주기표의 족 원자가 |
Ⅰ족 |
Ⅱ족 |
Ⅲ족 |
Ⅳ족 |
Ⅴ족 |
Ⅵ족 |
Ⅵ족 |
양성원자가 |
+1 |
+2 |
+3 |
+4 +2 |
+5 +3 |
+6 +4 |
+7 +5 |
음성원자가 |
-4 |
-3 |
-2 |
-1 |
≪ 표 3. 주기표 족별 원자가 ≫
(2) 당 량
원소의 당량은 수소 1g(1/2몰) 또는 산소 8g(1/4몰)과 결합하거나 치환되는 다른원소의 양 즉, 수소 원자 1개의 원자량과 결합하는 원소의 양으로서 원자가 1에 해당하는 원소의 양을 말한다
당량 = 원자량 ÷ 원자가 ∴원자량 = 당량 × 원자가
나. 화학식
원소기호를 이용하여 물질을 이루고 있는 원자의 종류와 수를 나타낸 식을 화학식이라 하고 여기에는 실험식, 분자식, 시성식 및 구조식이 있으며 그 물질 또는 사용목적에 따라 적당한 식을 사용한다.
(1) 실험식(조성식)
물질을 구성하는 원소의 가장 간단한 정수비로 나타낸 것으로서 분자식을 수로 나눈 것과 같으며 염화나트륨과 같은 이온결정을 구성하는 성분 원소간의 양적 관계를 나타낸다.
(2) 분자식
분자로 되어 있는 물질을 원소기호를 사용하여 1개의 분자속에 들어 있는 원자의 종류와 그 수를 나타낸 식을 분자식이라 하는데 분자식은 분자를 구성하는 성분원소간의 양적 관계를 알려준다.
* (조성식) × n = 분자식
(예) 아세틸렌 : (CH) × 2 = C2H2, 물 : H2O, 이산화탄소 : CO2
(3) 시성식
분자의 성질을 표시할 수 있는 원자단(-기, radical)을 표시하여 그 결 상태를 나타낸 식으로 주로 유기화학에서 많이 사용한다.
※ 원자단이란? 화학변화가 일어날 때 분해되지 않고 한 분자에서 다른 분자로 이동하는 원자의 모임을 원자단(기)이라 하며 이는 마치 한 개의 원자처럼 작용하는 집단으로 물질의 성질을 나타낸다
(예) 알데히드기(-CHO), 카르복실기(-COOH), 수산기(-OH), 에테르기 (-O-) 등
(4) 구조식
분자 중에 존재하는 원자와 원자의 결합상태를 원자가와 같은 수의 결합선으로 나타낸 식을 구조식이라 한다.
* 원자가 : 어떤 원소의 원자 한 개가 수소원자 몇 개와 결합할 수 있는가를 표시하는 수를 그 원소의 원자가라고 한다.
예) 아세트산(Acetic Acid - 초산)
분자식 : C2H2O2 실험식 : CH2O 시성식 : CH3COOH
구조식 : H―C―C―O―H
H
다. 화학반응식
화학반응식이란 물질의 화학반응변화에서 반응물질과 생성물질을 화학식을 이용하여 나타낸 것을 말하며 화학반응 전후의 정성적, 정량적 관계를 나타냄으로서 이를 이용하여 반응물과 생성물의 몰수, 분자수, 질량, 또는 부피 등을 구할 수 있다.
반응식 |
2H2 + O2 → 2H2O | ||
물질명 |
수소 |
산소 |
물 |
몰(mole) |
2mole |
1mole |
2mole |
분자수 |
2×6.02×1023개 |
1×6.02×1023개 |
2×6.02×1023개 |
부피 |
2×22.4ℓ |
1×22.4ℓ |
2×22.4ℓ |
질량 |
2×2g |
1×32g |
2×18g |
≪ 표 4. 화학반응식이 나타내는 의미 ≫
6. 산과 염기
산이나 염기를 물에 녹이면 물의 액성은 산성 또는 염기성으로 변한다. 이와 같은 성질의 상대적 척도를 수소이온 농도 또는 pH로 표시한다. 여러 종류의 화학평형 중에서 산과 염기에 관한 것만큼 중요한 것은 아마도 없을 것이다. 화학을 학습함에 따라 산-염기 반응으로 분류되는 화학변화의 수는 아주 많다는 것을 알게 될 것이다. 따라서 여기에서 다루게 되는 원리는 그 이용도가 매우 큰 것들이다.
