를 잘 내거나 받고, 약한산과 약한 염기는 이러한 경향이 작으므로 산․염기 반응의 평형은 약한 산 약한 염기 쪽으로 치우친다.
다음은 어떤 온도에서 0.1M 인 두 산성 용액의 이온화 반응의 평형식과 이온화 상수 Ka를 나타낸 것이다.
(가) HCl + H2O H3O+ + Cl- , Ka = 9.8
(나) CH3COOH + H2O H3O+ + CH3COO- , Ka = 1.8×10-5
위의 자료를 보고, HCl, H3O+, CH3COOH를 산성이 강한 순서대로 나열하라.
[4] 산․염기의 가수
① 산의 가수 : 산 한 분자가 내어놓을 수 있는 H+의 수
예) 1가 산 : HCl, HNO3, CH3COOH, 2가 산 : H2SO4, 3가 산 : H3PO4
② 염기의 가수 : 염기 한 분자가 받아들일 수 있는 H+의 수
예) 1가 염기 NaOH, KOH, NH4OH, 2가 염기 Ca(OH)2, 3가 염기 : Fe(OH)3
③ 2가 이상 산 염기의 이온화 : n가 산은 n단계로 이온화하며 각 단계마다 이온화 상수를 구할 수 있다.
예) 황산 H2SO4의 이온화
1단계) H2SO4 H+ + HSO4-
2단계) HSO4- H+ + SO42-
전체반응)
1단계의 이온화상수 K1 =
2단계의 이온화상수 K2 =
전체 이온화상수 Ka = = _________
각 단계의 이온화에 있어서 이온화도 및 이온화 상수는 1단계가 가장 크고 단계가 올라 갈수록 작아진다.
(2)중화적정과 pH
[1] 물의 이온화 평형과 용액의 pH
① 물의 이온곱상수 ( Kw )
순수한 물은 극히 일부가 이온화하여 이온화 평형상태를 이룸
H2O H+ + OH-
이 반응의 평형상수를 물의 이온곱상수( Kw )라고 한다.
Kw = [H+]․[OH-]
② 물의 이온곱상수 Kw는 ______에 따라서만 변하며 순수한 물에 산이나 염기를 가하더라도 그 값이 변함이 없다. 25oC에서 물의 이온곱상수 값은
Kw = [H+]․[OH-] = 1.0 * 10-14(mol/L)2 이다.
순수한 중성인 물에 있어서 [H+]와 [OH-]는 같으므로 25oC에서
[H+] = [OH-] = = ___________mol/L 가 된다.
25oC에서 0.1M HA의 이온화도가 0.5라고 할 때 이 수용액 속의 [H+]와 [OH-]는 ?
[3] 중화적정
① 중화적정 : 농도를 미리 알고 있는 산 (염기) 용액을 이용하여 농도를 모르고 있는 염기(산) 과 중화반응을 시킬 때 사용된 부피를 측정하면
n1 M1 V1 = n2 M2 V2 관계를 이용하여 염기(산)의 농도를 알아낼 수 있다.
② 표준용액: 중화적정시 사용하는 농도를 정확히 알고 있는 산, 염기 용액
중화점 : 산의 H+몰수와 염기의 OH-몰수가 같아 완전 중화가 일어나는 점
당량점 : 지시약의 색 변화를 보고 중화점에 이른 것으로 인정하는 점
③ 중화적정 방법
예) 농도를 모르는 식초(산) 용액을 표준염기 용액으로 적정하는 경우
i) 피펫으로 일정한 부피의 산 용액을 취하여 삼각플라스크에 넣고 지시약을 몇 방울 가한다.
ii) 뷰렛에 표준염기 용액을 채워 눈금을 읽은 다음 이를 다시 산 용액에 조금씩 떨어뜨리면서 흔들어 준다.
iii) 혼합용액의 색깔이 변하는 순간을 종말점으로하고 적정을 끝낸 후 뷰렛의 눈금을 읽어 사용된 염기의 부피를 구한다.
I iv) n1 M1 V1 = n2 M2 V2 관계를 이용하여 산의 농도를 구한다.
④ 지시약 : 수용액의 pH에 따라 색이 변하는 물질로 종말점을 찾는데는 중화점의 pH가 지시약의 변색 범위에 포함되는 것을 사용해야 한다. 지시약 자체도 산 또는 염기이므로 중화적정시 지시약을 너무 많이 사용하면 안된다.
