단원 I. 우리 주변의 물질
1.물
물의 성질
(1) 물의 분포와 순환
1) 물의 분포 - 지구상에 존재하는 대부분의 물은 바닷물로 존재하고, 우리 생활에 밀접한 지하수, 호수 및 하천의 물은 1% 미만이다.
① 물의 존재 비율 : 바닷물의 약 97%, 극지방의 빙하와 얼음 약 2%, 지하수 약0.6%, 호수와 하천 약 0.01%, 대기 중의 물 약0.001%로 존재한다.
② 해수와 담수
ㆍ해수 : 염분이 있고, 해양생물의 생명의 근원이 된다.
ㆍ담수 : 해수 이외의 물로 염분이 거의 없으며 75%는 빙하나 극지방의 얼음으로 존재한다.
③ 물의 이용 : 생체의 성분, 식수, 생활 용수, 농업 용수,공업 용수
2) 물의 순환 - 물의 일부분은 태양열을 에너지원으로 사용하여 수증기로 증발한 후 대기 중에서 응축되어 비, 눈, 우박 등으로 지표면에 내린 다음, 바다와 호수로 되돌아간다.(p23 그림)
① 물의 3 태 : 물은 지구상에서 기체(수증기),액체(물),고체(얼음)의 세 가지 상태로 존재한다.
② 물의 순환과 에너지 : 물은 저위도에 복사되는 태양 에너지를 흡수하여 고위도 지방에서 방출 하므로 지구에너지 순환 과정과 관련된다.
(2) 물의 성분
1) 물의 전기분해
순수한 물은 전기를 통하지 않으므로 강전해질(묽은 황산, NaOH 등)을 물에 넣고 전류를 흘려주면 물이 수소와 산소로 분해된다.(p19)
① 전기분해의 원리 : 전해질 용액에 직류전기를 통하면 음이온은(+)극으로, 양이온은(-)극으로 이동하여 화학 변화(산화환원반응)가 일어난다.
② 물의 전기분해 반응
(-)극에서는 수소, (+)극에서는 산소 기체가
( : ) 의 부피비로 발생한다.
H2O →H+ + OH-
( - )극 : 4H+ + 4e- →2H2↑
( + )극 : 4OH- → O2↑+2H2O+4e-
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전체반응 :
※ 수소와 산소를 반응시켜서 수증기를 만들 때 그 부피비는? (p20 논의)
2) 물의 성분원소와 그 성질
① 수소 : 가장 가벼운 기체로, 공기 중에서ꡐ펑ꡑ소리를 내며 연소하는 가연성 기체로 연소열이 크다.
② 산소 : 공기 중의 20%를 차지하며 지각에서 가장 풍부한 원소로, 반응성이 매우 커서 대부분의 원소와 화합물을 만든다
(3) 물 분자의 모양과 극성
1) 물 분자의 형성 - 한 개의 산소원자와 두 개의 수소원자가 전자를 서로 공유하여 안정한 전
자배치가 되는 공유 결합이 이루어진다.
2) 물분자의 모양과 극성
① 물 분자의 모양 : 물분자에 존재하는 전자쌍 사이의 반발로 인하여 굽은 모양이 되며, 결합각 (∠HOH)은 104.5˚가 된다.
② 물 분자의 극성 : 물 분자에서 산소가 수소보다 공유 전자쌍을 끌어 당기는 힘(전기 음성도) 이 크므로 산소는 부분적으로 ( )전하를 띠고, 수소는 부분적으로 ( )전하를 띠게 된다. 따라서 물분자는 극성을 띠게 된다.
* 극성분자:
무극성분자:
③ 극성분자의 확인 : 뷰렛에 물을 넣고 가늘게 흘러내리게 한 후 대전된 막대나 풍선을 가까이 하면 물줄기가 휘어지게 된다.
④ 극성으로 인해 나타나는 물의 성질
㉠ 대전체를 갖다 대면 끌리며, 전기장내에서 회전한다.
․ 전자렌지에서 전자파에 의해 물이 회전운동을 하며 열을 전달.
㉡ 극성용매로 여러 종류의 이온성 물질이나 극성물질을 잘 녹인다.
․ 물로 빨래를 하면 옷에 묻은 때가 물에 녹아 나와 세탁이 가능하다.
․ 혈액에는 많은 물질이 용해되어 생체 내 물질 이동이 가능하다.
․ 여러 가지 영양분이 물에 용해된 상태로 섭취, 운반되며 노폐물도 물에 녹아 운반 배출된다.
(4) 수소 결합
플루오르(F), 산소(O), 질소(N)와 같이 전기 음성도가 큰 원자가 수소와 공유 결합한 극성분자에서 분자사이에 작용하는 강한 인력을 수소 결합이라고 한다.
예) H2O,HF, NH3,C2H5OH, CH3COOH, 녹말, 단백질 등
(5) 물의 여러 가지 특성(수소결합과 관련된)
1) 물의 녹는점과 끓는점 및 증발열
① 분자량과 녹는점, 끓는점 :
․일반적으로 무극성분자인 경우에는 ( )이 클수록 높아진다. (CH4 < SiH₄< GeH₄)
․분자량이 비슷한 경우 녹는점, 끓는점은 무극성 물질<극성 물질<수소결합물질
(HCl > F2, H2S > SiH₄)
② 물의 녹는점과 끓는점 : 물은 수소결합 때문에 분자 인력이
강하고 여러 개의 분자가 결합되어 있어서 분자량이 작은
데도 녹는점과 끓는점이 매우 높다.
따라서 자연 상태에서 고체나 액체로 존재하기가 쉽다.
③ 물의 증발열 : 물은 분자 사이의 인력이 강해서 다른 물질에 비해 증발열이 크다.
ㆍ더울 때 분비된 땀이 증발하면 체온을 효과적으로 낮출 수 있다.
ㆍ모닥불에 물을 뿌리면 물이 기화되므로 온도를 낮추게 되어 불이 꺼진다.
2) 물의 비열
① 물의 비열 : 물은 수소결합력 때문에 다른 액체나 금속에 비해 물의 비열(4.18J/gㆍ℃)은 매우 크다. 따라서 ( )가 적으므로 다음 여러 현상이 나타나는 원인이 된다.
ㆍ낮에는 바다가 ( )보다 서서히 가열되므로 바다에서 육지 쪽으로 바람이 불고( 풍)
밤에는 바람의 방향이 반대로 바뀐다.( 풍)
ㆍ사람의 체액은 주로 물로 되어있어서 체온이 쉽게 올라가거나 내려가지 않는다.
ㆍ해안지방은 내륙지방보다 일교차가 ( )다.
② 비열과 열용량 : 어떤 물질 1g 의 온도를 1℃높이는데 필요한 열량을 비열이라고 하며,
열용량은 어떤 물질의 온도를 1℃ 높이는데 필요한 열량으로서「비열 ×물질의 질량」이다.
일반적으로 물질의 흡수 또는 방출열량을 Q라 하면 Q = c․m․⊿t = H․⊿t
(문) 다음은 여러 금속의 비열이다. 같은 열을 가할 때 가장 온도가 많이 상승하는 것은?
(문) 0℃의 물 100g을 100℃로 올리는데 필요한 열량은?(단, 물의 비열은 4.18J/gㆍ℃ 이다.)
3) 물의 표면 장력과 모세관 현상
① 표면장력-액체 상태의 물질이 그 ( )을 최소화하기 위하여 당기는 힘을 말한다.
액체 내부의 분자들은 주위의 다른 분자들로부터 모든 방향의 인력을 받아 균형을 유지하지만
액체 표면의 분자는 표면의 다른 분자들과 내부의 분자들에 의해서만 인력을 받아 액체 내부
로 당겨지는 힘을 받게 되므로 표면적이 작아지려는 경향을 나타내며 일정량의 액체가 가장
작은 표면적을 가지는 형태는 ( 형)이므로 표면장력이 클수록 둥근 모양을 갖는다.(P29그림)
② 물은 분자간의 인력이 매우 크므로 다른 액체에 비해서 표면장력이 큰 편이어서 구형을 이루려고 한다. (※끓는점↑⇒ 인력↑⇒ 표면장력↑)
표면장력의 크기- 물>에탄올> 비눗물(계면활성제로 이용)
③ 물의 표면 장력으로 인해 나타나는 현상
나뭇잎 끝에 매달린 물방울의 둥근 모양. 소금쟁이가 물에 뜨고, 바늘이 물 위에 뜨는 현상.
④ 모세관 현상
단면의 크기가 매우 작은 관을 따라 액체가 올라오는 현상으로, 부착력과 응집력(표면 장력)이 반복되면서 액체가 높은 곳까지 올라가게 되는데 대개 표면장력이 클수록 모세관 현상이 잘 나타난다.
․ 나무의 뿌리에서 잎으로 물이 이동될 때 물관이라는 모세관을 따라 물이 올라온다.
․ 수건이나 휴지의 한쪽 끝을 물에 대면 물이 스며 올라온다.
4) 물의 상태변화와 밀도
① 물과 얼음의 밀도 : 일반적으로 고체는 액체보다 부피는 ( ) 밀도는 ( ).
그러나 물이 얼면 부피가 ( 고) 밀도가 ( )진다. 이것은 물이 얼어서 얼음으로 될 때 분자들이 수소 결합에 의해 규칙적으로 배열하여 빈 공간이 많이 생기는 구조로 되기 때문이다. 이러한 물의 특이한 성질로 인해 다음과 같은 현상이 나타난다.
ㆍ 빙산이 바다에 뜬다. ㆍ 암석 틈에 스며든 물이 얼면 암석이 쪼개지고 쉽게 풍화된다.
ㆍ 겨울에 호수나 강물이 표면부터 얼어 물 속 온도가 일정하게 유지되고 수중 생태계가 보호됨
② 물의 밀도 : 일반적으로 액체는 온도가 올라가면 분자 운동이 활발해져서 부피가 ( )하므로 밀도가 작아진다. 그런데 물의 경우 0~4℃사이에서는 온도가 올라갈 때 오히려 밀도가 커졌 다가 그 후에는 분자 운동에 의해 부피가 커지므로 물은 ( )℃일 때 밀도가 가장 크다.
