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1 환경화학출석수업

2 1 강 화학의기초

3 목차 화학을학습하기전에물질원자의종류와기호원자의구성

4 1 화학을학습하기전에 화학 ( 化學, Chemistry) 물질의성질과변화를연구하는학문원자와분자에대하여연구하는학문실험화학, 이론화학유기화학, 무기화학, 분석화학, 물리화학, 생화학

5 1 화학을학습하기전에 환경화학 ( 環境化學, Environmental Chemistry) 환경 : 사람이나동식물의생존에영향을미치는주변조건사회 문화적환경과자연적환경대기환경, 수질환경, 토양환경, 폐기물환경,.. 환경오염 : 구성요소의조성비가비정상적인환경환경오염물질오염물질의성질규명이문제해결에필수적임

6 아보가드로수 : 6.02 x 빛의속도 : 3 x 10 8 m/s 화학을학습하기전에 1 지수의사용법지수의성질지수의구성 : a b (a: 밑, b: 지수 ) a b = a a a a a a a a a a (b 개의 a 의곱 ) n m n m n m n m n n a a a a a a a a a,, 1 1, 0

7 1 화학을학습하기전에 지수의사용법 1,000,000 = ,000 = 4.8 x 10,000 = 4.8 x = 3.2 x = 3.2 x ,500,000 = 1.25 x = x

8 1 화학을학습하기전에 로그의사용법 ph = - log[h + ] 로그의구성 : log x y (x: 밑, y: 진수 ) 지수와로그의관계 : y a x x log a y 로그의종류 : 상용로그 (log 10 X = log X ) 와자연로그 (log e X = ln X, e 2.72) 로그의성질 log a b blog a, log ab log a log b, log a b log a-log b

9 1 화학을학습하기전에 단위및기호 국제표준단위계 ( SI Unit) 기본단위와유도단위길이 (m), 질량 (kg), 시간 (s), 온도 (K), 물질의양 (mol), 전류 (A), 광도 (cd) 부피 (m 3 ), 가속도 (m/s 2 = m s -2 ), 힘 (N = kg m s -2 ), 압력 (P = kg m -1 s -2 )

10 1 화학을학습하기전에 섭씨온도, 화씨온도, 절대온도 섭씨온도 (º C) : 1 기압에서물의어는점과끓는점을 0과 1로정의셀시우스 (Celsius, 攝爾思 ) 에의해정의화씨온도 (º F) : 1 기압에서물의어는점과끓는점을 32와 212로정의파렌하이트 (Fahrenheit, 華倫海 ) 에의해정의절대온도 (K) = 섭씨온도 영국켈빈 (Kelvin) 에의해제안

11 1 화학을학습하기전에 단위및기호 접두어 접두어 기호 테라 T 10 9 기가 G 10 6 메가 M 10 3 킬로 k 10 2 헥토 h 접두어 기호 10-1 데시 d 10-2 센티 c 10-3 밀리 m 10-6 마이크로 10-9 나노 n 3,500 g = 3.5 kg, 0.07 mm = 70 m

12 2 물질 (matter) 물질이란? 일정한질량을가지고공간을차지하고있는어떤것 책, 우유, 공기, 물질의세가지상태 고체 (solid), 액체 (liquid), 기체 (gas) 물질을구성하는입자사이에작용하는힘에의하여결정 입자사이의거리 : 기체 > 액체 > 고체

13 2 물질 (matter) 순물질과혼합물 순물질 ( pure substance) 한가지종류의원소또는화합물로이루어진물질화합물 (compound) : 두개이상의원소가일정한비율로결합하고있는물질혼합물 (mixture) 두가지이상의순물질이섞여있는물질균일 (homogeneous) 혼합물과불균일 (heterogeneous) 혼합물

14 2 물질 (matter) 물리적변화와화학적변화 물리적변화상태의변화 : 물 얼음화학적변화성분의변화 : 포도주 식초변화전과후의물질은서로다른물질

15 3 원자의종류와기호 원자 (atom) 물질구성의기본입자화학적으로분리할수있는가장작은입자원소 (element) : 물질을구성하는성분으로서의의미 펜타센 (pentacene) 의 AFM 이미지 Nature Methods 6, 792 (2009) doi: /nmeth

16 3 원자의종류와기호 원자의종류 현재까지검출된원자의수는 118 개 98개만천연에서존재 20개는합성원자 (synthetic atom) 핵융합 (nuclear fusion) 과핵분열 (nuclear fission)

17 3 원자의종류와기호 원소기호 모든원소는간단한기호로구분대체로영문이름의첫한글자또는두글자로표시 C : 탄소 (carbon), S : 황 (sulfur), He : 헬륨 (helium), Al : 알루미늄 (aluminum) 일부는라틴어가어원 Fe : 철 (iron, ferrium), Hg : 수은 (mercury, hydrargyrum) Na ( 나트륨, 소듐 ), K ( 칼륨, 포타슘 )

18 4 원자의구성 원자의구성 핵 (nucleus) + 전자 (electron) 핵 : 양성자 (proton) 와중성자 (neutron) 로구성핵주변에전자가무한운동을하며분포다양한원자모형

19 4 원자의구성 원자의구성 양성자 : 양전하를띠고있는입자중성자 : 전기적으로중성인입자전자 : 음전하를띠고있는입자핵 : 전기적으로양성인입자원자 : 전기적으로중성인입자 양성자의수와전자의수는같음 양성자의수와전자의수가다를경우 : 이온 (ion)

20 4 원자의구성 원자의구성 양성자한개의질량 중성자한개의질량전자한개의질량 양성자한개질량의약 1840분의 1 원자의질량 핵의질량전자한개가갖는음전하의크기 양성자한개가갖는양전하의크기

21 4 원자의구성 원자번호 원자의성질은양성자의수에따라달라짐원자번호 = 양성자의수 H : 1, C : 6, N : 7, O : 8,

22 4 원자의구성 동위원소 (isotope) 양성자의수와중성자의수가항상같은것은아님특정원자에서양성자의수는일정하지만중성자의수는다를수있음화학적성질은같지만질량의차이발생, 원소기호원자번호양성자수중성자수전자수비율 (%) 16 O O O H H

23 4 원자의구성 질량수 (mass number) 양성자한개의질량 중성자한개의질량양성자한개의질량과전자한개의질량을각각 1과 0으로정의질량수 = 양성자의수 + 중성자의수