지시약
변색되는 pH 범위
페몰프탈레인(PP)
브롬티몰블루(BTB)
메틸오렌지(MO)
무색 8 ~ 10 붉은색
노랑 6 ~ 8 푸른색
빨강 3 ~ 4 노랑
⑤ 중화적정 곡선과 지시약의 선정
(3) 염과 염의 가수 분해
[1] 염의 생성과 그 종류
① 염 : 양이온( H+제외 )과 음이온( OH-제외 )이 결합하여 이루어진 화합물
염은 산․염기반응 이외의 다른 반응을 통해서도 생성된다.
② 염의 종류:
i) 산성염 : 산의 H+ 일부가 다른 양이온으로 치환되고 H+가 아직 남아 있는 염
예) NaHSO4, NaHCO3, NaH2PO4
ii) 염기성염 : 염기의 OH-일부가 다른 음이온으로 치환되고 OH-가 아직 남아 있는 염
예) Mg(OH)Cl
iii) 중성염 ( 정염 ) : H+나 OH-가 없는 염 예) NaCl, (NH4)2SO4
[2] 염의 가수 분해
① 염의 가수분해 : 염이 수용액에서 이온화할 때 생긴 이온의 일부가 물과 반응하여 H3O+나 OH-를 생성하는 반응
예) CH3COONa가 물에 녹을 때
CH3COONa CH3COO- + Na+
CH3COO- + H2O CH3COOH + OH-
[3] 염의 수용액과 액성
① 강한 산과 강한 염기로 된 염 : 가수 분해되지 않음
i) 정염 : 이온들이 물과 반응하지 않고 이온으로만 존재하므로 _______을 나타냄 예) NaCl(aq) Na+(aq) + Cl-(aq)
ii) 산성염 : 염 자체가 이온화하여 내는 H+ 때문에 _______을 나타냄
예) NaHSO4 Na+ + H+ + SO42-
iii) 염기성염 : 염 자체가 이온화하여 내는 OH- 때문에 __________을 나타냄
예) Ca(OH)Cl Ca2+ + OH- + Cl-
② 강한 산과 약한 염기로 된 염 :
염의 종류에 관계없이 모두 가수분해되어 ________을 나타냄
예) NH4Cl, (NH4)2SO4, NH4NO3, Mg(OH)Cl
③ 약한 산과 강한 염기로 된 염 :
염의 종류에 관계없이 모두 가수분해되어 __________을 나타냄
예) CH3COONa, Na2CO3, NaHCO3, KCN
④ 약한 산과 약한 염기로 된 염 : 가수 분해되고 액성은 대체로 중성이다.
예) CH3COONH4, (NH4)2CO3
4. 산화수와 산화환원 반응
(1) 산화수
[1] 산화수와 산화 환원
① 전자의 이동과 산화 환원
산화 : 전자를 잃는 것 , 환원 : 전자를 얻는 것
② 산화수
i) 전자의 이동을 설명하기 어려운 분자나 다원자이온의 반응에서는 산화수의 개념을 이용하여 산화와 환원반응을 설명한다.
다음 물질에서 밑줄 친 원자의 산화수를 구하라.
i) N2 ii) Fe2O3
iii) Cr2O72- iv) NO
v) NaClO3 vi) C2H5OH
ii) 산화수와 산화․환원
산화 : 산화수가 증가하는 반응 환원 : 산화수가 감소하는 반응
다음의 각 반응에서 산화된 원자와 환원된 원자를 찾으시오.
i) MnO2 + 4 HCl MnCl2 + 2 H2O + Cl2
ii) 2 HgCl2 + SnCl2 Hg2Cl2 + SnCl4
iii) Cu + 2 H2SO4 CuSO4 + 2 H2O + SO2
[2] 산화제와 환원제
① 산화제 : 자기 자신은 환원되면서 다른 물질을 산화시키는 물질
환원제 : 자기 자신은 산화되면서 다른 물질을 환원시키는 물질
② 산화․환원 반응식의 계수 맞추기
예) MnO4- + Sn2+ + H+ Mn2+ + Sn4+ + H2O 반응의 계수 맞추기
i) 산화수법
1) 산화수의변화를 조사하여 산화수 증가량과 산화수 감소량이 같아지도록 계수를 정한다.
