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1 A bag of mostly water - Star Trek - 4 수용액반응

2 Solution is the solution. 단지 140 억년만에이모든것이이루어졌다고? Collision A bag of mostly water - Star Trek - Rareness No mobility Solution is the solution.

3 수용액의일반적인성질 용액 (Solution) A bag of mostly water - Star Trek - 용액 (Solution): 두가지이상의물질이섞여있는균일혼합물 용매 (Solvent): 균일혼합물에서가장많이있는물질 용질 (Solute): 균일혼합물에서적게존재하는물질. 용매이외의것 용액 용매 용질 탄산음료 (l) H 2 O 설탕, CO 2 공기 (g) N 2 O 2, Ar, CH 4 납땜 (s) Pb Sn 수용액 (Aqueous solution) 풍부한물 -> 다양한종류의화학반응 -> 다양한물질 왜 물 이어야할까?

4 수용액의일반적인성질 물 :Universal solvent 물이왜중요? 물은많은종류의물질을녹일수있다. 알려진것중가장좋은 Universal Solvent * Universal solvent: 산과염기모두녹일수있는물질 물은그극성으로인해이온화합물그리고극성분자와인력이잘작용한다. 이온화합물 분자 Ethanol Like dissolves Like. NaCl(s) Na + (aq) + Cl - (aq) H 2 O 수화 (Hydration) 또는용해화 (Solvation): 이온이물로둘러쌓이는과정

5 수용액의일반적인성질 물 :Universal solvent 물이왜중요? 물은많은종류의물질을녹일수있다. 알려진것중가장좋은 Universal Solvent * Universal solvent: 산과염기모두녹일수있는물질 물은그극성으로인해이온화합물그리고극성분자와인력이잘작용한다. 이온화합물 그리고.. 생명에의중요성 물이액체상태로있을수있는온도분자범위 (0 o C ~ 100 o C). 얼음의밀도가물의밀도보다낮아얼음이물위에뜬다. Ethanol Like dissolves Like. NaCl(s) Na + (aq) + Cl - (aq) H 2 O 수화 (Hydration) 또는용해화 (Solvation): 이온이물로둘러쌓이는과정

6 수용액의일반적인성질 용질 : 전해질과비전해질 Arrhenius 의가설 : 용액의전도도는용액에녹아있는이온의수에비례한다. ( 학계에서처음 (1880s) 에는인정하지않았으나후 (1890s) 에인정 ) 용질 전해질 (Electrolyte) 은물에녹았을때, 용액이전기를통하게한다. 비전해질 (Nonelectrolyte) 은물에녹아도용액이전기가통하지않는다.

7 수용액의일반적인성질 전해질 : 강전해질과약전해질 강전해질 (Strong electrolytes) 용매에녹았을때 100% 해리되어양이온과음이온을내어놓는물질 이온화합물 (Ionic compounds) H 2 O NaCl(s) Na + (aq) + Cl - (aq) (Sugar) 강산 (Strong acids) 물에서 100 % 해리되어 H + 이온과짝염기 ( 음이온 ) 을내어놓는다. H 2 O HCl H + (aq) + Cl - (aq) H 2 O HNO 3 H + (aq) + NO 3- (aq) H 2 O H 2 SO 4 H + (aq) + HSO - 4 (aq) 강염기 (Strong bases) 물과완전히반응하여 OH - 이온과짝산 ( 양이온 ) 을내어놓는다. H 2 O NaOH Na + (aq) + OH - (aq) H 2 O KOH K + (aq) + OH - (aq)

8 수용액의일반적인성질 전해질 : 강전해질과약전해질 약염기 (Weak bases) 물과약간만반응하여 OH - 이온과짝산 ( 양이온 ) 을내어놓는다. (Sugar) NH 3 (aq) + H 2 O(l) NH 4+ (aq) + OH - (aq) 약전해질 (Weak electrolytes) 용매에녹았을때, 100 % 해리되지않는물질 약산 (Weak acids) 물에서약간만해리되어 H + 이온과짝염기 ( 음이온 ) 을내어놓는다. CH 3 COOH(aq) H + (aq) + CH 3 COO - (aq) 비전해질 (Nonelectrolytes) 용매에녹았을때해리가전혀일어나지않는다. H 2 O C 12 H 22 O 11 C 12 H 22 O 11 (aq) 녹지않는물질 - 용질이아님