24 4 원자의구성 전자배치 보어 (Bohr) 모형 전자는핵주변의정해진원형궤도를돌고있음 전자궤도 ( 각 ) K, L, M, N, N M L K 핵

25 4 원자의구성 전자배치 양자수 (quantum number) 양자역학을이용하여전자의운동을설명할때사용되는수 주양자수 (n), 부양자수 (l), 자기양자수 (m l ), 스핀양자수 (m s ) 전자궤도와주양자수 전자궤도 K L M N 주양자수 (n) 수용가능한최대전자의수 (2n 2 )

26 4 원자의구성 전자배치 가장낮은에너지를갖는전자궤도부터채워나감전자궤도에수용되는최대전자수를모두채운후다음궤도에전자를채움 K L M N 원자는가장안정한상태에있다는가정이필요함

27 4 원자의구성 전자배치 원자와전자배치 H He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca

28 4 원자의구성 원자가전자 (valence electron) 안정한상태에서전자를모두채웠을때가장바깥궤도에존재하는전자핵과의상호작용이가장약한전자정전기력 : 양전하와음전하사이의인력화학반응에참여하는전자최외각전자와같은의미예외 : 비활성기체 (He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn)

29 2 강 주기율표와화학식

30 목차 주기율표 이온과분자 화학식

31 1 주기율표 삼조원소 (triads) 독일화학자되버라이너 (Johann Wolfgang Döbereiner) 성질이비슷한원소 3 개의질량은일정한규칙이있음 원소 1 상대질량 Li 6.9 Ca 40.1 Cl 35.5 S 32.1 상대질량 원소 2 원소 3 평균질량상대질량 Na Sr Br Se K 39.1 Ba I Te 127.6

32 1 주기율표 원소일람표 러시아화학자멘델레예프 (Dmitri Ivanovich Mendeleev) 성질이비슷한원소를세로로정렬한표

33 1 주기율표 주기율표 족 (group): 세로줄비슷한화학적성질주기 (period): 가로줄성질의규칙적변화경향

34 1 주기율표 주기율표

35 1 주기율표 원소의분류 주족 ( 전형 ) 원소 : 1~ 2 열과 13~18 열 전이원소 : 3~12 열 원소의성질을주기율표의위치로부터알수있음 주기성이없어주기율표만으로성질을예측할수없음 모두금속원소

36 1 주기율표 원소의분류 같은족의원소는비슷한성질을가짐알칼리금속 (1족) : 반응성이큰금속물과반응하여수소발생수용액은염기성알칼리토금속 (2족) : 반응성이큰금속반응성 : 알칼리금속 > 알칼리토금속

37 1 주기율표 원소의분류 할로겐 (17 족 ): 반응성이큰비금속금속또는수소와화합물형성비활성기체 (18 족 ): 반응성이거의없는기체안정한상태의원자로존재

38 1 주기율표 원소의분류 금속성원소 : 산 (acid) 과반응하여수소 (H 2 ) 발생양쪽성원소 : 산 (acid) 또는염기 (base) 와반응하여수소 (H 2 ) 발생 Al, Zn, Sn, Pb,

39 1 주기율표 원자의크기 원자반지름같은 족 : 원자번호가증가할수록증가핵과최외각전자사이의거리같은 주기 원자번호가증가할수록감소양성자수의증가

40 1 주기율표 원자의크기 원자반지름 원자반지름 원자번호

41 1 주기율표 유효핵전하 (effective nuclear charge) 원자의크기는핵이주변의전자를끌어당기는힘에의해결정 최외각전자가느끼는핵전하는내부전자의가리움효과에감소 Z eff ( 유효핵전하 ) Z( 실제핵전하 ) S( 다른전하에의해가로막혀진전하 )

42 2 이온과분자 이온 (ion) 양성자의수와전자의수가다른원자 원자는양성자의수와같은수의전자를가지고있으나, 전자를잃거나외부로부터전자를얻어이온형성 양이온 : 원자가전자를잃으며생성됨 원자 양이온 + + 전자 (e - ) 음이온 : 원자가전자를얻으며생성됨 원자 + 전자 (e - ) 음이온 -

43 2 이온과분자 불활성기체의전자배치 He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn 매우안정한원소 반응성이거의없음최외각전자의수 He : 2개 Ne, Ar, Kr, Xe, Rn : 8개

44 2 이온과분자 이온화 원자가전자를잃거나얻는과정 Na Na + Na 원자 Na 양이온 e - Cl + Cl Cl 원자 e - Cl 음이온

45 2 이온과분자 이온의표시 원소기호의우측상단에전하종류 ( + / ) 와잃거나얻은전자의수를표시 핵핵 + Al 원자 Al 3+ 3e - 핵 + 핵 S 원자 2e - S 2-

46 2 이온과분자 이온가수 이온이되며잃거나얻은전자의수 1가이온 : Li, Na,K, F, Cl,Br,I, 가이온 : Mg,Ca, O, S, 가이온 : B,Al, N, P, 전이금속은여러가지이온가수를가질수있음 Fe, Fe,... Cu,Cu 2 3 2,...

47 2 이온과분자 제 1 이온화에너지 기체상태의원자로부터전자한개를제거하는데필요한에너지안정한원자로부터전자를제거하기위해항상에너지가필요함비활성기체의제 1 이온화에너지가가장큼알칼리금속의제 1 이온화에너지가가장작음같은 족 에서원자번호증가에따라감소같은 주기 에서원자번호증가에따라증가

48 2 이온과분자 제 1 이온화에너지 제 1 이온화에너지 원자번호

49 2 이온과분자 전자친화도 기체상태의원자가전자한개를얻으며방출하는에너지전자가원자와결합하며전체적으로에너지의안정화가일어남주기율표에서경향성을보이지는않음같은 주기 에서할로겐족원소가가장큼

50 2 이온과분자 분자 (molecule) 2개이상의원자가화학결합을통하여생성하는입자같은원소끼리결합한분자 O 2 ( 산소 ), N 2 ( 질소 ), Cl 2 ( 염소 ), 서로다른원자사이의결합으로이루어진분자 H 2 O ( 물 ), CO 2 ( 이산화탄소 ), H 2 SO 4 ( 황산 ), 대부분의화합물은분자의형태로존재