가. 아레니우스(Arrhenius) 개념
산은 수용액에서 수소이온(H+)을 내고 염기는 수산화이온(OH-)을 내는 것으로 설명하였다.
산 HCl ↔ H+ + Cl-
염기 NaOH ↔ Na+ + OH-
중화 H+ + Cl- + Na+ + OH- ↔ Na+ + Cl- + HOH
그러나 이 설은 산과 염기가 이온화할 때 용매가 관여된다는 것을 무시하였기 때문에 일부 설명할 수 없는 산과 염기에 대하여는 이 이론이 적당치 않다 이러한 모순점을 수정한 것이 다음의 Bronsted 와 Lowry에 의한 설이다.
금속의 수산화물은 대부분 염기이다 염기 중에는 Fe(OH)3, Cu(OH)2 등 물에 녹기 어려운 것이 많으며 염기 중에서 물에 잘 녹는 것을 알칼리하고 한다.
강산 HCl, HNO3, H2SO4, HClO4- 약산 H3PO4, CH3COOH, H2CO3 |
강염기 KOH, NaOH, Ca(OH)2, Ba(OH)2 약염기 NH4OH, Mg(OH)2, Al(OH)3 |
≪ 표 5. 산-염기의 강약분류 ≫
나. Bronsted-Lowry(브뢴스테드와 로우리)개념
1923년 덴마크의 화학자 Bronsted와 영국의 화학자 Lowry는 지금까지 기술한 아레니우스(Arrhenius)개념에 비하여 보다 유력하고 일반적인 산-염기 개념을 발표하였다. 산이란 양성자(H+)를 내어 놓을 수 있는 물질(분자 또는 이온)이며, 염기는 양성자(H+)를 받아들일 수 있는 물질(분자 또는 이온)이다. 이 정의에 의하면 HCl의 이온화는 HCl(산으로서 작용)이 물(염기로서 작용)에 양성자를 주는 것으로 표시된다.
HCl(aq) + H2O --→ H3O+(aq) + Cl-(aq)
이 반응은 가역적이다. 왜냐하면 Cl- 은 H3O+ 로부터 양성자를 받아들여 HCl(aq)로 될 수 있기 때문이다. 따라서 Cl- 이온은 염기라야 하며 H3O+ 이온은 산이라야 한다. HCl과 Cl-은 양성자가 있고 없다는 점만이 다르므로 이들을 짝산-짝염기라 한다. 마찬가지로 H3O+와 H2O도 짝산-짝염기이다.
HCl + H2O --→ H3O+ + Cl-
산1 염기2 산2 염기1
탄산이온의 염기로서 작용은 다음과 같이 나타낼 수 있다.
CO3 + H2O --→ HCO-3 + OH-
염기1 산2 산1 염기2
Bronsted-Lowry(브뢴스테드와 로우리)개념은 벤젠과 같이 유기용매에 녹아 있는 HCl과 NH3반응의 경우에도 적용할 수 있다.
HCl(벤젠) + NH3(벤젠) --→ NH4Cl(s)
우리는 여러 가지 점에서 Bronsted-Lowry(브뢴스테드와 로우리)개념이 Arrhenius개념보다 범위가 넓다는 것을 보았다. Bronsted-Lowry개념에서는 다음과 같은 사실을 알 수 있다.
① 산과 염기는 분자는 물론 이온일 수도 있다.
② 산-염기 반응은 수용액으로만 제한되지 않는다.