9 화학반응의종류 침전반응 (Precipitation reaction): 녹지않는생성물 ( 침전 ) 을만들어내는반응 K 2 CrO 4 (aq) + Ba(NO 3 ) 2 (aq) BaCrO 4 (s) + 2KNO 3 (aq) 산 - 염기반응 (Acid-base reaction): 산과염기사이의반응 NaOH(aq) + HCl(aq) NaCl(aq) + H 2 O(l) 산화 - 환원반응 (Oxidation-reduction reaction): 물질들사이의전자전달반응 CH 4 (g) + 2O 2 (g) CO 2 (g) + 2H 2 O(g) hydrated methane

10 침전반응 (Precipitation Reaction) 침전반응 (Precipitation reaction): 녹지않는생성물 ( 침전 ) 을만들어내는반응 Pb(NO 3 ) 2 (aq) + 2 KI(aq) PbI 2 (s) + 2 KNO 3 (aq) 2 KNO 3 (aq)

11 침전반응 이온화합물의용해도규칙 용해도 (Solubility): 일정한온도에서일정한용매량에녹는물질의양 불용성물질 : 용해도가 0.01 mol/l 이하 Ex) 가용성, 불용성? Na 2 CO 3 : 가용성 PbSO 4 : 불용성

12 침전반응 교환 ( 복분해 ) 반응 교환반응 (Exchange reaction), 복분해반응 (Metathesis reaction): 두가지반응물중양이온들이음이온들을서로교환하는반응 복분해반응의균형을맞추기 Pb(NO 3 ) 2 (aq) + 2 KI(aq) PbI 2 (s) + 2 KNO 3 (aq) AX+ BY AY + BX AgNO 3 (aq) + KCl(aq) AgCl(s) + KNO 3 (aq) 1. 반응물의화학식을사용하여, 어떤이온이존재하는지결정 2. 생성가능한이온화합물의조합찾기 3. 조합중불용성찾기 4. 반응식의균형맞추기 Ex) Mg(NO 3 ) 2 (aq) + 2 NaOH(aq) Mg(OH) 2 (s) + 2 NaNO 3 (aq) BaCl 2 (aq) + K 2 SO 4 (aq) BaSO 4 (s) + 2 KCl(aq)

13 침전반응 이온반응식 Pb(NO 3 ) 2 (aq) + 2 KI(aq) PbI 2 (s) + 2 KNO 3 (aq) 분자반응식 (Molecular formula) 에서는반응물과생성물의모든화학식을나타낸다. ( 분자형태로나타낸다.) 이온반응식 (Ionic equation) 에서는반응혼합물에서발견되는화학종을좀더정확하게나타낸다. Pb 2+ (aq) + 2 NO 3- (aq)+ 2 K + (aq) + 2 I - (aq) PbI 2 (s) + 2 K + (aq) + 2 NO 3- (aq) 구경꾼이온 (Spectator ion): 반응에참여하지않는이온 (NO 3-, K + ) 알짜이온반응식 (Net ionic equation): 실제반응에참여한화학종만표시 Pb 2+ (aq) + 2 I - (aq) PbI 2 (s) 분자반응식 : AgNO 3 (aq) + NaCl(aq) AgCl(s) + NaNO 3 (aq) 이온반응식 : Ag + (aq) + NO 3- (aq) + Na + (aq) + Cl - (aq) AgCl(s) + Na + (aq) + NO 3- (aq) 알짜이온반응식 : Ag + (aq) + Cl - (aq) AgCl(s) 구경꾼이온 : Na +, NO 3 -