51 2 이온과분자 다원자이온 여러개의원자가결합한상태에서이온으로존재할수있음 NH + 4 SO 2-4 OH - CO 2-3 NO - 3 PO 3-4 암모늄이온황산이온수산화이온탄산이온질산이온인산이온

52 3 화학식 화학식 (chemical formula) 원소기호를이용하여화합물을구성하는원자의종류와수를표시한식일반적구성 A x B y C z. NaCl, H 2 O, H 2 SO 4, CH 3 COOH, CH 3 (CH 2 ) n CH 3,(CH 2 O) n, 조성식, 분자식, 시성식, 구조식, 전자식, 이온식

53 3 화학식 조성식 ( 실험식, empirical formula) 화합물을구성하는원자의종류와각원자의상대적비율을표시한식금속및이온화합물의표시 Au, NaCl, CuCl 2, 실험을통하여얻어지는화합물의원자조성표시탄수화물의조성식 : CH 2 O 벤젠의조성식 : CH

54 3 화학식 분자식 (molecular formula) 화합물을구성하는원자의종류와각원자의실제수를표시한식금속및이온화합물에대해서는조성식과분자식이같은의미조성식의정수배 : 분자식 = ( 조성식 ) n 조성식과분자식이같은화합물도존재 화합물 아세트산 물 분자식 C 2 H 4 O 2 H 2 O 조성식 CH 2 O H 2 O

55 3 화학식 시성식 (rational formula) 화합물에포함된작용기 (functional group) 를표시한식작용기 : 물질의특성을결정하는원자들의특정한결합형태유기화합물의구분 작용기 이름 작용기 이름 -OH 알코올 -CHO 알데하이드 -COOH 카복시산 -NH 2 아민 아세트산 : CH 2 O, C 2 H 4 O 2, CH 3 COOH

56 3 화학식 구조식 (structural formula) 화합물을구성하는원자의결합방식을선으로표시한식 개략적으로기하학적모형정보를제공 H 2 O CO 2 CH 3 COOH

57 3 화학식 전자식 (electronic formula) 원자의최외각전자만을나타낸식 H C O Cl Ar 점구조식 : 원자사이의결합을전자식으로표시 H O H O C O H O H C C O H H H 2 O CO 2 CH 3 COOH

58 3 화학식 이온식 (ionic formula) 이온의전하종류와이온가수를표시한식이온화합물의구성이온을표시하기도함 Na + Cl, Ag + NO 3,

59 3 강 화학량과화학결합

60 목차 1 2 화학에서사용되는여러가지양 화학결합

61 1 화학에서사용하는여러가지양 원자량 상대적인원자질량 (relative atomic mass) 기준원자 : 질량수가 12 인탄소 (1.993 x g / 탄소원자 ) 질량수가 12 인탄소의원자량 : 12 원자의단위질량 : 1.66 x g 원자량 = 양성자 / 중성자한개의질량 원자한개의질량원자의단위질량

62 1 화학에서사용하는여러가지양 원자량 일반적으로가장흔한원소의원자량을사용수소 ( 1 H, %) 의원자량 : 1 산소 ( 16 O, %) 의원자량 : 16 평균원자량한가지동위원소가지배적으로존재하지않을경우 35 Cl : 75.8 %, 37 Cl : 24.2 % 염소 (Cl) 의평균원자량 : 35.5

63 1 화학에서사용하는여러가지양 분자량 분자식으로표현되는물질의상대질량분자식에표시된각원자의원자량을합한무단위의값아세트산 (CH 3 COOH) 의분자량 12 (C) x 2 + 1(H) x (O) x 2 = 60 황산 (H 2 SO 4 ) 의분자량 1 (H) x (S) x (O) x 4 = 98

64 1 화학에서사용하는여러가지양 화학식량 ( 조성식량 ) 조성식 ( 실험식 ) 으로표현되는물질의상대질량조성식에표시된각원자의원자량을합한무단위의값염화소듐 (NaCl) 의화학식량 23 (Na) (Cl) = 58.5 아세트산 (CH 3 COOH) 의화학식량 12 (C) + 1(H) x (O) = 30

65 1 화학에서사용하는여러가지양 아보가드로수 (Avogadro Number) 와몰 (mol) 연필 12 자루 1 다스 (dozen) 북어 20마리 1 쾌한약 20첩 1 제입자 6.02 x 개 1 몰 (mol) 6.02 x : 아보가드로수 (N A ) 12 C 12 g에포함된탄소원자의수몰 (mol) 단위는전자, 이온, 원자, 분자등모든입자에대해사용

66 1 화학에서사용하는여러가지양 몰질량과분자량 / 원자량 몰질량 : 입자 1 몰의질량을 g 단위로표시한것단위 : g/mol ( 그램 / 몰 ) 원자의몰질량 = 원자량 (g/mol) 12 C의몰질량 = 12 g/mol 분자의몰질량 = 분자량 (g/mol) H 2 O의몰질량 = 18 g/mol

67 1 화학에서사용하는여러가지양 몰질량과분자량 / 원자량 설탕 (C 12 H 22 O 11 ) 0.25 몰의질량 C 12 H 22 O 11 의몰질량 = C 12 H 22 O 11 의분자량 (g/mol) =(12 x x x 11) (g/mol) = 342 (g/mol) 1 mol : 342 g = 0.25 mol : x x = 0.25 x 342 = 85.5 (g)

68 1 화학에서사용하는여러가지양 몰질량과분자량 / 원자량 9 g의 H 2 O에포함된수소원자 (H) 의개수 H 2 O의몰질량 = H 2 O의분자량 (g/mol) = 18 (g/mol) H 2 O 18 g = H 2 O 1 몰 H 2 O 9 g = H 2 O 0.5 몰한분자의 H 2 O에포함된 H의원자수 = 2 개 1 몰의 H 2 O에포함된 H의몰수 = 2 몰 0.5 몰의 H 2 O에포함된 H의몰수 = 1 몰 1몰의수소원자 = 6.02 x 개의수소원자

69 2 화학결합 (Chemical Bonding) 원자사이의결합 비활성기체를제외한대부분의원자는상대적으로불안정비활성기체의특징 : 반응성이없어원자상태로존재 8개의최외각전자 (He는 2 개 ) 원자는다른원자와결합하여더안정화되려는경향이있음