(탐구) 온도에 따른 부피나 밀도 변화 그래프
>
* 화학반응 시-원자 사이의 결합( 결합)이 끊어짐
상태변화 시-분자 사이의 인력( 결합)이 변화됨
ꊲ 수용액에서의 반응
(1) 수용액
1) 용해와 수용액
용매에 용질이 녹아 들어가는 현상으로, 용매와 용질이 균일하게 섞이는 현상을 용해라고 하며 물을 용매로 하여 기체나 액체, 고체 용질이 녹아 들어가서 만들어진 용액을 수용액이라 한다.
용해
용질 + 용매 ⇄ 용액
석출
2) 용해의 원리
① 이온성 물질이나 극성 물질은 대개 물 속에서 수화(이온이나 <소금>
분자가 물분자로 둘러싸이는 현상) 되어 물에 잘 녹는다.
예) 이온성물질-염화나트륨(NaCl), 황산칼륨(K2SO4) 등
극성물질-염화수소(HCl), 암모니아(NH3), 이산화황(SO2) 등
② 무극성 물질은 물에 잘 녹지 않고 무극성 용매인
사염화탄소나 벤젠에 녹는다.
예) 무극성물질-산소(O2), 질소(N2), 메탄(CH4) 등 <설탕>
(2) 앙금생성반응
1) 이온들 사이의 반응과 염의 생성
수용액 중에서 이온은 매우 빠르게 반응하여 염을 생성한다. 염은 양이온과 음이온으로 구성된 물질로 다음과 같이 여러 가지 반응으로 생성된다.
① 산과 염기의 중화 반응 : 예) H2SO₄+ NaOH→
② 염과 염의 반응 : 예) BaCl₂+ MgSO₄ →
③ 산과 금속의 반응 : 예) 2HCl +Fe →
④ 금속산화물과 산의 반응 : 예) CaO + 2HNO3 →
2) 물에 대한 염의 용해성
염은 양이온과 은이온이 정전기적 인력으로 결합되어 있는 물질로 대부분 물에 용해되지만, 물에 잘 녹지 않는 염도 있다. 염은 물에 대한 용해성을 기준으로 수용성 염과 불용성 염으로 구분한다.
① Na+, K+, NH4+, NO3- 가 포함된 염은 모두 물에 잘 녹는다.
② Ca2+, Ba2+, Ag+, SO42-, CO32-가 포함된 일부의 염은 물에 녹지 않고 앙금을 생성한다.
③ 할로겐화은 중에서 AgF만 물에 녹고, AgCl, AgBr, AgI는 물에 거의 녹지 않는다.
할로겐화은의 용해도 : AgF⋙AgCl(흰색↓)>AgBr(연노란색↓)>AgI(노란색↓)
④ K+, Ba2+, Ca2+,Na+, Mg2+를 제외한 금속의 황화물은 물에 거의 녹지 않는다.
ZnS(흰색↓), CuS, PbS, Ag2S(검은색↓), MnS(분홍색↓), CdS(노란색↓) 등
3) 알짜 이온 반응식
이온으로 이루어진 물질들 사이의 반응을 실제로 반응에 참여한 이온만으로 나타낸 반응식이다.
① 알짜 이온 :
② ( ) 이온 : 반응에 관여하지 않고 수용액 속에 그대로 존재하는 이온
③ 염화나트륨과 질산은의 앙금 생성 반응 -염화나트륨 수용액과 질산은 수용액을 혼합하면 흰색 의 염화은 앙금이 생성되는 반응이 일어난다.
화학 반응식 : NaCl(aq)+AgNO3(aq) → NaNO3(aq)+AgCl(s)
이온 반응식 : Na+(aq)+Cl-(aq) + Ag+(aq)+NO3-(aq) → AgCl(s) + Na+(aq) + NO3-(aq)
ㆍ알짜 이온 반응식 : Ag+(aq) + Cl-(aq) → AgCl(s)
ㆍ구경꾼이온:
ㆍ 알짜이온 :
<p32 탐구 결과>
탐구 결과 반응이 일어난 경우의 알짜이온반응식을 모두 쓰시오.
① Ag+(aq) + Cl-(aq) → AgCl(s) ②
4) 생활 속의 앙금생성반응
① 불량 화장품 속의 납 검출-황화이온(S2-)을 가하면 검은색 앙금(PbS) 생성
② 신장결석-소변에 의해 생성된 인산칼슘, 옥살산칼슘의 앙금이 주성분
예)콩(인산함유)과 치즈(칼슘함유)를 같이 먹을 때, 시금치 속의 옥살산에 의해 생성 가능.
③ 달걀 노른자에 은수저를 대면 황화은(Ag2S)이 생겨 검게 변색됨
(3) 산과 염기의 중화반응
1) 산과 염기의 성질
① 산 : 수용액에서 이온화하여 수소 이온(H+)을 내놓는 물질. 예)
ㆍ신맛이 나며, 수용액 상태에서 전류가 흐르는 전해질이다.
ㆍ푸른 리트머스 종이를 ( 색)으로 변색시킨다.
ㆍ여러 가지 금속과 반응하여 ( ) 기체를 발생시킨다.
ㆍ석회석이나 대리석과 반응하여 이산화탄소 기체를 발생시킨다.
② 염기 : 수용액에서 이온으로 나뉘어 수산화 이온(OH-)을 내놓는 물질이다. 예)
ㆍ쓴맛이 나며, 단백질을 녹이므로 손으로 만지면 미끈미끈하다.
ㆍ물에 녹는 염기는 전해질이므로 그 수용액에는 전류가 흐른다.
ㆍ붉은 리트머스 종이를 ( 색)으로 변색시킨다.
ㆍ페놀프탈레인 용액을 ( 색)으로 변화시킨다.
2) 중화 반응 - 산과 염기가 반응하여 물과 염을 생성하는 반응으로 중화열이 방출된다.
산 + 염기 → 물 + 염 + 열(중화열)
예) 염산(HCl)과 수산화나트륨(NaOH) 수용액이 반응하면 물과 염화나트륨이 생성된다.
반응식 : HCl + NaOH → NaCl + H2O
중화반응의 알짜 이온 반응식 : H++OH-→ H2O
(실제로 반응에 참여하는 산의 H+와 염기의 OH-로 꾸민 반응식)
3) 염의 액성
① 강산과 강염기로 된 염 : 중성 예) NaCl, KNO3, CaSO4, BaCl2
② 강산과 약염기로 된 염 : 산성 예) AlCl3, NH4NO3, MgSO4
③ 약산과 강염기로 된 염 : 염기성 예) K2CO3, NaHCO3, CHCOO3Na
4) 중화점 확인 방법
① 중화점-산과 염기가 완전히 반응하는 시점
② 지시약 - 중화반응이 일어나는 것을 알아보기 위해 넣어 주는 시약으로, 용액의 액성이 변함 에 따라 색깔이 예민하게 변한다.
③ 온도의 변화: 중화반응은 발열반응이므로 중화점에서 최고온도를 나타낸다.
④ 전류의 변화: 강산과 강염기의 중화반응일 때는 중화점에서 전류의 값이 가장 작다.
(전류의 세기 : 강산, 강염기>염>약산, 약염기)
(문) 10%의 염산 50mL에 10%의 수산화나트륨 용액을 가할 때 온도, 전류(전기전도도),
pH 및 각 이온수의 변화는?
5) 중화반응을 이용한 사례
① 벌레에 물리면 암모니아수를 바른다.
② 생선 비린내를 없애기 위해 레몬액을 뿌린다.(p40)
③ 신김치에 소다를 조금 넣으면 신맛을 줄일 수 있다.
④ 위산과다에 제산제를 복용한다.
⑤ 볏짚을 태운 재를 산성화된 토양에 뿌려 준다.
(4) 화학 반응식
1) 화학반응식 꾸미기
화학 반응식 -화학 반응에 관여하는 반응 물질과 생성 물질을 화학식으로 표시하여 나타낸 식
예) 메탄(CH4)이 완전 연소될 때의 반응
① 반응물질과 생성물질을 각각 화학식으로 나타낸다.
ㆍ반응물질: 메탄(CH4), 산소(O2) ㆍ생성물질: 이산화탄소(CO2), 물(H2O)
② 반응 물질을 왼쪽에, 생성물질을 오른쪽에 쓰고, 이들을 화살표로 연결한다.
CH₄+ O₂→ CO₂+ H2O
③ 화학식에 계수를 붙여 반응물질과 생성 물질의 원자 수가 같아지게 한다.
CH₄+ 2O₂→ CO₂+ 2H2O
④ 각 물질의 상태를 화학식 뒤에 괄호를 열어 기호로 나타낸다.
CH4(g) + 2O2(g) → CO2(g) + 2H2O(l)
(문) 다음 반응식의 계수를 맞추시오. CH3OH + O2 → CO2 + H2O
2) 화학 반응식에 담긴 정보
① 반응 물질과 생성 물질의 종류와 상태를 알 수 있다.
② 화학반응식의 계수비로부터 반응물질과 생성물질의 분자수의 비와 부피비를 알 수 있다.
계수의 비 = 분자 수의 비 = 부피의 비(기체일 때)
③ 각 물질들 사이의 질량 관계를 알 수 있다.
④ 화학에 관련된 여러 기본법칙을 알 수 있다.
⇒ 일정 성분비의 법칙, 질량 보존의 법칙, 기체 반응의 법칙, 아보가드로의 법칙
예) 2 H2(g) + O2(g) → 2H2O(g)
물질의 종류 및 상태
분자수의 비
부피의 비(기체)
질량비
※원자량-원자의 질량을 상대적으로 나타낸 값.
분자량-분자의 상대적 질량으로 원자량의 합.
문) 수소 10g을 모두 반응시킬 때 필요한 산소의 질량은?
수증기 20mL가 생성되려면 필요한 수소의 부피는?
문2) LPG의 주성분인 프로판(C3H8) 5L가 모두 연소할 때 필요한 산소의 부피와 이 때 생성되는
이산화탄소의 부피는? 또, 프로판 11g 이 모두 연소할 때 생성되는 물의 질량은?
ꊳ 물과 우리 생활
(1) 물의 정수 과정
1) 상수 처리 과정(p42)
우리가 마시는 물(상수)은 호수나 강 또는 저수지로부터 온다. 그런데, 이러한 물은 화학물질이나 병균으로 오염되어 있으므로 몇 단계의 물리적, 화학적 처리가 필요하다.