③ 어떤 화학종은 상대반응물에 따라 산 또는 염기로 작용한다.
예제) NH3 + HCl ↔ NH4+ + Cl-의 반응에서 짝산-짝염기로 나타내어라.
풀이)
NH3 + HCl ↔ NH4+ + Cl-
염기 산 산 염기
(H+받음) (H+내놓음) (H+내놓음) (H+받음)
이 반응에서 HCl은 H+을 NH3에 주었으므로 산이고 NH3는 H+을 받았으므로 염기이다. 한편 이 반응의 역반응에서는 NH4+은 Cl-에 H+을 주었으므로 산이고 Cl-은 H+을 받았으므로 염기이다. 이때 HCl - Cl- , 또는 NH4+ - NH3 와 같이 양성자 H+의 이동에 이하여 산과 염기로 되는 한 쌍의 물질을 짝산 - 짝염기라고 한다.
다. Lewis(루이스)의 개념
Bronsted-Lowry개념은 산과 염기에 대한 Arrhenius개념을 한층 확장한 내용을 가지고 있음을 알았다. 그러나 Bronsted-Lowry개념은 한 가지 요점만 국한되어 있다. 즉, 이것은 양성자의 이전이 관여하는 반응에만 적용될 수 있다. Bronsted-Lowry산으로 작용하는데는 이온화할 수 있는 수소원자를 포함하는 화학종이어야 한다는 점이다. Lewis 산-염기개념은 미국의 물리화학자 G. N Lewis가 1923년에 처음으로 제안한 것이며, 위에서 말한 제한에 국한되지 않는다. Lewis개념에 의하면 비공유전자쌍을 받아들일 수 있는 것을 산이라 하고, 비공유전자쌍을 내어 줄수 있는 물질을 염기라 한다. 배위공유결합을 형성하는 반응은 어떤 것이나 산-염기 반응이다.
구조상으로 볼 때 Lewis 염기는 Bronsted 염기와 본질적으로는 아무런 차이가 없다. Bronsted 염기는 양성자를 받는 화학종이기 때문에 반드시 비공유전자쌍을 가지고 있어야 한다. 예를 들면 NH3, H2O분자, F-이온 등은 모두 Bronsted 염기로 작용하는 것이다.
‥ ‥ ‥
H ― N ― H, H ― O ― H, ( :F: )
| ‥ ‥
H
이들 화학종은 모두 비공유전자쌍을 가지고 있으며 이들이 양성자를 받아 각각 NH4+이온, H3O+이온 또는 HF분자를 생성한다.
H
‥ ‥
( H : N : H ) ( H : O : H ) H : F :
‥ ‥ ‥
H H
마. 산․염기의 성질
구 분 |
산(Acid) |
염기(Base) |
맛 |
신맛(식초의 맛) |
쓴맛(NaOH의 맛) |
리트머스 변색 |
청색 → 적색으로 |
적색 → 청색으로 |
금속과의 반응 |
반응하여 H2가스 발생 |
반응 안함(양쪽성원소와는 반응) |
중화반응 |
염기와 중화반응 |
산과 중화반응 |
≪ 표 6. 산․염기 비교 ≫
7. 산화와 환원
가. 산화와 환원
(1) 산소·수소와 산화·환원
산화․환원은 어떤 원소가 산소 또는 수소와 화합 또는 분리되는 반응에 의해 정의되었으나 오늘날에는 산화수에 의해 정의되는 넓은 의미의 산화․환원이 주로 사용되고 있다. 그러나 산소나 수소가 반응에 관여하지 않는 반응에서의 산화․환원을 말할 때에는 전자의 이동이나 산화수의 변화로써 산화․환원을 정의할 수 있다.