70 2 화학결합 (Chemical Bonding) 화학결합의종류 이온결합 (ionic bonding) NaCl, MgO, 공유결합 (covalent bonding) H 2 O, HNO 3, 금속결합 (metallic bonding) Au, alloys,

71 2 화학결합 (Chemical Bonding) 이온결합 양이온 (M a+ ) 과음이온 (X b- ) 사이의결합 : M b X a 양이온의개수 x 양이온의이온가수 = 음이온의개수 x 음이온의이온가수정전기력이원동력쿨롱의법칙 (Coulomb s law) q q r 1 r 2 1 q 1 q 2 F k r1 r2 2

72 2 화학결합 (Chemical Bonding) 이온결합의세기 이온가수가큰이온사이의결합이더강함 크기가작은이온사이의결합이더강함

73 2 화학결합 (Chemical Bonding) 이온화합물의구조 결정격자구조 양이온주위로음이온이, 음이온주위로양이온이둘러쌓인구조 ZnS CaF 2

74 2 화학결합 (Chemical Bonding) 격자에너지 (lattice energy) 이온결합화합물의안정도는각이온의주위에존재하는모든이온사이의상호작용에의하여결정 고체의이온화합물 1 몰을기체상태의이온으로만드는데필요한에너지 화합물 격자에너지 (kj/mol) LiCl 828 LiBr 787 NaCl 788 KBr 689 MgCl

75 2 화학결합 (Chemical Bonding) 공유결합 두원자가각원자의최외각전자의일부또는전부를서로공유하는결합공유된전자는두원자핵의인력을동시에받음대부분의분자는공유결합성물질공유결합화합물의구조를루이스 (Lewis) 구조로나타낼수있음 H + H H H

76 2 화학결합 (Chemical Bonding) 공유결합 팔전자규칙 (octet rule) 원자는자기주위에여덟개의최외각전자가배열될때까지다른원자와결합하려는경향이있음 ( 수소는두개 ) C + 4 H H H C H H O + 2 H O H H

77 2 화학결합 (Chemical Bonding) 공유결합 공유전자쌍과고립 ( 비공유 ) 전자쌍 H Cl H + Cl 고립 ( 비공유 ) 전자쌍 공유전자쌍 다중결합공유전자쌍의수로구분단일결합, 이중결합, 삼중결합 N N O H O H

78 2 화학결합 (Chemical Bonding) 공유결합의구조식 공유전자쌍을선으로표시고립전자쌍은구조식에서생략 H Cl H H C H H O O O = O

79 2 화학결합 (Chemical Bonding) 공유결합 팔전자규칙에위배되는화합물도존재 불완전한팔전자계 : BeH 2, BF 3, 홀수전자분자 : NO, NO 2, 확장된팔전자계 : PCl 5,

80 2 화학결합 (Chemical Bonding) 전기음성도 (electronegativity) 화학결합에참여하는원자가전자를끌어당기는힘의정도 F O N C Cl S Br I

81 2 화학결합 (Chemical Bonding) 공유결합의종류 극성공유결합전기음성도의차가큰원자사이의공유결합 HCl, H 2 O, NH 3, 비극성공유결합동일원자사이의공유결합 H 2, O 2, N 2,

82 2 화학결합 (Chemical Bonding) 금속결합 금속원자가규칙적이면서입체적인배열을하는결정구조각원자의최외각전자는일부중복 자유전자자유전자의이탈로인하여원자는양이온성으로존재양이온성원자사이의반발력을자유전자가완화 e - e - e - Cu 2+ Cu 2+ Cu 2+ Cu 2+ Cu 2+ e - e - e - e - e - e - e - e - e - e - Cu 2+ Cu 2+ Cu 2+ Cu 2+ Cu 2+ e - e - e - e- e - e - e -

83 2 화학결합 (Chemical Bonding) 금속결합 공유결합과의차이모든구성원소가전자를공유이온결합과의차이양이온사이의자유전자가결합에기여연성과전성외부충격에대해자유전자가양이온사이의반발력을쉽게완화자유전자에의한전도성

84 2 화학결합 (Chemical Bonding) 결합의세기 원자사이의결합력공유결합 > 이온결합 > 금속결합공유결합의세기삼중결합 > 이중결합 > 단일결합이온결합의세기이온의크기와전하 ( 이온가수 ) 의크기

85 2 화학결합 (Chemical Bonding) 수소결합 H-O, H-N, H-F 결합을갖고있는분자사이의결합 H와 O, N, F 사이의전기음성도차이가매우큼극성공유결합으로전자는 O, N, F에치우쳐분포됨 δ - δ - δ + δ - δ + δ + δ + δ + δ + 공유결합보다는약한결합단백질의구조, DNA 의구조형성에기여

86 4 강 화학의기본법칙과반응식

87 목차 1 2 화학의기본법칙 화학반응식

88 1 화학의기본법칙 질량보존의법칙 화학반응전반응물의총질량과화학반응후생성물의총질량은같다라브와지에 (Antoine Lavoisier) 2HgO 2Hg + O 2 가열 g g 32.0 g 화학반응과정에서물질은소멸되지않고변할뿐임

89 1 화학의기본법칙 정비례의법칙 화합물을구성하고있는성분원소의질량비는항상일정하다조성식 ( 실험식 ) 의의미 H 2 O CH 3 COOH H O C H O 원자수 상대질량 조성비

90 1 화학의기본법칙 배수비례의법칙 A 와 B 가반응하여 2 종류이상의화합물을만들때, 일정량의 A 와결합하는 B 의양은서로간단한정수비를가진다 화합물분자식분자량 산화철 산화질소 O 의상대질량 Fe / N 의상대질량 O 의상대질량 Fe/N 의상대질량 상댓값 FeO /7 2 Fe 2 O /7 3 N 2 O /7 1 NO /7 2 N 2 O /7 3 NO /7 4 N 2 O /7 4 N 2 O /7 5

91 1 화학의기본법칙 돌턴의원자설 원소 (element) 는원자 (atom) 라불리는매우작은입자로구성된다. 같은원소를구성하는원자는크기와질량및성질이모두같다. 원자는나눌수없고, 창조되거나파괴될수없다. 서로다른원자는간단한정수비로결합하여화합물을만든다. 화학반응을통하여원자는결합하고, 분리되고, 재배열된다.