① 취수장 : 상수원으로부터 원수를 퍼 올린다.
② 침사지 : 원수에 함유된 흙과 모래 및 각종 이물질을 가라앉히고, 걸름채로 부유물을 제거한다. ③ 약품투입실(혼화지) : 질소, 철, 망간등을 산화시키기 위한 염소와 응집용약품(백반과 수산화칼 슘)을 투입한다.
④ 침전지 : 혼화지에서 생성된 수산화알루미늄에 의해 응집된 찌꺼기를 가라앉혀 맑은 물을 얻음.⑤ 여과지 : 모래와 자갈을 이용하여 미세한 불순물을 걸러내고 물의 색깔이나 악취 제거를 위해 활성탄 여과를 사용하기도 한다.
⑥ 염소 살균실 : 염소기체를 첨가하여 남아 있는 세균을 제거한다.
염소는 물과 반응하여 강력한 살균작용이 있는 하이포아염소산을 생성한다.
Cl2 + H2O → HCl + ( )
※살균소독제- HOCl, NaOCl, KOCl, H2O2, O3 등의 물질은 불안정하여 분해되면서 활성산소(발생 기산소)를 발생하므로 강력한 ( )작용에 의한 살균소독작용을 나타낸다.
⑦ 정수지 및 배수지 : 깨끗한 물을 정수지에 저장하였다가 배수지를 통해 수요자에게 공급한다.
2) 화학적 처리와 물리적 처리
․ 화학적 처리 : 화학약품을 사용하여 화학반응에 의해 정수하는 방법 -
․ 물리적 처리 : 고형물질 분리, 여과,침전, 흡착 등의 방법 -
3) 자외선 및 오존 소독
장점-염소 소독에 비해 살균력이 강하고 냄새가 나지 않으며 오염물질이 생성되지 않음.
단점-비용이 많이 들고 잔류성이 없어서 소독효과가 지속되지 않음
(2) 센물과 단물
1) 단물 - Ca2+, Mg2+이 적게 포함되어 있어서 비누가 잘 풀리는 물. 예) 빗물, 수돗물
2) 센물- Ca2+이나 Mg2+이 많이 포함되어 있어서 비누가 잘 풀리지 않는 물. 예) 지하수, 우물물
① 일시적 센물 : Ca2+, Mg2+이 탄산수소염(HCO3-)의 형태로 녹아있는 센물.
일시적 센물은 끓이기만 하면 Ca2+ ,Mg2+이 앙금으로 제거되어 단물로 변한다.
끓임
Ca(HCO3)₂ → CaCO3↓+ CO2↑+ H2O
② 영구적 센물 : Ca2+, Mg2+이 염화물(Cl-) 또는 황산염(SO42-)의 형태로 녹아 있는 물.
끓여도 센물로 남게 되는 물을 말한다.
영구 센물에 질산은을 가하면 ( )l이나 ( )의 흰색앙금이 생성됨
3) 영구적 센물의 단물화
① 탄산나트륨을 가하여 Ca2+ ,Mg2+를 탄산염으로 침전시켜 제거한다.
Na2CO3 + MgCl₂→ MgCO3↓+ 2NaCl
② 이온 교환 수지로 Ca2+ ,Mg2+ 를 Na+ 등으로 치환하여 제거한다. *정수기의 원리-
4) 센물로 인한 피해
센물은 단물에 비해 생활 용수나 산업 용수로 사용하기에 불편한 점이 많이 있다.
① 센물은 비누와 반응하여 불용성 염을 형성한다. 따라서, 센물에는 비누가 잘 녹지 않아 세척력 이 떨어지고, 세탁 후 의류에 비누가 남아 피부 질환의 원인이 된다,
2RCOONa + Ca(HCO3)₂→ (RCOO)2Ca↓+ 2NaHCO₃
비누(수용성) 센물성분 지방산칼슘(불용성)
② 센물은 보일러나 온수 설비의 파이프 안에서 탄산칼슘의 침전물인 관석을 만든다. 이로 인하여 열의 전도가 나빠지고 파이프가 막혀서 보일러의 폭발 사고까지 일어날 수 있다.
-탄산마그네슘은 고온에서 생성되므로 관석의 성분은 주로 ( )이다.
-주전자의 물때를 제거하려면 식초를 넣고 한번 끓인다.
(3) 수질오염의 원인과 피해
1) 수질오염과 그 척도
물은 여러 가지 유해물질들을 어느 정도까지는 스스로 분해하여 정화할 수 있는 ( )이 있지만 도시화와 산업화가 급속도로 진행되어 오염물질의 양이 많아지면 그 능력을 잃어버린다.
물의 오염도가 클수록 DO 가 ( )하고 BOD과 COD 는 ( )한다.
① 용존산소량(DO) : 물 속에 녹아 있는 산소의 양을 나타냄. DO가 클수록 깨끗한 물이다.
② 생물학적 산소 요구량(BOD) : 물 속에 유입된 오염물질을 미생물이 분해하기 위해 필요한 산소 의 양으로 물의 오염도가 클수록 크다.
③ 화학적 산소 요구량(COD) : 물에 있는 오염 물질을 산화시키는 데 필요한 산소의 양으로 물의 오염도가 클수록 크다.
2) 수질오염의 원인(p47 탐구 조사하기)
물이 오염되는 주요 원인은 생활 하수, 산업 폐수, 농ㆍ축산 폐수를 들 수 있다.
① 생활 하수 : 사람이 생활하며 배출하는 합성세제, 음식물 찌꺼기, 각종 쓰레기 등으로 인해 생 활하수는 물을 오염시키는 가장 주된 요인이 된다.
② 산업 폐수 : 공장이나 산업체에서 방출하는 폐수에는 각종 중금속과 유해 화합물이 들어있다.
③ 농ㆍ 축산 폐수 : 농경지나 골프장 등에서 유입되는 농약이나 제초제, 화학 비료, 축산단지에서
배출되는 폐수는 수질오염을 일으킨다.
3) 수질오염으로 인한 피해
① 물의 부영양화: 물 속에 유기물의 양이 지나치게 증가하는 현상을 부영양화라고 한다.
유기물이 많아지면 ( )이 빠르게 번식하며, 물 속의 산소를 소비하므로 ( ) 값은 커지고, ( ) 값은 감소하여 수중 생물이 죽게 된다.
② 적조: 세제나 비료 등에 포함된 인산염이 바다에 과량 유입되어 붉은색 편모류가 이상 증식함 으로써 바다를 붉게 물들이는 현상을 적조라고 한다. 연안바다에 적조가 발생하면 양식장 물고기가 집단 폐사한다.(=갈조, 녹조)
③ 환경 호르몬에 의한 피해: 합성세제나 농약, 산업 폐수 등에 포함된DDT, PCB, BHC 와 같은 내분비 교란 물질들을 환경 호르몬이라고 하는데, 이들은 물 속에서 쉽게 분해되지 않고 먹이 사슬에 따라 생물의 체내에 축적된다. 이 물질들은 자연계에서 생물들의 암수 성 역할을 교란시키며, 암이나 기형아 출산의 원인이 된다.
④ 중금속에 의한 피해: 물에 유입된 수은, 납, 카드뮴, 크롬 등과 같은 중금속은 단백질과 화합물 을 형성하므로 효소를 변성시키고 체내 대사 작용을 방해한다. 중금속으로 오염된 물 고기를 사람이 섭취하게 되면 신경마비, 언어장애, 전신 마비 등의 심각한 질병을 일으킨다.
(4) 수질오염에 대한 대책
1) 물의 자정 작용
물에 오염물질이 유입되면 희석, 침전, 여과, 산화, 환원 등의 작용에 의해 물이 깨끗해지는 자정 작용이 일어난다. 그러나 물의 자정 작용만으로 깨끗해지기 어려운 생활하수는 별도의 처리 과정으로 정화해야 한다.
2) 하수의 처리(p216)
가정이나 산업시설에서 사용 후 버려지는 물을 하수라 하며 물에 함유된 여러 오염물질을 분리하 거나 제거하여 방류한다.
과정 : 가정→( )→최초 ( )→( )→최종 ( )→( )
① 1차 처리(물리적인 처리): 큰 오물을 걸러내거나 밀도가 큰 물질을 가라앉힌다.-
② 2차 처리(생물학적 처리): 공기를 공급하여 미생물이 유기물질을 분해하게 한다.-
③ 3차 처리(화학적인 처리): 염소살균을 하고 침전제와 활성탄을 넣어 냄새와 중금속을 제거한다.
-최종침전지,
3) 수질오염 줄이기
① 생활하수의 배출을 줄이려면 음식물 쓰레기의 발생을 최대한 줄여야 한다.
② 쓰레기 분리 수거: 중금속이 들어 있는 형광등이나 전지 등을 분리수거 하고, 일반 쓰레기와 음 식물 쓰레기도 분리수거 하여 처리한다.
③ 중수도 시설 설치: 한 번 사용한 수돗물 청소, 조경, 에어컨 냉각 등에 재활용하는 중수도 시설 을 설치하면 하수 발생량을 줄일 수 있다.(p50)
④ 하수 처리 시설의 확충: 국가적으로 오폐수 처리 시설을 확충하고, 오염 물질 배출을 억제하는 제도적 장치를 마련한다.
2. 공기
ꊱ 공기의 성분과 이용
(1) 공기
1) 대기권의 구조
① 높이에 따라 대류권, 성층권, 중간권, 열권으로 구분한다.
② 대류권(고도 10km) - 고도가 높을수록 지구복사에너지가 감소하여 온도가 낮아지므로 대류현 상이 일어나 어느 부분이나 공기의 조성이 일정하다.
③ 성층권(고도 10~50km) - 고도가 높을수록 태양에너지가 증가하여 온도가 올라가며, 고도
20~30km에 존재하는 오존층은 유해 자외선을 흡수한다.
2) 공기의 조성
① 수증기의 양은 지역이나 날씨에 따라서 달라진다.
② 대기의 조성은 수증기를 제외한 건조 공기의 성분으로 나타낸다.
