Ch. 4 수용액 반응

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1 Ch. 6 수용액에서의반응 II 4.1 용액의농도 : 몰농도 4.2 진한용액의희석 4.3 수용액에서의전해질 4.4 수용액에서화학반응의유형 4.5 수용액에서의반응과알짜이온반응식 4.6 침전반응과용해도지침 4.7 산, 염기및중화반응 4.8 용액의화학량론 4.9 산화-환원반응 4.10 산화-환원반응의확인 4.11 원소의활동도서열 1

2 4.7 산, 염기및중화반응 아레니우스 (Scante Arrhenius, 1859~1927) 산과염기산 : 물에서해리하여수소이온 (H + ) 을생성하는물질이라고제안함. 염기 : 물에서해리하여수산화이온 (OH - ) 을생성하는물질이라고제안함. 산 HA(aq) H + (aq) + A - (aq) 염기 MOH(aq) M+(aq) + OH - (aq) HA: 산의일반적인화학식임. 예 ) HCl 또는 HNO 3 MOH: 금속수산화물의일반적인화학식임. 예 ) NaOH 또는 KOH 2

3 H + (aq) 반응식에서사용하기에편리하지만, 수용액에서존재하는이온의구조를실제로나타내지는않음.( 반응성이너무커서그자체로만존재할수없음 ) H + 는물분자와결합하여더안정한하이드로늄이온 (H 3 O + ) 을형성함. 물속에서, 산은하이드로늄이온 (H 3 O + ) 을형성함. 편의상, 특히반응식의균형을맞출때 H + (aq) 라고쓰지만, 산수용액을나타낼 경우에는 H 3 O + (aq) 를사용함. HCl(aq) + H 2 O(aq) H 3 O + (aq) + Cl - (aq) 강산 (strong acid): 많이해리되는산이며강전해질임. 예 ) HCl, HClO 4, HNO 3, H 2 SO 4 약산 (weak acid): 조금만해리되는산이며약전해질임. 예 ) CH 3 CO 2 H, HF 3

4 아세트산에는실제로수소 4 개가있지만산소원자에결합된수소하나만해리된다는것에유의. 일양성자산 (monoprotic acid) 염산 (HCl) 같이 H + 이온을단하나만생성하는산. 이양성자산 (diproticacid) 황산 (H 2 SO 4 ) 같이 H + 이온을두개생성하는산. 삼양성자산 (triprotic acid) 인산 (H 3 PO 4 ) 같이 H + 이온세개생성하는산. 4

5 염기 ; 수용액중에서해리되어수산화이온, OH - 을만드는물질을말함. 수산화이온, OH - 을만드는정도에따라강염기또는약염기로구분됨. 강염기 (strong base): 많이해리되는염기이며강전해질임. 예 )NaOH 와 Ba(OH) 2 같은대부분금속수화물 MOH(aq) NaOH(aq) M + (aq) + OH - (aq) Na + (aq) + OH - (aq) 약염기 (weak base): 조금해리되는염기이며약전해질임. 예 ) 암모니아 (NH 3 ) 암모니아 화학식에 OH - 를포함하고있지는않지만, 물과조금만반응하여 NH 4+ 와 OH - 이온을만들기때문에약염기임. NH 3 (aq) + H 2 O(aq) NH 4+ (aq) + OH - (aq) 5

6 강산과강염기는강전해질임. 약산과약염기는약전해질임. 6

7 산의명명 대부분의산은산소산 (oxoacid, oxyacid). 산소산 (oxoacid, oxyacid) 수소와다른원소들외에추가적으로산소를함유. 물에녹을때하나이상의 H + 이온과한가지의산소산음이온 (oxoanion, oxyanion) 을생성. 영어명에서 -ite 나 ate 로끝나는음이온의이름더적은수의산소를포함하는산은 -ous 로끝나고, 더많은수의산소를포함하는산은 -ic 로끝이남. 7

8 산소산이외에 HCl 과같이산소를포함하지않는다른산도소수존재함. 이런화합의수용액을나타낼경우접두사 hydro- 와접미사 -ic acid 가사용됨. 8