14 산 - 염기반응 산, 염기의정의 산-염기반응 (Acid-base reaction): 산과염기사이의반응 NaOH(aq) + HCl(aq) NaCl(aq) + H 2 O(l) 산, 염기의정의 산 (Acid) 염기 (Base) Arrhenius H + 를생성 OH - 를생성 수용액에서만정의됨 Brønsted-Lowry H + 주개 H + 받개 수용액, 비수용액에서모두정의됨 Lewis e - 쌍 (pair) 받개 e - 쌍 (pair) 주개1 HCl(aq) H + (aq) + Cl - (aq) HNO 3 (aq) H + (aq) + NO 3- (aq) CH 3 COOH(aq) H + (aq) + CH 3 COO - (aq)

15 산 - 염기반응 산, 염기의세기 일양성자산 (monoprotic acid), 이양성자산 (diprotic acid) HCl(aq) H + (aq) + Cl - (aq) HNO 3 (aq) H + (aq) + NO 3- (aq) CH 3 COOH(aq) H + (aq) + CH 3 COO - (aq) 시트르산 (citricd acid) 강산 (Strong acids) 물에서 100 % 해리되어 H + 이온과짝염기 ( 음이온 ) 을내어놓는다. 강염기 (Strong bases) 물과완전히반응하여 OH - 이온과짝산 ( 양이온 ) 을내어놓는다. 약산 (Weak acids) 물에서약간만해리되어 H + 이온과짝염기 ( 음이온 ) 을내어놓는다. 약염기 (Weak bases) 물과약간만반응하여 OH - 이온과짝산 ( 양이온 ) 을내어놓는다. Ex) 산의세기 HY > HZ > HX

16 산 - 염기반응 산, 염기의세기 주의 : 이표에서강염기는이온성화합물에속함, 불용성이온화합물이라도물에녹으면 100% 양이온, 음이온으로해리되어강전해질로분류

17 산 - 염기반응 중화반응과염 중화반응 (Neutralization reaction): 산과염기가반응하여염 (salt) 과분자화합물을생성하는반응. 수용액에서는물이같이생성될수있다. 염 (Salt): 이온결합화합물 HCl(aq) + NaOH(aq) H 2 O(l) + NaCl(aq) 산 + 염기 H 2 O(l) + 염 이온반응식 : H + (aq) + Cl (aq) + Na + (aq) + OH (aq) Na + (aq) + Cl (aq) + H 2 O(l) 알짜이온반응식 : H + (aq) + OH (aq) H 2 O(l)

18 산 - 염기반응 중화반응과염 분자반응식 알짜이온반응식 : Mg(OH) 2 (s) + 2H + (aq) Mg 2+ (aq) + 2 H 2 O(l)

19 산 - 염기반응 기체생성을하는중화반응 황화이온 (sulfide ion) 과탄산이온 (carbonate ion) 은 H + 와반응하여기체생성 2 HCl(aq) + Na 2 S(aq) H 2 S(g) + 2 NaCl(aq) 알짜이온반응식 : 2 H + (aq) + S 2- (aq) H 2 S(g) 2 HCl(aq) + NaHCO 3 (aq) H 2 CO 3 (g) + NaCl(aq) H 2 O(l) + CO 2 (g) 분자반응식 : 2 HCl(aq) + NaHCO 3 (aq) NaCl(aq) + H 2 O(l) + CO 2 (g) 알짜이온반응식 : H + (aq) + HCO 3- (aq) H 2 O(l) + CO 2 (g)

20 산화 - 환원반응 (Redox reaction) 산화 - 환원반응 (Oxidation-reduction reaction): 물질들사이의전자전달반응 CH 4 (g) + 2O 2 (g) CO 2 (g) + 2H 2 O(g) Na(s) Cl 2 (g) NaCl(s) 2Mg(s) + O 2 (g) 2MgO(s) 전자가전달되었다는것을어떻게판정하는가?