③ 건조한 공기는 질소, 산소, 아르곤, 이산화탄소 등으로 구성된 균일 혼합물로 그 조성은 항상 일정한 비율을 나타낸다.(p58)
공기 조성) 질소 : 약 78%, 산소 : 약 21%, 아르곤 : 약 0.93%, 이산화탄소 :0.03%
< 탐구자료 > 공기 중 산소의 구성 비율(p57)
1. 산소는 구리와 반응하여 산화구리(Ⅱ)가 된다. 2Cu + O₂→ 2CuO
2. 공기 중 산소의 부피는 주사기 A의 부피에서 주사기 B의 부피를 빼서 구한다.
산소의 조성(%) = (A의 부피 - B의 부피) × 100/A의 부피
실험2에서 산소의 조성= (80 - 63.5) × 100/80 ≒ 20.6%
3) 공기의 분리
공기를 구성하는 성분 기체의 끓는점이 서로 다르므로 분별 증류에 의해 각 성분기체를 분리할 수 있다. 예) 질소의 끓는점 : -196°C 산소의 끓는점 : -183°C
(p58)
액체 공기의 온도를 서서히 올려주면 끓는점이 낮은 기체가 먼저 기화되어 증류탑의 위로 올라가 분리되어 나온다.
(2) 산소
1) 산소의 성질
① 공기의 성분 중 반응성이 가장 크다
② 냄새와 색이 없고, 물에 거의 녹지 않는다.
③ 물질의 연소에 필요한 기체이다.
2) 산소의 제법( 치환으로 포집)
① 염소산칼륨에 이산화망간을 넣고 가열한다.(p59)
MnO₂
2KClO₃ →
② 과산화수소에 이산화망간을 가한다.
MnO₂
2H2O2 →
3) 산소의 반응
거의 모든 원소들과 반응하여 산화물을 형성한다.
① 금속과 산소의 반응 예) 2Ca + O₂→ 2CaO
② 비금속과 산소의 반응 예) S + O₂→ SO₂
※동소체 (allotrope)-동일한 원소로 되어 있지만 성질이 서로 다른 홑원소 물질이다.
예) 산소(O2)와 오존(O3), 다이아몬드(C)와 흑연(C), 사방황과 단사황, 적인과 황인
(3) 질소
1) 질소의 성질
① 건조 공기 중 약78%를 차지하며, 화학적으로 매우 안정하다.
② 끓는점이 공기의 성분 중 가장 낮고, 냄새와 색이 없으며 물에 잘 녹지 않는다.
③ 단백질의 구성 성분으로 생물체에 없어서는 안 될 중요한 원소이다.
< 탐구자료 > 질소의 순환 과정(p63)
1. 식물은 땅으로부터 질소를 암모늄 이온이나 질산 이온 형태로 흡수하여 단백질을 합성한다.
2. 콩과 식물은 뿌리혹박테리아가 공기 중의 질소를 직접 흡수하여 암모니아나 질산염으로 만든다.
3. 동물은 식물이나 다른 동물을 먹음으로써 식물이 합성한 단백질을 흡수하고, 배설 과정을 통하 여 암모니아나 요소의 형태로 배출된다.
4. 식물의 부패물 및 동물의 유해나 배설물이 분해되어 생긴 질소는 지표와 대기로 되돌아간다.
2) 질소의 반응
반응성이 매우 작아 안정하지만, 고온이나 촉매 조건에서는 화학 반응을 일으킨다.
예) 번개가 칠 때나 자동차 엔진의 내부에서 공기 질소와 산소가 반응하여 질소 산화물이 생성되므 로 산성비나 광화학스모그의 원인이 된다.
N₂+O₂→ 2NO 2NO + O₂→ 2NO₂
산성비: 3NO₂+ H2O→ 2HNO3 + NO
광화학스모그: 2NO₂ → 2NO + O O + O₂→ O3 O3 + 탄화수소→광화학스모그
(4) 이산화탄소
1) 이산화탄소의 성질
① 색과 냄새가 없으며, 공기보다 무겁고 불연성이다.
② 녹색 식물의 광합성에 이용된다.
③ 산소나 질소에 비해 물에 대한 용해도가 비교적 커서 물에 약간 녹아 약산인 탄산을 만든다.
CO2 + H2O →
④ 고체 상태인 드라이 아이스는 승화성(-78℃)이 있으며 식품 보관 냉각제로 이용
2) 이산화탄소의 제법
탄산칼슘에 묽은 염산을 가하면서 발생되는 이산화탄소를 하방 치환으로 모은다.
CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂+ ( ) + ( )↑
3) 이산화탄소의 검출
석회수(Ca(OH)2 수용액)와 반응하여 탄산칼슘의 흰색앙금이 생성되어 뿌옇게 흐려짐.
Ca(OH)₂+ CO₂→ ( )↓ + H2O
여기에 계속 이산화탄소를 통과시키면 수용성의 탄산수소칼슘이 생성되어 맑아진다.
CaCO3↓ + H2O + CO₂⇌ ( ) … 석회동굴 및 종유석의 생성 반응
(5) 비활성기체(반응성이 거의 없어서 다른 물질과 화학반응을 일으키지 않음)
헬륨-공기 중에 미량 존재하며 ( ) 다음으로 가벼운 기체로 폭발성이 없다
네온-네온 사인으로 이용, 아르곤-전구의 충전제로 이용
(6) 기체의 이용
ꊲ 기체의 성질
Key Words ㆍ확산 : 기체 분자들이 다른 액체나 기체로 퍼져 나가는 현상이다.
ㆍ보일의 법칙 : 일정한 온도에서 기체의 부피는 압력에 반비례한다.
ㆍ샤를의 법칙 : 일정한 압력에서 기체의 부피는 온도가 높을수록 증가한다.
ㆍ기체분자 운동론 : 기체 분자의 운동으로 기체의 성질을 설명한다.
(1) 기체의 특성
1) 기체의 성질
① 기체는 일정한 모양이 없으며 담는 그릇에 따라 모양이 변한다,
② 기체는 스스로 운동하여 주위의 공간으로 퍼진다.
③ 기체는 외부에서 힘을 가하면 부피가 줄어들어 쉽게 압축된다.
2) 기체의 확산- 기체 분자들이 끊임없이 빠른 속도로 분자 운동을 하여 다른 기체나 액체 속으 로 퍼져 나가는 현상이다.
① 기체 분자의 질량이 ( )수록 분자 운동 속도가 빠르기 때문에 확산이 빨리 일어난다.
② 온도가 ( )수록 기체분자의 운동이 활발해 지기 때문에 확산이 빨리 일어난다.
③ 기체가 확산되는 매질에 따라 확산 속도가 달라지며, 물에서 보다 공기 중에서 확산이 빨리 일 어나고 진공 속에서는 더 빨리 일어난다. 즉, 다른 분자와의 충돌이 적을수록 빠르다.
④ 확산과 관련된 현상- 향수냄새나 어촌의 포구 근처의 생선비린내, 공기오염 물질이 다른 지역 으로 확산되어 피해를 줌, 가스 누출시 LNG보다 LPG가 더 위험함.
⑤ 확산속도의 법칙(그래함의 법칙)-기체의 확산속도는 질량(또는 밀도)의 제곱근에 반비례한다.
< 탐구자료 > 염화수소와 암모니아의 확산(p71)
1. 가 HCl 보다 더 가벼워서 확산속도가 빠르므로 염산 쪽에 더 가까운 위치에 NH4Cl(s)의 흰 연기가 생성된다. NH₃+ HCl → NH4Cl(s)
2. 기체의 확산속도는 온도가 높을수록 빨라지므로 온도를 높여주면 흰 연기가 더 빨리 생긴다.
3. 두 기체의 확산속도의 비는? (단, 암모니아의 분자량≒16, 염화수소의 분자량≒36)
(2) 압력과 기체의 부피
1) 기체의 압력
-기체 분자들이 끊임없이 운동하면서 용기의 벽에 충돌하기 때문에 압력을 나타내게 된다.
*압력- 단위 면적에 가해지는 힘. 압력(Pa)=힘/면적(N/m2)
∴ 기체 분자의 충돌수가 많을수록 단위면적(용기의 부피)이 작을수록 압력↑
기체의 압력 단위 : 1기압= mmHg
2) 기체의 압력과 부피
① 기체가 들어있는 용기 위에 무거운 추를 올려놓으면 →( ) 증가→기체의 ( )감소 →용기의 단위 부피 당 ( ) 증가→외부 압력과 같아질 때까지 내부의 기체 압력 증가
② 온도가 일정할 때 기체에 작용하는 압력이 증가하면 부피가 ( )하고, 압력이 감소하면 부피가 ( )한다. (탐구 73p)
3) 보일의 법칙- 일정한 온도에서 일정량의 기체의 부피(V)는 압력(P)에 반비례한다.
PV = k (k는 상수) 또는 P1V1= P2V2
(P1: 처음압력, P2: 나중압력, V1: 처음부피, V2: 나중부피)
(문1) 1기압, 20℃에서 주사기에 공기가 50mL 들어 있다. 주사기 끝을 막고 피스톤을 눌렀더니
주사기 속의 공기가 20mL로 줄어들었다. 이 때 주사기 안의 공기의 압력은?
(문2) 1기압에서 부피 2L인 기체의 압력을 380mmHg로 감소시키면 그 때 부피는?
4) 일상생활과 보일의 법칙
① 물 속에서 스쿠버 다이버가 내뿜는 공기 방울의 크기는 수면 가까이 올라올수록 커진다.
② 상공으로 올라갈수록 기압이 낮아져서 기체의 부피가 팽창하므로 비행기를 탈 때 헛배가 부르는 음식은 먹지 않는 것이 좋다.
③ 자동차가 충돌할 때 에어백에 압력이 가해지면 부피가 줄어들면서 사람에게 가해지는 충격이 완화 된다.
④ 자동차 타이어에 들어있는 공기 때문에 압력에 따라 부피가 신축적으로 변화되어 충격이 완화된다.
⑤ 운동화의 공기 주머니-운동화의 밑창에 들어 있는 공기 주머니는 발에 가해지는 충격을 줄여 줄 수 있다. 운동화가 바닥에 닿았을 때 공기 주머니에 입력이 가해져서 부피가 줄어들고, 발을 떼면 다시 공기 주머니의 부피가 커진다.