92 1 화학의기본법칙 기체반응 ( 개이루삭, Gay-Lussac) 의법칙 돌턴의원자설 : 원자는간단한정수비로결합하여화합물을만든다. + C O O O C O 화학반응에관여하는기체의부피는 간단한정수비로나타낼수있다. CO CO + O 2 CO 2 CO 2

93 1 화학의기본법칙 아보가드로의분자설 기체는 2개이상의원자로구성된분자 (molecule) 의집단이다. 같은온도, 압력, 부피의기체는같은수의분자를포함한다. 아보가드로의법칙 0, 1기압에서기체 1몰이차지하는부피는 22.4 L이다.

94 2 화학반응식 (Chemical Equation) 화학반응 물질의구성원자가분리또는재배열되거나외부로부터다른원자가첨가되어새로운물질이생성되는현상 반응물 (product) 화학반응이일어나기전의물질 생성물 (reactant) 화학반응을통하여생겨난물질

95 2 화학반응식 (Chemical Equation) 화학반응식 화학반응을반응물의화학식과생성물의분자식으로나타낸식반응물또는생성물은 2개이상일수있음물리적반응에도화학반응식을사용화학의기본법칙을만족시킴

96 2 화학반응식 (Chemical Equation) 화학반응식 화학반응식에서화살표를중심으로왼편에는반응물을, 오른편에는생성물을위치시킴 반응물 생성물 반응물또는생성물이 2 개이상일경우 + 로분리 A + B C + D 반응물과생성물의상 (phase) 표시 A(s) + B(l) C(g) + D (aq)

97 2 화학반응식 (Chemical Equation) 화학반응식의의미 화학식을통하여반응물과생성물표시계수 : aa(s) + bb(l) c C(g) + d D (aq) 반응물과생성물의양적관계가장간단한정수비로표시반응물과생성물의상대적개수, 몰수, 질량기체반응의경우, 반응물과생성물의부피비

98 2 화학반응식 (Chemical Equation) 화학반응식의계수결정 : 균형화학반응식 질량보존의법칙에의거하여결정 - 각원자의개수비교 2C a H b + O c C w O x + 3H y O z C : 2a = w, H : 2b = 3y, O : c = x + 3z 암산법 CH 4 + O 2 CO 2 + H 2 O CH O 2 CO H 2 O

99 2 화학반응식 (Chemical Equation) 화학반응식의계수결정 : 균형화학반응식 미정계수법 a C 6 H 6 + b O 2 c CO 2 + d H 2 O C: 6a = c, H: 6a = 2d, O: 2b = 2c + d c = 6a, d = 3a, 2b = 12a + 3a = 15a a : b : c : d = a : 7.5a : 6a : 3a = 2: 15 : 12 : 6 2C 6 H O 2 12CO 2 + 6H 2 O

100 2 화학반응식 (Chemical Equation) 화학반응식의계수결정 : 균형화학반응식 미정계수법 a Na 2 S + b Cu(NO 3 ) 2 c NaNO 3 + d CuS c = 2a, d = a, b = d = a a : b : c : d = a : a : 2a : a = 1: 1 : 2 : 1 Na 2 S + Cu(NO 3 ) 2 2 NaNO 3 + CuS

101 2 화학반응식 (Chemical Equation) 화학양론 (stoichiometry) 균형화학반응식에서화합물의양사이의수적관계샌드위치만들기식빵 2장 + 치즈1장 + 햄1장 + 계란 0.5 개 샌드위치 1개 계란 2 개로만들수있는샌드위치 4 개 샌드위치 3 개를만드는데필요한식빵 6 장

102 2 화학반응식 (Chemical Equation) 화학양론 (stoichiometry) 균형화학반응식 CH O 2 CO H 2 O 메탄분자 1개와산소분자 2개가반응하여이산화탄소분자 1개와 2개의물분자생성산소분자가 4개있을경우, 만들수있는이산화탄소는? 2개

103 2 화학반응식 (Chemical Equation) 화학양론 (stoichiometry) 균형화학반응식의해석분자사이의양적관계 몰 (mol) 관계 몰질량을통한질량관계 ( 질량보존의법칙 ) 기체반응의경우부피관계

104 2 화학반응식 (Chemical Equation) 화학양론 (stoichiometry) 균형화학반응식의해석 2H 2 (g) + O 2 (g) 2H 2 O(g) H 2 2몰과 O 2 1몰이반응하여 H 2 O 2몰을생성 H 2 4g과 O 2 32g이반응하여 H 2 O 36g 생성 H 2 2L와 O 2 1L가반응하여 H 2 O 2L 생성

105 2 화학반응식 (Chemical Equation) 화학양론 (stoichiometry) 균형화학반응식의해석 2C 8 H 18 (l) + 25 O 2 (g) 16CO 2 (g) + 18H 2 O(g) 57 g의 C 8 H 18 을모두연소시키는데필요한산소의질량? C 8 H 18 : O 2 = 2몰 : 25몰 C 8 H 18 의몰질량 = 114g/mol O 2 의몰질량 = 32g/mol 2 : 228x 25 = : 800 x 800 = 57 : x = 200 (g)

106 2 화학반응식 (Chemical Equation) 화학양론 (stoichiometry) 균형화학반응식의해석 2C 8 H 18 (l) + 25 O 2 (g) 16CO 2 (g) + 18H 2 O(g) 114 g의 C 8 H 18 을모두연소시켜발생되는 CO 2 (g) 의부피?(0, 1기압 ) C 8 H 18 : H 2 O = 2몰 : 16몰아보가드로의법칙 1 : 22.4 = 8 : x x = 22.4 x 8 = (L)

107 2 화학반응식 (Chemical Equation) 화학양론 (stoichiometry) 샌드위치만들기 : 식빵 2장 + 치즈1장 + 햄1장 + 계란 0.5 개 샌드위치 1개식빵 10장, 치즈 5장, 햄 4장, 계란 3개로만들수있는샌드위치? 식빵 10장 샌드위치 5개치즈 5장 샌드위치 5개햄 4장 샌드위치 4개계란 3개 샌드위치 6개

108 2 화학반응식 (Chemical Equation) 화학양론 (stoichiometry) 한계반응물 (limiting agent) 화학반응에서생성물의양을제한하는반응물질량으로측정된반응물은몰수로변환균형화학반응식의계수비와반응물사이의몰수비비교과량 (excess) 생성물의양을제한하지않는반응물의양