9 중화반응 산과염기가정확한화학량론적비로혼합되어물과이온성염 (salt) 을생성하는반응. 염의음이온 (A - ) 은산으로부터유래되고, 염의양이온 (M + ) 은염기로부터 유래. 일반적으로염은수용액에서강전해질이므로, 강산과강염기의중화반응은 이온반응식으로쓸수있음. 이온반응식 : H + (aq) + A - (aq) + M + (aq) + OH - (aq) H 2 O(l) + M + (aq) + A - (aq) 알짜이온반응식 : H + (aq) + A - (aq) + M + (aq) + OH - (aq) H 2 O(l) + M + (aq) + A - (aq) H + (aq) + OH - (aq) H 2 O(l) 혹은 H 3 O + (aq) + OH - (aq) 2H 2 O(l) 9

10 약산과강염기의중화반응 ; 간단한 H + (aq) 보다그산의분자식을써야함. 왜냐하면물에서약산의해리는불완전하기때문임. 산은주로중성분자로존재함. KOH 수용액과 HF 수용액이섞였을때일어나는화학반응에대하여분자반응식, 이온반응식, 그리고알짜이온반응식을써라. 1. 적절한이온규칙을이용하여생성물의화학식을작성함. HF(aq) + KOH(aq) H 2 O + KF 약산강염기물 염 10

11 2. 분자반응식작성 ; 계수를이용하여반응식의균형을맞추고생성물의용해도를예측함. HF(aq) + KOH(aq) H 2 O(l) + KF(aq) 용해도규칙에의하면가용성염 3. 이온반응식작성 ; 강염기와가용성이온화합물을해리시킴.( 이온으로표시함 ) KOH(aq) HF(aq) + K + (aq) + OH - (aq) H 2 O(l) + K + (aq) + F - (aq) KF(aq) 11

12 4. 알짜이온반응식작성 ; 이온반응식에서구경꾼이온을제거함으로작성함. HF(aq) + K + (aq) + OH - (aq) H 2 O(l) + K + (aq) + F - (aq) HF(aq) + OH - (aq) H 2 O(l) + F - (aq) 12

13 4.8 용액의화학량론 몰농도는용질의몰수와용액의부피사이의환산인자로사용. 용액의부피와몰농도를알면용질의몰수를계산할수있음. 용질의몰수와용액의몰농도를알면용액의부피를구할수있음. 13

14 4.9 산화 - 환원반응 산화 (oxidation) 어떤물질 ( 원소, 화합물, 이온 ) 이하나이상의전자를잃는것임. 산화수가증가함. 환원 (reduction) 어떤물질이하나이상의전자를얻는것임. 산화수가감소함. 산화 - 환원반응 ; 한물질로부터다른물질로전자가전달되는과정임. 14

15 산화수 (oxidation number, 또는산화상태 ) 물질의각원소에산화수가할당됨. 원자들이중성, 전자풍부, 전자부족인가의여부를나타냄. 반응전후에한원자의산화수를비교하면, 원자들이전자를얻었는지또는잃었는지를알수있음. 반드시이온전하를의미하지는않는다는것에유의해야함. 산화 - 환원반응에서전자의추적에도움을주는단순하고편리한방법임. 산화수규칙 1. 원소상태에있는원자의산화수는 0 임. 2. 단원자이온에서원자의산화수는그전하와동일함. 15

16 3. 다원자이온이나분자화합물에있는원자의산화수는일반적으로그것이 단원자이온일때의산화수와같음. (a) 수소의산화수는 +1 또는 -1 이다. Na 나 Ca 같은금속에결합할때, 수소의 산화수는 -1 임. 반면 C, N, O, Cl 과같은비금속에결합할때, 수소의산화수는 +1 임. 16