(3) 온도와 기체의 부피
1) 온도 변화와 기체 부피의 변화
① 온도가 높아지면 ⇨기체 분자의 운동이 활발해짐⇨단위시간당 분자의 ( )증가 ⇨ 기체의 ( )증가⇨압력을 일정하게 유지하려면(=외부압력과 같아지려면) 기체의 ( )가 증가.
▶기체 부피가 일정할 때 온도↑⇨ 압력↑
② 서로 다른 온도의 비커에 공기가 채워진 주사기를 넣어 두면 온도가 낮을수록 피스톤이 밀려
들어가 공기가 차지하는 부피가 줄어든다.
2) 샤를의 법칙 - 일정 압력에서 기체의 부피는 종류에 관계없이 0℃때 부피의 1/273씩 증가한다
즉, 압력이 일정하면 기체의 부피는 절대온도에 비례한다.
V = V0 + V0 × t/273 = V0/273 (273 +t)= kT (V : t℃에서의 부피 V0 : 0℃에서의 부피)
∴ =k(k는 비례 상수) 또는 = (T=절대온도)
3) 일상생활과 샤를의 법칙
① 실내에서 팽팽한 풍선이 추운 밖으로 나오면 수축된다.
② 여름철에는 자전거 타이어에 공기를 조금 적게 넣는다.
③ 열기구를 가열하여 기체의 부피가 팽팽하면 하늘로 떠오른다.
④ 피펫의 끝에 남아있는 액체를 빼낼 때 입구를 막고 가운데 부분을 손으로 움켜잡는다.
(문1) 20℃에서 부피가 50L인 광고 풍선에 헬륨을 가득 채웠다. 만약 겨울철 바깥 날씨가 -20℃일 때 이 풍선을 띄웠다면 풍선의 부피는 어떻게 되겠는가?(단, 풍선 안의 기체의 양과 압력은 일정)
(문2) 20℃, 1기압에서 기체 2.5L가 있다. 같은 압력에서 이 기체의 부피를 2배로 하려면 온도를 몇 ℃로 올려야 하는가?
4) 보일샤를의 법칙-일정량의 기체의 부피는 압력에 반비례하고 절대온도에 비례한다.
∴
예제) 1기압, 27℃에서 부피가 100ml인 기체의 압력과 온도를 2기압, 77℃로 변화시키면 그
부피는 얼마로 되는가?
(4) 기체 분자 운동론
1) 기체의 여러 가지 성질을 기체의 분자운동을 이용하여 설명하는 이론.
기체 분자들의 운동에너지는 열에너지에 의해 변하므로 기체 분자의 운동을 열운동이라고 한다.
① 기체 분자의 크기는 용기의 부피에 비하여 대단히 작다.
② 기체 분자들은 끊임없이 자유롭게 직선운동을 하며 용기의 벽과 충돌하여 압력을 나타낸다.
③ 기체분자사이에는 힘(인력이나 반발력)이 거의 작용하지 않는다.
④ 기체분자들이 충돌하더라도 운동 에너지가 손실되지 않는다.(완전탄성체)
⑤ 기체분자들의 평균 운동 에너지는 절대온도에만 비례하며 분자의 크기나 종류와 무관하다.
2) 기체분자 운동론과 기체의 성질
① 기체 분자 운동론과 기체의 확산
온도가 같으면 기체의 종류에 관계없이 기체분자의 평균 운동 에너지가 같기 때문에 가벼운 기체
분자의 확산 속도가 무거운 기체 분자의 확산 속도보다 빠르다.
⇨ 속도는 질량의 제곱근에 반비례 ⇨
② 기체 분자 운동론과 보일의 법칙
온도가 일정할 때 외부압력을 2배 증가시키면 기체의 부피가 반으로 줄어들어 단위 부피 당 분자 수가 2배 증가하므로 용기의 벽면에 충돌하는 횟수가 2배로 증가하여 기체의 압력이 2배로 된다.
즉, 온도가 일정할 때 외부압력↑ ⇨ ( ) ⇨ ( ) ⇨ 내부압력↑
③ 기체 분자 운동론과 샤를의 법칙
압력이 일정할 때 온도를 높이면 분자의 평균 운동에너지(또는 운동속도)가 증가하여 용기의 벽면 에 충돌하는 횟수가 증가하여 기체압력이 증가. 기체 압력을 일정하게 만들려면 부피가 증가한다.
즉, 온도↑ ⇨ ( ) ⇨ ( ) ⇨ ( ) ⇨
부피↑(⇨일정 압력 유지)
ꊳ 공기의 오염과 대책
(1) 대기 오염 물질
1) 대기 오염물질의 분류
① 발생 원인에 의한 분류
․자연적 발생: 화산 폭발, 산불, 번개, 황사 등
․인위적 발생: 연료의 불완전연소, 자동차의 배기 가스, 공장의 매연 등
* 우리나라의 봄철에 편서풍을 타고 중국에서 불어오는 황사는 황토 먼지와 중금속 성분이 포함
② 발생과정에 의한 분류
․1차 오염물질: 공장 굴뚝이나 자동차 배기가스 등에 의하여 대기 중으로 직접 배출되는 오염물질 예)
․2차 오염물질: 1차 오염물질이 대기 중에서 반응하여 생성되는 독성 물질
예)
2) 공기 오염 물질의 종류
① 이산화황(SO2) : 석유나 석탄의 연소, 자동차의 배기가스로 인해 발생하는 자극성냄새의 무색기 체. 산성비의 원인이 되며, 호흡기 질환을 유발하고 식물 잎의 백화 현상을 일으킨다.
② 질소 산화물(NO, NO2) : 공기 중의 질소나 연료에 포함된 질소가 자동차의 엔진 속에서 산소와 반응하여 생성되거나 번개에 의해 생성되며, 산성비와 광화학스모그의 원인이 된다.
③ 일산화탄소(CO) : 탄소를 포함한 연료가 불완전 연소할 때 생성되며 혈액 속 ( )의
( ) 운반 기능을 마비시키므로 흡입하면 매우 위험하다.→연탄, 담배연기
④ 탄화수소 : 연료가 불완전 연소할 때나 자동차 타이어가 닳을 때 생성되며, 햇빛과 반응하여
스모그 현상을 일으킨다.
⑤ 분진 : 미세한 먼지 입자로, 이산화황과 함께 호흡기 질환을 유발한다.
(2) 대기 오염물질의 발생(p80)
1) 공기 오염물질의 발생원은 난방부문, 수송부문, 산업부문, 발전부문으로 나눌 수 있다.
2) 공기 오염물질의 발생원별 배출량은 ( )부문, ( )부문, 발전부문, 난방부문의 순서 로 나타난다.
3) 인구 밀집 지역은 수송부문의 영향으로 ( )과 ( )가 많이 배출되며,
공단지역은 화석연료의 사용이 많으므로 ( )과 ( )가 많이 배출된다.
(3) 대기오염현상
① 스모그( 런던형 스모그, 산업형 스모그)
석탄이나 중유를 연료로 사용함으로써 발생된 것으로 이산화황, 분진, 일산화탄소가 원인 물질로 호흡기 질환에 치명적인 피해를 줌. 주로 역전층이 형성되는 ( )에 발생하기 쉽다.
2SO2 + O2 → 2( ), SO3 + H2O →( )
※ 1952년에 영국 런던에서 발생했던 스모그는 나흘 동안 계속되면서 4000여명의 사람이 죽음에 이르렀다는 기록이 있다.
② 광화학스모그(LA형 스모그) : 주로 NOx, 탄화수소 등이 강한 자외선에 의하여 화학반응을
일으켜 생성된 오존이나 과산화물 등이 대기 중의 탄화수소와 반응하여 뿌연 산화성 오염
물질을 만드는 현상. 주로 여름철 ( )에 자주 발생.
스모그는 강력한 산화 작용이 있기 때문에 인체의 여러 기관의 기능을 약화시키고 식물을 고사시킨다.
< 지표 부근의 오존 생성 과정 > -p82 탐구
고온 고압
․공기 중 질소의 산화 : N2(g) + O2(g) → 2NO(g)
․이산화질소의 생성 : 2NO(g) + O2(g) → 2NO2(g)
자외선
․이산화질소의 분해 : NO2(g) → NO(g) + O
․오존의 생성 : O + O2 → ( )(g)
․광화학스모그 생성 : O3 + CXHy → 옥시던트
③ 산성비
자동차 배기가스와 매연에서 배출되는 이산화황과 질소산 화물이 빗물에 녹아 생기는 pH가 5.6 미만의 비.
․ 연료 S +O2 → SO2 SO2+H2O →( )→2( )+SO32-
2SO2 + O2 → 2SO3 SO3+H2O →( )→2( )+SO42-
․ 자동차 배기가스 N2(g) + O2(g) → 2( )(g)
2NO(g) + O2(g) → 2( )(g)
2NO2 + H2O(l) → ( )(aq) + HNO2(aq)
④ 오존층의 파괴 : 대기 중에 방출된 프레온 가스의 ( - ) 결합이 끊어져 만들어진 염소 원자 가 오존을 파괴하는데, 이 경우 생성된 산화염소(ClO)가 오존의 광분해 산물인 산소 원자와 반응하면서 연속적으로 염소 원자를 재생성하기 때문에 염소가 ( ) 역할을 하여 수많은
오존 분자가 연쇄적으로 파괴된다.(그 외 오존파괴물질 - 사염화탄소, 할론 등)
자외선
CF2Cl2(프레온) → CF2Cl + ( ) Cl + ( ) → ClO + O2
O3 → O + O2 ClO + O → Cl + O2
⑤ 지구 온난화(온실효과)
지표에서 방출되는 적외선(파장 750nm~1mm)을 흡수하는 온실기체 때문에 지구의 평균 기온이 높아지는 현상.
화석 연료의 연소나 동물의 호흡 과정에서 발생하는 ( ), 식물 분해시 생성되는 ( ),프레온 가스, 수증기 등이 지구를 둘러싸 마치 온실의 비닐과 같은 역할을 하여 생기는 현상
⑥ 실내공기의 오염
석면, 질소 산화물, 일산화탄소, 클로로포름, 파라디클로로벤젠, 포름알데히드, 담배연기 등의
물질이 발생되어 실내공기를 오염시키고 있다.