109 2 화학반응식 (Chemical Equation) 화학양론 (stoichiometry) 이론수득량 (theoretical yield) 한계반응물로부터얻을수있는생성물의최대량실제수득량 (actual yield) 화학반응에서실제로얻은생성물의양이론수득량 실제수득량실제수득량백분율수율 (percent yield) = x 100 이론수득량

110 2 화학반응식 (Chemical Equation) 화학양론 (stoichiometry) 이론수득량과백분율수율의계산 48.6g 의 Mg와 22.4g 의 O 2 를반응시켜 46.7g 의 MgO 를얻음 2Mg(s) + O 2 (g) 2MgO(s) Mg 48.6g : 48.6/24.3 = 2 몰필요한 O 2 : 1몰 O g : 22.4/32 = 0.7 몰필요한 Mg : 1.4 몰 한계반응물 : O 2

111 2 화학반응식 (Chemical Equation) 화학양론 (stoichiometry) 이론수득량과백분율수율의계산 48.6g 의 Mg와 22.4g 의 O 2 를반응시켜 46.7g 의 MgO 를얻음 O 몰은 Mg 1.4 몰과반응하여 1.4 몰의 MgO 생성 MgO 1.4 몰 : 40.3 x 1.4 = 56.4 g ( 이론수득량 ) 실제수득량 = 46.7g 46.7 백분율수율 = x 100 = 83 (%) 56.4

112 2 화학반응식 (Chemical Equation) 화학양론 (stoichiometry) 이론수득량과백분율수율의계산 48.6g 의 Mg와 22.4g 의 O 2 를반응시켜 46.7g 의 MgO 를얻음 O 몰은 Mg 1.4 몰과반응하여 1.4 몰의 MgO 생성 MgO 46.7g : 46.7/40.3 = 1.16 몰 MgO 의이론수득량 = 1.4 몰 1.16 백분율수율 = x 100 = 83 % 1.4

113 2 화학반응식 (Chemical Equation) 화학양론 (stoichiometry) 환경분야의응용오존 (O 3 ) 을이용한시안이온 (CN ) 의제거 2CN + 5O 3 + H 2 O 2HCO 3 + N 2 + 5O 2 KCN (M w =65.1) 1.04 kg의제거에필요한최소 O 3 질량? KCN은수용액에서쉽게분리 ( 해리 ) KCN K + + CN 2몰의 CN 과 5몰의 O 3 이반응

114 2 화학반응식 (Chemical Equation) 화학양론 (stoichiometry) 환경분야의응용오존 (O 3 ) 을이용한시안이온 (CN ) 의제거 2CN + 5O 3 + H 2 O 2HCO 3 + N 2 + 5O 2 KCN (M w =65.1) 1.04 kg의제거에필요한최소 O 3 질량? KCN 1.04 kg : 1040/65.1 = 16 몰필요한 O 3 : 16 x 2.5 = 40 몰 40 x 48 = 1.92 kg

115 5 강 용해와용액의농도

116 목차 물질의세가지상태용액용해평형과용해도용액의농도

117 1 물질의세가지상태 물질의세가지상태 고체 (solid) 일정한형태를유지하는물질액체 (liquid) 흐름성이있고용기에따라외형이달라지는물질기체 (gas) 흐름성이있고용기에따라외형과부피가달라지는물질

118 1 물질의세가지상태 물질의세가지상태 물질의상태 밀도압축성분자의운동 고체높음거의없음고정된위치에서진동 액체높음매우작음자유롭게운동 기체낮음큼매우자유롭게운동

119 1 물질의세가지상태 상평형도표 (Phase Diagram) 상 (phase) 한가지물질의상태상평형도표 (phase diagram) 물질의서로다른상사이의관계를온도와압력에따라나타낸그림삼중점 (triple point) 세가지상이공존하는온도와압력

120 1 물질의세가지상태 상평형도표 (Phase Diagram) 압력 고체 액체 삼중점 기체 온도

121 1 물질의세가지상태 상평형도표 (Phase Diagram) 물 (H 2 O) 의상평형도표 압력 ( 기압 ) 고체 ( 얼음 ) 액체 ( 물 ) 기체 ( 수증기 ) 온도 ( )

122 1 물질의세가지상태 상평형도표 (Phase Diagram) 이산화탄소 (CO 2 ) 의상평형도표 압력 ( 기압 ) 고체 액체 5.1 기체 온도 ( )

123 1 물질의세가지상태 상의변화 압력 ( 기압 ) 고체 액체 응고 융해 액화 ( 응축 ) 기화 증착 승화 기체 온도 ( )

124 1 물질의세가지상태 상의변화 기화 (vaporization) 액체가기체로변하는과정증기압 (vapor pressure) 특정온도에서물질이기화하려는압력끓는점 (boiling point) 증기압이외부압력과같아지는온도정상끓는점 : 외부압력이 1기압일때의끓는점

125 1 물질의세가지상태 상의변화 응고 (freezing) 액체가고체로변하는과정어는점 : 고체상과액체상이공존하는온도융해 ( 녹음 :melting, 용융 :fusion) 고체가액체로변하는과정녹는점 : 액체상과고체상이공존하는온도

126 1 물질의세가지상태 상의변화 승화 (sublimation) 고체가기체로직접변하는과정증착 (deposition) 기체가고체로직접변하는과정

127 2 용액 (Solution) 용해 (dissolution) 두가지이상의물질이균일하게혼합된용액을만드는현상용액의종류 성분 1 성분 2 용액의상태 예 기체 기체 기체 공기 기체 액체 액체 탄산음료 기체 고체 고체 Pd에들어있는 H 2 액체 액체 액체 과산화수소수 고체 액체 액체 소금물 고체 고체 고체 합금

128 2 용액 (Solution) 용액 용매 (solvent) 용액에서상대적으로많은물질용질 (solute) 용매에섞이는물질수용액 (aqueous solution) 물이용매인용액물은가장흔한용매임

129 2 용액 (Solution) 용해의과정 용질입자가용매로분산되는과정용질입자는용매입자가차지하고있던자리를차지함용매분자 / 용질분자사이의분리 용매와용질분자가섞임 용매 용질 용액

130 2 용액 (Solution) 분자의상호작용 반데르발스힘 (van der Waals force) 쌍극자 쌍극자힘, 쌍극자 유도쌍극자힘, 분산력쌍극자 (dipole) 분자내전자분포의불균일 ( 편극 ) 극성분자유도쌍극자 (induced dipole) 극성분자에의해비극성분자내에서일시적으로생긴쌍극자