17 (b) 산소의산화수는보통 -2 임. 예외 O 2 2- 이온이나 O-O 공유결합을갖는 과산화물 (peroxide) 에서산소원자의산화수는둘다 -1 임. (c) 할로젠은일반적으로 -1 산화수를가짐. 예외 ) 할로젠들이산소와결합하여화합물을형성할때관측됨. 산소는 -2 의산화수를갖고, 할로젠은양의산화수를가짐. 예 ) Cl 2 O 에서 O 원자는 -2 의산화수를갖고각 Cl 원자는 +1 의산화수를가짐. 17

18 4. 중성분자에대하여산화수의합은 0 이고, 다원자이온에서는산화수의합이알짜전하와같음. 화합물에서특정원자의산화수를알려고할때특히중요함. 과염소산음이온 (ClO 4- ) 에서염소원자의산화수? 18

19 4.10 산화 - 환원반응의확인 Fe: 0 에서 +3 으로변함.( 전자를잃음, 즉산화 ) O: 0 에서 -2 로변함.( 전자를얻음, 즉환원 ). 산화되는원자에의하여제공된전체전자수 (4 Fe 3 전자 /Fe = 12 전자 ) 는환원되는원자가얻은전자수와같음.(6 O 2 전자 /O = 12 전자 ). 19

20 철광석으로부터철금속의제조 철원자는반응물 (Fe 2 O 3 ) 의 +3 의산화수로부터생성물 (Fe) 의 0 으로변하므로환원됨. 탄소원자는반응물 (C) 의 0 의산화수로부터생성물 (CO 2 ) 의 +4 로변하므로산화됨. 산소원자의산화수 (-2) 는변하지않음. 산화되는원자에의하여제공된전체전자수 (3 C 4 전자 /C = 12 전자 ) 는환원되는원자가얻은전자수와같음.(4 Fe 3 전자 /Fe = 12 전자 ). 산화와환원반응의각각을반쪽반응 (half-reaction) 이라고하고이들은항상함께일어남. 산화 - 환원반응은두개의반쪽반응들, 즉하나의산화반쪽반응과하나의환원반쪽반응으로구성되어있음. 20

21 환원제 ; 다른원소를환원시킴. 하나이상전자를잃음. 자신은산화됨. 원자의산화수가증가함. 산화제 ; 다른원소를산화시킴. 하나이상전자를얻음. 자신은환원됨. 원자의산화수가감소함. 21

22 4.11 원소의활동도서열 수용액에서금속양이온과자유원소와반응하여다른양이온과다른원소를생성하는반응은산화 - 환원반응중에서가장간단한반응임. Fe(s) + Cu 2+ (aq) -> Fe 2+ (aq) + Cu(s) 쇠못은 Cu 2+ 이온을환원시켜, 금속구리로도포됨. 용액에서 Cu 2+ 이온이소실되므로, 파란색의세기는감소함. 22

23 어떤이온과원소사이에서의반응여부예측 화학종이전자를얻거나잃는상대적용이성, 즉각화학종이얼마나쉽게산화되고환원되는가에따라결정됨. 다른반응의결과를주목하면, 활동도서열 (activity series) 을체계화할수있음. 활동도서열은수용액에서원소를환원시키는능력을순서대로나열한것임. 위쪽에있는원소들은전자를쉽게내어주는강한환원제임. ( 자신은산화 ). 밑에있는원소들은전자를쉽게잃지않는약한환원제임. 활동도서열에서더위에있는원소들은더아래에있는원소의이온들을환원시킴. 23

24 Cu(s) + 2Ag + (g) Cu 2+ (aq) + 2Ag(s) 두반응중어떤반응이일어날까? 2Ag(s) + Cu 2+ (g) 2Ag + (aq) + Cu(s) 24

25 활동도서열에서수소의위치는특히중요함 금속이수용액산 (H + ) 과반응하여 H 2 기체의방출여부를알려주기때문임. 서열의맨위금속, 즉 1A 족알칼리금속과 2A 족알칼리토금속은 H + 농도가매우낮은순수한물과도반응하는대단히강한환원제임. 서열의중간에있는금속은산수용액과반응하지만물과반응하지않음. 제일밑서열의금속은산수용액이나물과반응하지않음. 25