분진 : 식물의 광합성 방해, 안개와 스모그 유발
(4) 대기 오염의 피해와 대책
1) 대기오염의 피해
2) 대기 오염의 대책
① ( )의 감소대책-저유황 연료의 공급, 이산화황 제거 장치 이용
② ( )의 감소대책-촉매변환기 사용, 버너의 개량을 통한 발생 억제
*자동차에 촉매변환기를 부착 시 → 질소산화물 분해 및 CO, 탄화수소의 완전연소
3) 분진 감소 대책 -연료 및 원료의 대체, 집진기 설치 등
4) 환경 친화적 에너지 대책 - 청정연료의 사용 의무화, 저유황 연료의 보급 확대 등
3. 금속과 그 이용
금속의 발견
(1) 금속의 발견과 이용
1) 금속의 매장량
지각 중 주요 금속의 매장량은 Al (알루미늄) > Fe (철) > Cu (구리) > Au (금)의 순서이다.
2) 금속의 반응성
금속의 반응성은 > > > 의 순서이며, 반응성이 큰 금속일수록 산소와 강하게 결합하므로 산화물 형태의 광석에서 순수한 금속을 분리하기가 어렵다.
3) 금속의 사용순서
① 금(Au) : 매장량은 많지 않지만 반응성이 작아서 자연계에서 대부분 순수한 원소로 산출되기 때 문에 사용 시기가 비교적 빠르다.
※ 금의 사용 시기는 정확히 알려져 있지 않으며 신석기 시대의 금으로 만든 장신구가 발견된 것으로 보아 구리보다 먼저 사용된 금속이라는 이론도 있다.
② 구리(Cu) : 금에 비해 매장량이 많고, 반응성이 작으며 녹는점이 낮아 광석으로부터 비교적 쉽게 분리 할 수 있다. 구리와 주석의 합금인 청동의 사용으로 ( 시대)가 시작되었으며, 구리는 인류가 본격적으로 사용하기 시작한 금속이다.
③ 철(Fe) : ( 시대)를 연 철은 반응성이 커서 자연상태에서 산소와 결합한 산화철(FeO, Fe2O3등)의 형태로 존재한다. 또한 철은 녹는점이 매우 높아 철광석으로부터 순수한 철을 얻기 어려워 매장량이 많음에도 불구하고 ( )보다 사용시기가 늦었다.
④ 알루미늄(Al) : 지각에 가장 많이 존재하는 금속이나, 반응성이 매우 커서 광석(보크사이트)으로 부터 분리하기가 어려워 18세기 후반에야 사용되기 시작하였다.
<금속의 성질과 발견 >
*지표 구성 원소 비율 : O(46.8%)>Si(25.8%)>Al>Fe>Ca>Na…
(2) 원소의 분류와 주기율표
1) 원자의 구성 - 원자핵과 전자로 이루어짐
① 원자핵 : 양성자와 중성자로 이루어져 있으며 ( )전하를 띠고 있다.
② 전자 : 질량이 매우 작고 ( )전하를 띤 입자로 원자핵 주위를 빠른 속도로 회전하고 있다.
③ 원자 번호와 질량수
․ 원자번호 : 원자핵 중의 양성자의 수로 정한 번호
. 원자 번호 = ( 수) = 중성 원자의 전자수
․ 질량수 : 원자의 상대적 질량을 나타내는 값으로 원자핵 속의 입자수
질량수 = ( 수) + ( 수)
④ 표시법 :
예)
2) 주기율(Periodic Law)
원소들을 ( ) 순으로 나열할 때, 일정한 간격을 두고 성질이 비슷한 원소가 규칙적으로 반복되어 나타나는 현상.
3) 주기율표(Periodic Table)
주기율에 의해 원소를 분류한 표로 성질이 비슷한 원소들이 같은 ( )줄에 오도록 배열함.
① 족 : 주기율표의 세로줄을 족이라 하며 1~18 족으로 나눈다.
같은 족 원소는 최외각전자수가 같으며 화학적 성질이 비슷하다.
ㆍ1족 : Li, Na, K, Rb 등 ⇨ ( 금속)
ㆍ2족 : Be, Mg, Ca, Sr 등 ⇨ ( 금속)
ㆍ17족 : F, Cl, Br, I 등 ⇨ ( 원소)
※ 최외각 전자(원자가전자)
원자의 내부에는 전자가 존재하는 특정 공간이 여러 개 있는데, 이런 공간을 전자 껍질이라고 부른다. 전자 껍질 중 가장 바깥 껍질(최외각)에 존재하는 전자를 최외각전자(원자가전자)라고 하는데, 최외각전자가 원자의 화학적 성질을 결정한다. 같은 족 원소가 화학적 성질이 같은 것은 원자가전자수가 같기 때문이다.
② 주기 : 주기율표의 가로줄을 주기라 하며 1~7주기로 나눈다.
같은 주기 원소는 전자껍질의 수가 같으며(주기수=전자껍질수) 원자 번호가 증가할수록 물리, 화학적 성질이 주기적으로 변한다.
③ 금속과 비금속 : 주기율표의 왼쪽 아래(↲)로 갈수록 금속성이 증가하고, 18족을 제외한 오른쪽 위(↱)로 갈수록 비금속성이 증가한다.
* 양쪽성 원소-
(3) 알칼리 금속
1족 원소 중 H를 제외한 , , , , , 의 금속 원소이다.
1) 알칼리 금속의 성질
① 금속 특유의 광택과 전기 전도성이 있다.
② 녹는점과 끓는점이 다른 금속에 비해 ( ).
③ 무르고 가벼운 금속으로 Li, Na, K 등은 물위에 뜬다.
④ 전자 1개를 잃고 산화되어 ( )가의 이온이 되기 쉽다.
M → M+ + e- ( M : Li, Na, K등의 알칼리 금속)
⑤ 특유의 불꽃색을 나타내므로 불꽃 반응을 이용하여 검출할 수 있다.
2) 알칼리 금속의 반응성
알칼리 금속은 반응성이 매우 커서 물과 산소와 격렬히 반응하므로 ( , ) 속에 보관한다.
① 산소와의 반응
알칼리 금속을 공기 중에서 자르면 산소와 반응하여 표면의 광택을 잃는다.
4M + O2 → (M : Li, Na, K 등의 알칼리 금속)
② 물과의 반응 : 찬물과 격렬하게 반응하여 수소 기체를 발생시키고, 수용액은 강염기성을 띤다.
2M + 2H2O → 2( ) + H2 ↑ (M : 알칼리 금속)
염기성
ㆍ수소기체의 확인 : 가연성이 있으므로 성냥불을 대면 ‘ 퍽 ’소리를 내며 연소한다.
ㆍ염기성의 확인 : 수산화물은 OH-를 내어 염기성을 나타내므로, 수용액에 페놀프탈레인 용액을 떨어뜨리면 ( )색으로 변한다.
3) 알칼리 금속의 규칙성
① 원자 번호가 증가할수록 원자반지름이 증가하여 녹는점과 끓는점이 ( )
⇨ 금속은 원자 크기가 작을수록 금속양이온과 자유전자사이의 결합력이 ( )
② 밀도는 원자번호가 증가할수록 대체로 증가한다.
③ 원자 번호가 증가할수록 반응성(양이온이 되려는 성질)이 커진다.
반응성(환원력) < < < …
4) 알칼리 금속의 발견
알칼리 금속은 반응성이 매우 커서 공기 중의 산소나 물과 접촉하면 순식간에 산화된다.
따라서 알칼리 금속은 자연 상태에서는 ( )상태로 존재할 수 없고, 산화물와 같은 ( )의 상태로 존재한다. 그러므로 알칼리 금속은 지각 중에 상당히 많은 양이 존재하지만 산화물에서 분리하기가 매우 어려웠기 때문에 아주 늦게 발견된 원소이다.
5) 알칼리 금속의 화합물
ㆍ수산화나트륨(NaOH) : 강한 ( )물질로 물에 매우 잘 녹고, ( 성)이 있으며, 공기 중의 CO2 를 흡수하는 성질이 있다. 비누, 합성 섬유의 제조 등에 사용한다.
ㆍ탄산나트륨(Na2CO3) : 세탁소다라고도 하며, 물에 매우 잘 녹으며, 물에 녹아 약한 염기성을 띤 다. 유리, 펄프, 종이, 비누 등의 제조에 사용한다.
ㆍ탄산수소나트륨(NaHCO3) : 식소다 또는 중조라고도 하며 약염기성을 띰. 열에 의해 분해되어 ( )기체를 발생 한다. 베이킹파우더, 소화제 등에 사용한다.
(4) 할로겐 원소
주기율표의 17족 원소인 ( , , , ) 등의 비금속 원소이다.
1) 할로겐 원소의 성질
① 이원자 분자(X2)로 존재한다.(X2 : F2, Cl2, Br2, I2등)
※ 루이스의 전자식-
② 전자를 한 개 얻어 ( )가의 이온으로 되기 쉽다. X + e- → X-
③ 원자 번호가 증가할수록 녹는점, 끓는점이 높아져서 상온(25℃)에서의 상태가 각각 다르다.
④ 할로겐 분자는 특유의 색깔을 나타내며 원자 번호가 커질수록 짙은 색이다.
⑤ 할로겐화 이온(X-)은 물에 잘 녹아 ( )색을 나타낸다. 그러나 할로겐 분자(X2)는 무극성물질 로 물에는 거의 녹지 않고 사염화탄소(CCl4)에 잘 녹아 할로겐 분자 특유의 색깔을 나타낸다.
2) 할로겐 원소의 반응성
① 할로겐 원소는 비금속 원소 중 반응성이 가장 큰 원소로 대부분의 금속, 수소와 반응한다.
․알칼리 금속과의 반응 : 2Na + Cl2 → 2NaCl
․수소와의 반응 : H2 + Cl2 → 2HCl
② 원자번호가 작을수록 반응성이 크다.
반응성(산화력)의 크기 : > > >
∴ 반응성이 작은 할로겐의 음이온(또는 화합물)에 반응성이 큰 할로겐의 분자를 반응시키면
반응성이 작은 할로겐의 분자가 유리되어 나오고 반응성이 큰 할로겐의 화합물이 생성됨.