▶ 산화 : 산소와 결합할 때, 수소를 잃을 때, 전자를 잃을 때, 산화수가 증가할 때
▶ 환원 : 산소를 잃을 때, 수소와 결합할 때, 전자를 얻을 때, 산화수가
감소할 때 예) H2S + Cl2 → 2HCl + S
이 반응에서 황화수소는 수소를 잃고 황으로 되었으므로 산화되었고, 염소는 수소와 결합하여 염화수소로 되었으므로 환원되었다.
(2) 전자이동과 산화․환원
염화제2구리 수용액을 전기분해하면 음극에서는 Cu2+이 전자를 얻어 Cu로 석출되고, 양극에서는 염소이온이 전자를 잃고 Cl2로 된다. 이때 전자를 잃는 것을 산화, 전자를 얻은 것은 환원되었다고 한다.
음극 : Cu2+ + 2e- → Cu (환원)
양극 : 2Cl- → Cl2 + 2e- (산화)
(3) 산화수와 산화․환원
화합물이나 원소(단체)중의 전자를 일정한 방법으로 각 원자에 배당할 때 그 원자가가 가지는 전하를 표시한 수를 산화수라 하며 산화수는 원자 또는 라디칼(원자의 집단)에 대하여 쓰이며 산화상태는 원소에 대하여 쓰인다.
․수소화합물에서 수소원자의 산화수는 +1 이다
․산소화합물에서 산소원자의 산화수는 -2 이다
․단체중의 원자의 산화수는 0이다
․중성화합물을 이루고 있는 각 원자의 산화수의 합은 0이다
․할로겐의 산화수는 -1이며, 알칼리금속 화합물에서 알칼리 금속 원소의 산화수는 +1
․과산화물에서 산소의 산화수는 -1이다
․금속 수소 화합물에서 수소의 산화수는 -1이다.
나. 산화제와 환원제
(1) 산 화 제
자신이 쉽게 환원되면서 다른 물질을 산화시키는 성질이 강한 물질을 산화제라 하며 다음과 같은 조건이 필요하다.
․발생기 산소를 내기 쉬운 물질 ․수소와 화합하기 쉬운 물질
․전자를 얻기 쉬운 물질 ․전기음성도가 큰 비금속 단체
* 강한 산화제는 산화력이 크다, 또는 산화성이 크다라는 표현을 쓴다
중요한 산화제로는
오존 ………………………………………………………O3 → O2 + O
과산화수소 …………………………………………H2O2 → H2O + O
염소 …………………………………………Cl2 + H2O → 2HCl + O
브로민 …………………………………………Br2 + H2O → 2HBr + O
진한 질산 ……………………………2HNO3 → H2O + 2NO2 + O
묽은 질산 ……………………………2HNO3 → H2O + 2NO + 3O
가열한 진한 황산 ………………………H2SO4 → H2O + SO2 + O
과망가니즈산칼륨의 황산 산성용액 ……………………………………
2KMnO4 + 3H2SO4 → K2SO4 + 2MnSO4 + 3H2O + 5O
다이크로뮴산칼륨의 황산 산성용액 ………………………………………
K2Cr2O7 + 4H2SO4 → K2SO4 + Cr2(SO4)3 + 4H2O + 3O
(2) 환 원 제
자신은 산화되면서 다른 물질을 환원시키는 힘이 강한 물질을 환원제라 하며 환원제가 되기 위한 조건으로는
․발생기 수소를 내기 쉬운 물질 ․산소와 화합하기 쉬운 물질
․전자를 잃기 쉬운 물질 ․이온화 경향이 큰 금속의 단체
중요한 환원제로는
수소(고온) ………………………………………… H2 + O → H2O
일산화탄소 ………………………………………… CO + O → CO2
이산화황 ……………………………… SO2 + H2O + O → H2SO4
황화수소 …………………………………… H2S + O → H2O + S
황산제일철의 황산 산성용액 …………………………………………
2FeSO4 + H2SO4 + O → Fe2(SO4)3 + H2O
옥살산(수산) ……………………… C2H2O4 + O → 2CO2 + H2O
제2절 화합물 명명법
1. 주기율표