(2) 화학전지
[1] 화학전지의 원리
① 화학전지 : 자발적인 산화․환원 반응을 이용하여 화학에너지를 전기에너지로 바꾸는 장치
② 전지의 구조
③ 볼타 전지
i) 전지식 :
ii) 반응
(-)극
(+)극
전체 반응
iii) 분극현상 : (+)극에서 발생한 H2 기체로 인하여 (+)극에서 H+의 환원반응이 방해받아 기전력이 떨어지는 현상
iv) 감극제 : (+)극에서 발생한 수소를 산화시켜 분극현상을 없애고 기전력을 일정하게 유지하기 위해서 넣어주는 물질 예) H2O2, MnO2, KMnO4
④ 다니엘 전지
i) 전지식 :
ii) 반응
(-)극
(+)극
전체 반응
iii) 염다리 : 두 전해질이 섞이지 않게 하면서 이온이 이동할 수 있도록 하는 장치
iv) 반쪽전지 : 어느 금속을 그 금속이온의 수용액에 담근 전지
[2] 실용전지
① 납 축전지
i) 전지식
ii) 반응
(-)극
(+)극
전체 반응
② 건전지
i) (-) Zn ꠐ NH4Cl (aq) ꠐ MnO2․C (+), Eo = 1.5 V
ii) 반응
(-)극 : Zn (s) Zn2+ (aq) + 2 e-
Zn2+(aq) + 4 NH4+ (aq) [Zn(NH3)4]2+ (aq) + 4 H+
(+)극 : 2 H+(aq) + 2 e- H2(g)
H2 (g) + 2 MnO2 (s) Mn2O3(s) + H2O (l)
[3] 전지의 기전력 측정
① 표준수소전극
전극의 산화․환원반응은 동시에 일어나기 때문에 하나의 반쪽전지의 전위(산화전위 또는 환원전위)를 따로 떼어 측정할 수 없으며 두 반쪽전지사이의 전위차이만 측정할 수 있다. 그러므로 반쪽전지의 전위를 결정하기 위해서는 오른쪽 그림과 같은 표준 수소전극을 기준으로 삼고 이것의 전극전위를 0으로 정한다.
2H+ (aq, 1M, 25℃) + 2e- H2(g, 1기압) Eo = 0.00V
② 표준환원전위 : 25℃, 1기압에서 전해질의 농도가 1M인 어떤 반쪽전지를 (+)극으로 표준수소전극을 (-)극으로 연결하여 만든 전지에서 얻어지는 전지의 기전력을 그 반쪽전지의 표준환원전위로 한다.
i) 표준환원전위가 클수록 환원되기 쉽다.
∴ _____극으로작용
ii) 금속의 이온화경향이 클수록 표준환원전위가 _______
iii) 반쪽반응의 계수가 달라져도 표준환원전위는 변하지 않는다.
예) Cu2+(aq) + 2e- Cu(s), Eo = +0.34V
2Cu2+(aq) + 4e- 2Cu(s), Eo = +0.34V
iv) 표준산화전위와는 크기는 같고 부호는 반대이다.
예) Cu(s) Cu2+(aq) + 2e-, Eo = -0.34V
오른쪽 전지의 반쪽전위는 다음과 같다.
Ag+ + e- Ag, Eo = + 0.80V
Cr3+ + 3e- Cr, Eo = - 0.74V
i) 두 금속 중 (+)극으로 작용하는 것은?
ii) 이 전지의 기전력은?
④ 기전력이 +값이면 반응은 자발적으로 일어나고 -값이면 역반응이 일어난다.
(3) 전기 분해
[3] 전기 분해의 원리
① 전기 분해 : 외부에서 전해질 용액에 전기에너지를 가하여 산화와 환원반응을 일으키는 것
음극 : 양이온이 _______됨
양극 : 음이온이 _______됨
② 용융된 NaCl의 전기 분해
음극 반응
양극 반응
③ 수용액에서의 전기 분해
수용액에서는 물 자체가 이온화하면서 나오는 H+ 나 OH-이온이 환원 및 산화하는 경우도 고려해야 한다.
i) 음극 ꋮ H+ 보다 환원이 잘되는 양이온 : Cu2+, Ag+(수소보다 반응성이 작은 금속의 이온) 등이 있으면 이들 이온이 환원하여 Cu와 Ag이 석촐됨
ꋮ H+ 환원반응 : 2 H+ + 2 e- H2 이 일어남
ii) 양극 ꋮ OH- 보다 환원이 잘 되는 음이온 : Cl-가 있으면 산화되어 Cl2 생성
ꋮ OH-의 환원반응 : 4 OH- 2 H2O + O2 + 4e-
④ NaCl 수용액의 전기 분해
음극 반응 :
양극 반응 :
⑤ CuSO4 수용액의 전기 분해
음극 반응 :
양극 반응 :
[2] 전기 분해의 법칙 (=패러데이의 법칙)
① 전기 분해시 석출되는 물질의 양은 가한 전하량에 비례한다.
전하량(C) = 전류(A) × 시간(초)
1C = 1A의 전류가 1초 동안 흐를 때의 전하량
② 1F ( = 96500 C )의 전하량을 가할 때 전자는 1몰이 이동한다.
CuSO4 수용액에 백금전극을 넣고5A의 전류를 16분 5초 동안 통해 주었다.
i) 석출되는 구리의 질량은 몇 g인가? (단 구리의 원자량은 64이다.)