2NaBr + Cl2 → 2NaCl + Br2 (알짜이온반응식 : ) (반응성: > )
무색 황록색 무색 적갈색
2NaI + Br2 → 2NaBr + I2 (알짜이온반응식 : ) (반응성: > )
( )색 ( )색 ( )색 ( )색
<할로겐 원소의 반응성 비교>
o 물과 사염화탄소는 서로 섞이지 않고 밀도 차이가 크므로 두 액체를 혼합하면 밀도가 작은 물이 위층에, 밀도가 큰 사염화탄소가 아래층으로 분리된다.
o 반응성이 작은 할로겐 음이온이 녹아 있는 수용액에 사염화탄소를 넣고 반응성이 큰 할로겐 분자를 반응시키면 반응성이 큰 할로겐 분자는 전자를 얻어 음이온이 되어 물층에 녹아 들어 가고, 반응성이 작은 할로겐 음이온은 전자를 잃어 할로겐 분자로 되어 사염화탄소층에 녹아 특유의 색을 나타낸다.
o 다음 표와 같이 할로겐의 화합물 수용액에 할로겐분자와 사염화탄소를 혼합했을 때 반응여부 와(○, ×로 표시) 사염화탄소층의 색은? 또, 반응이 일어났을 때 그 알짜이온반응식은?
3) 할로겐과 할로겐 화합물의 이용
① 염소의 제법 - 이산화망간과 진한 염산을 반응시켜 얻는다.
MnO2 + 4HCl →
② 할로겐의 이용
ㆍ염소(Cl2) : 황록색을 띤 기체로 물과 반응하여 강한 산화력(다른 물질을 산화시키는 힘)을 갖는 하이포아염소산(HCIO)을 생성하는데, 하이포아염소산에서 발생한 산소원자(발생기 산소)는 강한 표백, 살균 작용이 있어 표백제나 살균제로 사용한다.)
Cl2 + H2O → HCl + HClO, HClO → HCl + O (발생기 산소)
ㆍ요오드(I2) : ( ) 용액과 반응하여 청남색을 나타내므로 ( )의 검출시약으로 이용되며, 소독약인 요오드팅크의 성분으로 사용한다.
③ 할로겐 화합물의 성질과 그 이용
ㆍ할로겐화수소(HX) : 상온에서 무색의 기체물질이며 물에 녹아 ( )성을 나타낸다.
⇨산성의 세기 : ⋘ < <
ㆍ플루오르화 수소(HF) : 유리를 녹이는 성질이 있어 유리기구에 눈금, 글자를 새길 때 사용한다.
ㆍ플루오르화 나트륨(NaF) : 충치 예방 효과가 있어 치약의 성분으로 사용한다.
ㆍ할로겐화은(AgX) : 빛에 대한 감광성이 있어 필름의 표면에 사용되며, ( )를 제외하고 물에 잘 녹지 않는다.
*할로겐화이온(X-)의 검출방법-
ꊲ 금속의 성질
(1) 금속결합
1) 금속 결합 : 금속 양이온과 자유 전자 사이의 ( ) 쿨롱의 인력에 의한 결합
2) 금속의 구성입자
① 금속 양이온 : 금속은 최외각전자들이 쉽게 떨어져 나가므로 양이온으로 되어 규칙적으로 배열 된 결정을 형성한다.
② 자유 전자 : 금속원자로부터 떨어져 나온 전자는 어느 한 금속 양이온에 속하지 않고 금속 양이
온 사이를 자유롭게 이동하므로 자유 전자라 한다. ⇨ 전자바다모형
(2) 금속의 성질
1) 금속의 물리적 성질
① 녹는점이 높다 : 금속은 자유전자와 금속 양이온사이의 비교적 강한 정전기적 힘으로 결합되어 있으므로 녹는점이 높아 상온에서 ( )로 존재한다. (단, 수은은 액체로 존재)
② 금속 광택 : 금속의 표면에는 자유 전자가 빽빽하게 들어차 있어 가시 광선 영역의 모든 빛을 반사시키므로 금속은 대부분 ( 색)이나 ( 색)의 광택을 가진다.
ㆍ특이한 금속 광택 : 금 - 노란색, 구리 - 붉은색 , 망간 - 검은색
③ 전기 전도성 : 전류를 통해 주면 금속 결정내의 자유전자는 일제히 ( )극에서 ( )극의 한 방향으로 이동하므로 금속은 전기 전도성이 크다.
④ 열전도성 : 자유 전자가 빠른 속도로 이동하다가 충돌할 때 열을 전달하므로 열전도성을 가짐.
⑤ 전성과 연성 : 금속은 얇은 판으로 넓게 펴지는 성질인 ( 성)과, 가느다란 선으로 뽑히는 성질인 ( 성)이 크다.
※ 금속 결정과 이온 결정
․ 금속 결정에 힘을 가하여 금속이온의 위치가 바뀌어도 자유 전자들이 재빠르게 이동하여 금속양 이온들이 서로 반발하여 떨어지지 않고 붙어 있도록 하므로 변형만 된다.
․ 이온결정에 힘을 가하기 전에는 (+), (-)이온 사이에 강한 인력이 작용하나 힘을 가하면 (+)이온 끼리, (-)이온끼리 겹쳐지는 층이 생겨 ( 력)이 작용하므로 부서진다.
2) 금속의 화학적 성질
① 금속의 반응 : 금속은 전자를 잃고 양이온으로 되기 쉽다.
예) Zn → Zn2+ + 2e-
② 산소와의 반응 : 금속은 산소와 반응하여 고체의 금속 산화물을 만든다.
예) 2Mg + O2 → 2MgO
③ 물 또는 산과의 반응 : 반응성이 큰 금속은 물 또는 산과 반응하여 수소기체를 발생한다.
예) 2Na + 2H2O → 2( ) + ( )↑ Fe + H2SO4 → FeSO4 + ( )↑
(3) 여러 가지 금속과 이용
1) 철(Fe)
① 철광석 성분에는 Fe2O3(적철석), Fe3O4(자철석)이 많이 포함되어 있어 붉은 색을 나타낸다.
② 순수한 철은 은백색이며, 연성과 전성이 크다.
③ 철의 종류와 이용
ㆍ선철(무쇠) : 용광로에서 받아 낸 철로, 탄소가 3.5% 포함되어 있다. 매우 단단하지만 녹기 쉬워 주물을 만드는 데 이용한다,.
ㆍ연철 : 탄소가 0.3% 이하인 철로 철사나 못을 만드는데 사용한다.
ㆍ강철 : 탄소가 0.05 ~ 1.7% 인 철의 합금으로, 철근, 기계 부품, 공구 등 가장 다양하게 이용됨
④ 철의 제련
ㄱ) 철광석(산화철)을 코크스(C)와 석회석(CaCO3)과 함께 용광로에 넣고 열풍을 불어 넣어 준다.
ㄴ) 코크스는 산화되어 CO가 되고, CO가 철광석의 ( 제) 역할을 하여 선철이 얻어진다.
2C+O2 → 2CO, Fe2O3 + 3CO → 2( ) + 3( )
ㄷ) 석회석은 철광석에 포함된 불순물을 제거하는 역할과 철광석의 녹는점을 낮추어 준다.
즉, 가열된 석회석이 분해되어 생성된 ( )이 불순물인 산화규소(SiO2)와 화합하여 선철 위에 뜨는 ( ) 즉, 슬래그를 만들며 슬래그는 따로 모아 시멘트 제조에 사용한다.
2) 알루미늄(AI)
① 알루미늄의 성질과 이용
ㆍ밀도가 2.7 g/㎤ 로 가벼우며, 전성과 연성이 크다.
ㆍ반응성이 매우 커서 산화되기 쉬우나 산화 시 표면에 산화알루미늄(AI203)의 피막을 만들어 내부 가 보호된다.
ㆍ가볍고, 가공이 쉽고, 부식에 강하므로 창틀 등의 건축재료, 난방용 방열판, 항공기나 자동차의 차체 제조에 사용한다.
② 알루미늄 제련 : 보크사이트(AI2O3․2H2O) 광석에서 불순물을 제거한 AI2O3를 빙정석(Na3AIF6)과
함께 혼합하여 용융시킨 후 전기를 통해 주면 용융된 알루미늄이 환원 전극(( )극)에 모인다.
Hall법(전기분해법) : AI2O3 →
3) 구리(Cu)
① 구리의 성질과 이용
ㆍ전기 전도성과 열전도성이 커서 전선 및 파이프의 관으로 사용한다.
ㆍ묽은 황산과 염산에는 녹지 않으나 질산이나 진한 황산에 녹아 NO, NO2, SO2를 발생한다.
ㆍ습한 공기 중에서 이산화탄소와 반응하여 염기성 탄산구리(CuCO3․Cu(OH)2)의 녹청을 생성.
ㆍ비교적 무르고 연성과 전성이 크다.
ㆍ황동 (구리+아연), 청동(구리+주석) 등 합금으로 만들어 많이 사용한다.
② 구리의 제련 : 구리 광석인 황동석(CuFeS2)을 제련하여 얻은 구리 (조동 : 불순물이 많이 포함 된 구리)를 녹여 전기 분해법으로 순수한 구리를 얻는다.
(4) 금속의 재활용
1) 한정된 천연자원의 사용 기간 연장과 환경 보호의 측면에서 재활용이 필요하다.
2) 철, 구리 등의 다른 금속을 제련할 때 보다 알루미늄을 제련할 때에는 많은 양의 전기 에너지가 필요하다. 광석으로부터 알루미늄을 만들 때와 재생 알루미늄을 사용할 때의 가격의 비는 20:1 이다. 그러므로 알루미늄의 재활용은 매우 중요하다.
3) 철과 알루미늄의 재활용과정
ꊳ 금속의 반응성
(1) 금속의 반응성
1) 산화ㆍ 환원 반응의 정의
① 물질이 산소를 얻으면 산화, 산소를 잃으면 환원이다. CuO + C→ Cu + CO2
② 전자를 잃으면 ( ), 전자를 얻으면 ( )이다. Zn + Cu2+ → Zn2+ + Cu
③ 산화제와 환원제
ㆍ산화제 : 자신은 ( )되면서 다른 물질을 ( )시키는 물질이다.