131 2 용액 (Solution) 분자의상호작용 전기음성도분자내에서전자를잡아당기는힘 N, O, 할로겐족원소 (F, Cl ) 의전기음성도가비교적큼 물분자전자는산소분자에치우쳐있음쌍극자를가지는극성분자 δ + H δ - O H δ + δ - δ +

132 2 용액 (Solution) 분자의상호작용 극성분자분자를구성하는인접원자의전기음성도차이가큰분자 H 2 O, NH 3, HCl, CH 3 OH, 비극성분자분자를구성하는인접원자의전기음성도차이가작은분자대칭형분자 CO 2, CH 4, C 6 H 6,

133 2 용액 (Solution) 분자의상호작용 분산력 (dispersion force) 비극성분자사이의인력전자분포의일시적불균형으로발생되는순간쌍극자의작용 δ + δ - 쌍극자쌍극자쌍극자유도쌍극자 δ + δ - δ + δ - 순간쌍극자순간쌍극자

134 2 용액 (Solution) 분자의상호작용 Like dissolves like 분자사이인력의유형과크기가비슷한물질끼리잘섞임비극성분자는비극성분자에잘녹음극성분자는극성분자에잘녹음이온화합물은극성용매에잘녹음

135 2 용액 (Solution) 용매화 (solvation) 용매화용질입자가특정한방식으로배열된용매분자에의하여둘러싸이는현상수화 (hydration) 물이용매일때의용매화이온의수화현상

136 3 용해평형과용해도 용해평형 용질이용해되는속도와석출되는속도가같은상태평형 (equilibrium) A B 반응과 B A반응이같은속도로이루어지는상태 A 또는 B의양은변하지않으나반응은계속일어나고있음포화용액 (saturated solution) 용해평형이이루어져용질이더이상녹지않는용액용질이용매에녹을수있는최대량 용해도

137 3 용해평형과용해도 용해도 (Solubility) 어떤온도에서용질이용매에녹을수있는최대량용매 100mL에녹을수있는용질의최대질량 (g) 단위 : g/100ml 수용해도용매가물일때용질의용해도

138 3 용해평형과용해도 용해도 (Solubility) 고체용질온도가높아지면용해도는일반적으로증가용질분자의운동에너지증가 용매분자사이에더잘섞일수있음기체용질온도가높아질수록용해도는감소용질분자의운동에너지증가 증기압증가

139 3 용해평형과용해도 용해도 (Solubility) 일반적으로고체의용해도는외부압력에의한영향이거의없음헨리의법칙 (Henry s Law) 액체용매에대한기체의용해도는용액과접하고있는기체의압력과비례함 P ( 외부기체압력 ) = H ( 헨리상수 ) x C ( 용액중기체농도 )

140 3 용해평형과용해도 용해도 (Solubility) 헨리의법칙 (Henry s Law) P ( 외부기체압력 ) = H ( 헨리상수 ) x C ( 용액중기체농도 )

141 3 용해평형과용해도 용해도 (Solubility) 헨리상수 (25 ) 기체 헨리상수 (atm M -1 ) O H CO N He Ar CO

142 4 용액의농도 (Concentration) 농도 (concentration) 용매또는용액의양에대한용질의상대량일정량의용매에용해된용질의양여러가지농도표시단위질량백분율 (%) 몰농도 (M) 몰랄농도 (m) [A] : A의몰농도

143 4 용액의농도 (Concentration) 질량백분율 ( 질량퍼센트 ) 용액의질량에대한용질의질량비에 100 을곱한값 질량백분율 = 용질의질량용매의질량 + 용질의질량 x 100 = 용질의질량 용액의질량 x 100

144 4 용액의농도 (Concentration) 질량백분율 ( 질량퍼센트 ) NaCl 35 g 을물 100 g 에녹인수용액의질량백분율? 질량백분율 = x 100 = x 100 = 25.9(%) 질량백분율이 30% 인 NaOH 수용액 160 ml 에녹아있는 NaOH 의몰수? NaOH 수용액의질량 = 160(mL) x 1.1(g/mL) = 176 g x 176 (NaOH 수용액의밀도 = 1.1 g/ml, NaOH 의몰질량 = 40g/mol ) x 100 = 30, x = 52.8(g), NaOH 의몰수 = = 1.32(mol)

145 4 용액의농도 (Concentration) 몰농도 (M) 용액 1L 에용해되어있는용질의몰수 용질의몰수 (mol) 몰농도 (mol/l = M) = = 용액의부피 (L) 용질의질량 (g) 용질의몰질량 (g/mol) 용액의부피 (L) H 2 SO 4 의몰농도가 0.2M 인용액 750 ml 를만드는데필요한 H 2 SO 4 의질량? H 2 SO 4 의질량 (g) 98g/mol 0.2(M) = 0.75L H 2 SO 4 의질량 (g) = 0.2 x 0.75 x 98 = 14.7(g) (H 2 SO 4 의몰질량 = 98 g/mol)

146 4 용액의농도 (Concentration) 몰랄농도 (m) 용매 1kg 에용해되어있는용질의몰수 용질의몰수 (mol) 몰랄농도 (mol/kg = m) = = 용매의질량 (kg) 용질의질량 (g) 용질의몰질량 (g/mol) 용매의질량 (kg) 주로용액의총괄성 (colligative property) 을다룰때사용총괄성 : 용액의증기압내림, 끓는점오름, 어는점내림, 삼투압용액내에존재하는용질입자의본질에는상관없이용질입자의수에만의존하는성질

147 4 용액의농도 (Concentration) 몰랄농도 (m) 밀도가 0.98g/mL 인 2.5m 메탄올 (CH 3 OH) 수용액에서메탄올의몰농도 (M) CH 3 OH 2.5m = CH 3 OH 2.5 mol 물 1kg ( 물의밀도 = 1g/mL, CH 3 OH 의몰질량 = 32 g/mol) CH = 3 OH 80g 물 1kg 용매 ( 물 ) 가 1L(=1kg) 일때, 2.5m CH 3 OH 수용액의질량 = 1,080g = 1,102mL CH 2.5m CH 3 OH 수용액의몰농도 = 3 OH 2.5mol = 2.27 (M) CH 3 OH (aq) 1.102L

148 6 강 반응속도와화학평형

149 목차 화학반응의속도 화학평형 평형의이동

150 이동속도 = 이동거리이동시간속도 = 화학반응의진행 : 반응물 (A) 생성물 (B) 반응속도 = 화학반응의속도 1 속도 경과시간물리량의변화 t B t t B B t A t t A A t t t t ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [

151 1 화학반응의속도 화학반응속도 평균반응속도와순간반응속도반응시간에따른반응물 / 생성물의농도변화그래프 A B 순간 평균

152 평균반응속도와순간반응속도평균반응속도 = 순간반응속도 = 화학반응의속도 1 화학반응속도 t A t t A A t t ] [ ] [ ] [ ) ( ] [ ] [ ] [ t t dt A d t t A A t t

153 1 화학반응의속도 속도법칙 반응속도를속도상수와반응물농도의지수로표시 a A + b B c C + d D 반응속도 ( v ) = k [A] m [B] n k : 반응속도상수 m, n : A와 B의반응차수 m + n : 전체반응차수 k, m, n 은실험에의하여결정됨

154 1 화학반응의속도 1 차반응 A 생성물 d[a] 반응속도 = = k [A], [A] t = [A] 0 e kt, ln[a] t = -kt +ln[a] dt 0

155 1 화학반응의속도 2 차반응 A + A 생성물 d[a] 반응속도 = = k [A] 2, dt 1 [A] t kt 1 [A] 0

156 1 화학반응의속도 활성화에너지 충돌이론 (collision theory) 반응속도는단위시간당반응입자사이의충돌수에의하여결정활성화에너지 (activation energy) 모든충돌이반응으로이어지지는않음성냥에불을붙이기위해마찰을통한에너지의공급이필요함

157 에너지 에너지 1 화학반응의속도 활성화에너지 활성화에너지 (activation energy) 화학반응이일어나기위해필요한최소한의에너지 반응경로 반응경로

158 1 화학반응의속도 아레니우스방정식 반응속도상수의온도의존성 E a RT k( T) Ae A : 잦음율 (frequency factor) E a : 활성화에너지 R : 기체상수 T : 절대온도

159 1 화학반응의속도 아레니우스방정식 반응속도상수의온도의존성 ln k E a E RT a k( T) Ae ln k ln A, Ea RT y 절편 = lna 0 E 기울기 = a R 1 T

160 a A + b B c C + d D 반응물의농도반응온도일반적으로반응온도 10 상승에반응속도는 2 배빨라짐화학반응의속도 1 화학반응속도의변화 n m RT E n m B A Ae B A k v a ] [ ] [ ] [ ] [ n m RT E n m B A Ae B A k v a ] [ ] [ ] [ ] [ n m RT E n m B A Ae B A k v a ] [ ] [ ] [ ] [

161 에너지 1 화학반응의속도 화학반응속도의변화 활성화에너지변화 : 촉매 ( 정촉매 vs. 부촉매 ), 효소 v k[ A] m [ B] n Ae Ea RT [ A] m [ B] n 반응경로

162 2 화학평형 (Chemical Equilibrium) 가역반응 (reversible reaction) 정반응과역반응이동시에일어나는반응 a A + b B c C + d D 정반응의속도와역반응의속도가같은상태반응물또는생성물의농도변화가관찰되지않음평형상태

163 2 화학평형 (Chemical Equilibrium) 화학평형 평형을이룬반응에서반응물과생성물의농도가같은것은아님평형상태에서반응물과생성물의농도를이용하여반응의우세정도를판단평형상수 (K) a A + b B c C + d D c d [ C] eq[ D] eq K a b [ A] eq[ B] eq 일정한온도에서항상같은값을가짐

164 2 화학평형 (Chemical Equilibrium) 평형상수 [ B] eq A B, K [ A] eq K > 1 K < 1 평형에서생성물이주로존재평형에서반응물이주로존재 농도 농도 반응시간 반응시간

165 2 화학평형 (Chemical Equilibrium) 평형상수의의미 반응방향의예측반응지수 (Q) : 비평형상태에서반응물과생성물의농도비 a A + b B c C + d D [ C] Q [ A] c a [ D] [ B] d b Q < K 정반응진행 Q > K 역반응진행

166 2 화학평형 (Chemical Equilibrium) 평형농도의계산 2L 부피의강철용기에들어있는 H 2 0.5mol, I 2 0.5mol, HI 0.1mol H 2 + I 2 2HI, K=54.3 일때, 각화합물의평형농도? 초기몰수 반응몰수 평형몰수 H 2 + I 2 2HI x - x +2 x x x x K (0.1 2x) 2 (0.5 x) 0.1 2x 0.5 x , x 0.38 H 2 : 0.06 M, I 2 : 0.06 M, HI : 0.44 M

167 3 평형이동 르샤틀리에의원리 평형에있는계에외부에서자극을주면계의평형이이동한다. 외부의자극 : 농도, 압력, 온도등의변화농도의변화 A B 평형상태에서 (K = [B] eq /[A] eq) B를첨가할경우, 새로운 B의농도 = [B] eq + x 반응지수 (Q) > K 이므로역반응이진행

168 3 평형이동 르샤틀리에의원리 압력의변화 A (g) 2B (g) 평형상태에서 (K = [B] 2 eq/[a] eq) 용기부피를반으로감소시킬경우, 새로운 A와 B의농도 : [A]= 2[A] eq, [B]= 2[B] eq 4[ B] eq Q 2K 2[ A] eq 2 K : 역반응진행 압력증가 : 계수의합이작은쪽으로반응진행

169 에너지 에너지 3 평형이동 르샤틀리에의원리 발열반응반응과정에서열이발생하는반응 A + B C + D H o < 0 흡열반응반응과정에서열을흡수하는반응 A + B C + D H o > 0 반응경로 반응경로

170 3 평형이동 르샤틀리에의원리 온도의변화농도와압력의변화는평형상수를변화시키지않음 A + B C + D H o < 0 평형상태에서온도를높일경우, 온도를낮추기위해열을흡수하는역반응이진행온도증가 흡열반응진행온도감소 발열반응진행

171 3 평형이동 촉매와화학평형 촉매의작용활성화에너지를변화시킴정반응과역반응의활성화에너지가모두변함촉매를사용하여도평형상수는변화하지않음평형에다다르는시간을단축시킴