ㆍ환원제 : 자신은 ( )되면서 다른 물질을 ( )시키는 물질이다.
2) 이온화경향
금속이 전자를 잃고 ( )되어 ( )이온이 되려는 경향으로 이온화 경향이 큰 금속일수록
반응성이 크다.(K>Ca>Na> > > > > > > > H > > > > > )
3) 금속의 반응성 비교 - 반응성이 큰 금속을 반응성이 작은 금속 이온의 수용액에 넣으면
반응성이 큰 금속은 전자를 잃고(산화) 양이온이 되어 용액 속에 녹아 들어가고 반응성이 작은 금속의 이온은 전자를 얻어(환원) 금속으로 석출된다.
예) 아연(Zn)을 황산구리(Ⅱ)(CuSO4)수용액에 넣은 경우
① 변화 : CuSO4 수용액의 푸른색이 점점 옅어지고, 아연 조각의 표면에 붉은색 구리가 석출된다.
② 이유 : Zn은 전자를 잃고 Zn2+ 로 산화되어 수용액에 녹아 들어가고, 수용액 중의 Cu2+는 전자 를 얻어 Cu로 환원되기 때문이다. ⇨ 금속의 반응성 : >
③ 반응 :
4) 금속의 반응과 이온화경향
① 반응성이 큰 금속일수록 공기 중에서 빠르게 산화된다.
4Na + O2 → 2Na2O(빠름) 2Cu + O2 → 2CuO(느림)
② 반응성이 매우 큰 금속은 찬물과도 반응하여 수소 기체를 발생한다. 2Na + 2H2O →
③ 수소보다 반응성이 큼 금속은 산과 반응하여 수소 기체를 발생한다. Mg + 2HCl →
④ 반응성이 큰 금속일수록 전자를 잃고 양이온이 잘된다.
Mg + Cu2+ → (반응성 : > )
(2) 금속의 반응성을 이용하는 예
1) 전기 도금
① 용도 - 값이 싼 금속의 표면을 귀금속으로 장식하거나 광택을 입힐 때, 또는 반응성이 커서 사용하기 어려운 금속의 표면에 반응성이 작은 금속을 덧씌우는 데 이용함.
② 장치 : (+)극⇒ 도금하려는 금속, (-)극⇒ 도금할 물체, 도금액⇒ 도금하려는 금속이온
③ 전극의 반응 : (+)극 ⇒ 반응 (-)극 ⇒ 반응
예) 숟가락에 은도금을 하려면(p117)
(+)극에 은판, (-)극에 숟가락을 매달고 도금액에 담그어 전압을 걸면
(+)극 : Ag→ Ag+ + e-(산화), (-) 극 :Ag+ + e-→ Ag↓(환원) 의 반응이 일어나
숟가락에 은이 도금된다.
2) 금속의 정제-전기도금과 같은 원리를 이용하여 불순한 금속을 정제함
장치 : (+)극 ⇒불순한 금속, (-)극⇒ 순수한 금속, 금속이온의 용액
예) 구리의 정제
(+)극에 조동(불순한 구리), (-)극에 순동을 매달고 구리이온 액에 담그면
(+)극 : Cu→Cu2++2e-(산화) , (-)극 :Cu2++2e-→Cu(환원) 의 반응이 일어나
(+)극의 조동은 점점 감소하고 (-)극의 구리판은 질량이 증가한다.
ꊴ 금속의 부식과 합금
(1) 금속의 부식
금속이 산화되어 광택과 전기 전도성을 잃고, 강도가 약해지는 등 본래의 성질이 변화되는 현상.
1) 철의 부식
① 철이 산회되어 Fe2+로 되며 철 표면의 물방울 속의 산소는 환원되어 OH-로 된다.
2Fe → 2( ) + 4e- O2 + 2H2O +4e- → 4( )
② Fe2+는 더 산화되어 Fe3+로 되며, Fe3+가 OH-와 결합하여 붉은 녹인 Fe2O3ㆍ3H2O가 된다.
4Fe2+ + O2 + 2H2O → 4( ) + 4OH- 2Fe3+ + 6OH- → Fe2O3ㆍ3H2O
붉은 녹
(2) 금속의 부식 방지법
1) 공기, 물과의 접촉 차단
① 철의 표면에 페인트칠, 기름칠을 한다.
② 부동태 피막 생성 : 금속 표면에 산화물의 피막이 형성되어 내부 금속을 보호해 주는 것을 부동 태라 한다. Al, Zn은 표면에 산화물의 피막을 만들어 내부식성이 강하며 철은 산화력 이 강한 진한 질산에 넣어 빠르게 산화시켜 표면에 검은 색의 녹을 만들어 내부가 산 화되는 것을 막는다.
③ 도금 : 철보다 반응성이 작은 주석, 금, 은 등의 금속을 입히거나 부동태를 형성하는 금속을 입힌다.
․ 양철 : 철 표면에 주석을 도금한 것으로 반응성이 작은 Sn이 내부의 철을 보호하므로 철이 잘 부식되지 않으나 표면의 주석이 손상되면 오히려 철의 부식이 촉진되는 단점이 있다.
⇨통조림 캔으로 이용
․ 함석 : 철 표면에 아연을 도금한 것으로 Zn이 공기 중에서 산화되어 피막을 형성하여 철을 보호한다. 그리고 표면이 손상되더라도 반응성이 큰 아연이 먼저 산화되므로 철은 ( 법)에 의해 계속 보호된다.⇨함석지붕, 물양동이로 이용
2) 음극화 보호법 : 철보다 반응성이 큰 금속을 부착하거나 도선으로 연결하여 철 대신 산화시켜 철의 부식을 막는 방법이다.
① 철로 만든 유류 탱크나 가스관에 Mg을 연결하면 Mg이 대신 산화하여 철의 부식이 방지된다.
② 배의 밑바닥에 아연 조각을 붙이면 아연이 철 대신 산화하여 배의 부식이 방지된다.
3) 합금 : 철에 크롬 같은 금속을 혼합하여 철의 성질을 변화시킨다.
(3) 합금
어떤 금속에 다른 금속이나 비금속을 가해 녹인 후 다시 응고시킨 금속 혼합물로 결정 구조가 변하므로 금속의 특성이 변한다.
2) 특수 합금(신소재합금)
① 형상 기억 합금 : 특정 온도에서의 형상을 기억하고 있어 형태가 변형되더라고 그 온도가 되면 본래의 모양으로 되돌아오는 성질을 가진 합금이다.
⇨용도 : 파이프의 이음매, 치열 교정기, 안경테, 우주선의 안테나 등
② 수소 저장 합금 : 금속 원자들 사이에 수소를 원자 상태로 저장하는 합금으로 고압의 수소 탱크 보다 안전하게 많은 양의 수소를 저장한다.
합금 + 수소 ⇄ 수소저장합금 + 열
⇨용도 :수소의 저장과 운반, 수소자동차, 연료전지, 냉난방
(1) 중금속
1) 인체에 필요한 금속
2) 인체에 영향을 주는 중금속
① 중금속 : 밀도가 4.0g/㎤ 이상인 금속으로, 인체에 영향을 미치는 중금속으로는 수은(Hg), 카드 뮴(Cd), 납(Pb), 크롬(Cr), 구리(Cu), 망간(Mn), 코발트(Co) 등이 있다.
② 중금속의 축척 : 인체에 흡수된 중금속은 지방 세포 또는 단백질 세포 등과 강하게 결합되어 분 해되거나 잘 배설되지 않고 축적되며, 생물농축에 의해 먹이 사슬에서 상위 생물로 갈수록 축 적량이 많아지므로 최종 소비자인 인간에게 치명적인 영향을 준다.
③ 생물농축 : 어떤 물질이 먹이 연쇄를 거치면서 점차 농도가 높아지는 현상.
독성물질, 중금속→하천이나 강→식물플랑크톤→작은 물고기→큰 물고기→사람이나 큰 동물
(2) 중금속 오염 사건
1) 미나마타 사건 - 1950년대 초 일본 큐슈에 있는 미나카타라는 작은 어촌에서는 날아가던 새가 떨어져 죽고 고양이가 발광하며 죽더니 급기야 사람들에게도 마비, 통증, 오한, 시각 장애, 언 어 장애, 사산, 기형아 출생 등의 증상이 나타났다. 이는 인근의 신일본 질소 비료 공장에서 배출되는 폐수에 포함된 수은 중독이 원인이었다.
2) 이타이 이타이 사건 - 1968년에 원인이 밝혀진 것으로 일본의 도야마현에서 광산 폐수에 섞인 카드뮴이 강으로 흘러 들어가 이를 식수나 농업용수로 사용한 사람에게 섭취되어 발생하였 다. 심한 통증과 함께 골연화증 등 뼈의 이상을 초래하였다.
3) 알라모골드 사건-1969년 미국 뉴멕시코 주 알라모골드의 한 농가에서 돼지 먹이로 인근 곡물 창고에서 나오는 곡물 찌꺼기를 사용한 후 돼지들의 눈이 멀더니 죽었다. 원인을 모른 채 사 육을 계속하고 사육된 돼지를 식량으로 사용하던 중 농가의 가족 중에도 피해가 나타났다. 이 는 곡물 창고에서 메틸수은이 포함된 종자 소독제인 파노젠을 사용하였기 때문이었다.
<주요 중금속의 용도와 피해>
(3) 생활용품 속에 포함된 중금속
1) 일상생활에서 가장 자주 접하는 중금속은 전지에 포함된 것으로 중금속이 포함된 전지는 반드 시 분리수거 해야 한다.
2) 얼굴을 희게 만드는 미백 화장품 중에는 수은이 포함된 것이 있으므로 화장품 선택 시 성분을 꼭 확인해야 한다.
3) 페인트의 부착력과 광택을 좋게 하기 위해 납을 섞으므로 물감이 묻어나거나 광택이 많이 나 는 장난감은 아이들이 사용하지 않도록 한다.
(4) 중금속 오염 방지 대책
1) 중금속의 위해성에 대한 교육
2) 중금속을 사용하지 않거나 중금속 발생이 없는 청정기술의 개발
3) 토양이나 하천에 폐수 방류 금지
4) 폐전지와 수은 형광등 분리 수거 후 회수 처리