21 산화 - 환원반응 산화수 (Oxidation number) 와형식전하 (Formal charge) 형식전하 (Formal charge): 화학결합을완전한공유결합이라고가정하였을때원자의알짜전하수 H A B H C H 0 H 공유전자를반분 형식전하 = 원자의알짜전하 산화수 (Oxidation number): 화학결합을완전한이온결합이라고가정하였을때원자의알짜전하수 H +1 A B H C H (for χ A > χ B ) H +1 전기음성도가큰원자가공유전자를가짐산화수 = 원자의알짜전하전기음성도 (Electronegativity): 어떤원자가결합전자쌍을끌어당기는능력의척도

22 산화 - 환원반응 산화수 (Oxidation Number) Ex) 각원자의산화수? CO 2 O: -2, C: +4 SF 6 F: -1, S: +6 NO 3 - O: -2, N: +5 Fe 3 O 4 O: -2, Fe: +8/3

23 산화 - 환원반응 산화 (Oxidation) 와환원 (Reduction) 산화수 환원 (reduction) 산화 (oxidation) Ca: 환원제 (reductant, reducing agent) O 2 : 산화제 (oxidant, oxidizing agent) 산화와환원은동시에일어난다. 잃은전자의개수 = 얻은전자의개수

24 산화 - 환원반응 산과염에의한금속의산화 A: 금속, BX: 산또는염치환반응 (Displacement reaction) 어떤반응이일어날지어떻게아는가?

25 산화 - 환원반응 활동도계열 활동도계열 (Activity series): 금속이산화되는용이성의순서 Ex) Zn(s) + 2H + (aq) Zn 2+ (aq) + H 2 (g) Zn(s) + 2 HBr(aq) ZnBr 2 (aq) + H 2 (g) Mn(s) + Pb 2+ (aq) Mn 2+ (aq) + Pb(s) Mn(s) + Pb(NO 3 ) 2 (aq) Mn(NO 3 ) 2 (aq) + Pb(s)

26 산화 - 환원반응 활동도계열 귀금속?

27 산화 - 환원반응 활동도계열 Ex) 염화철 (II) 수용액이금속마그네슘을산화시킬것인가? 만약그렇다면, 그반응의균형맞춘분자반응식과알짜이온반응식을쓰시오. FeCl 2 (aq) + Mg(s)? 알짜이온반응식 : Fe 2+ (aq) + Mg(s) Mg 2+ (aq) + Fe(s) 분자반응식 : FeCl 2 (aq) + Mg(s) MgCl 2 (aq) + Fe(s)

28 용액의농도 몰농도 농도 (Concentration): 일정량의용매또는용액에녹아있는용질의양몰농도 (Molarity): 용액 1L에녹아있는용질의양 몰농도(M) 용질의몰수 (mol) 용액의부피(L) 1.00M CuSO 4 용액 L 만들기

29 용액의농도 몰농도 Ex) 23.4g 황산소듐 (Na 2 SO 4 ) 을충분한물에녹여 125 ml 용액을만들었다. 용액의몰농도? Ex) M Na 2 SO 4 의 L 를만들기위해필요한 Na 2 SO 4 의질량? Ex) M 질산칼슘 (Ca(NO 3 ) 2 ) 수용액에녹아있는각이온의몰농도? Ca(NO 3 ) 2 Ca 2+ (aq) + 2NO 3- (aq) Ca 2+ : M NO 3- : M

30 용액의농도 용액묽히기 1.00 M CuSO 4 를희석하여 M CuSO ml 만들기 희석전용질의몰수 = 희석후용질의몰수 M c V c = M d V d Ex) 0.10 M H 2 SO ml 를만들때필요한 3.0 M H 2 SO 4 은몇 ml?

31 용액의화학량론과화학분석 화학반응식 => 반응물과생성물의비율 => 몰수 => 질량 Ex) 25.0 ml M HNO 3 용액을완전히중화시키기위해필요한 Ca(OH) 2 의질량?

32 용액의화학량론과화학분석 적정 적정 (Titration): 표준용액을사용하여용질의농도를결정하는방법 표준용액 (Standard solution): 용질의농도를정확히알고있는용액 표준용액만들기 1. Stock solution ( 농도가진한용액 ) 2. 묽히기 M c V c = M d V d

33 용액의화학량론과화학분석 적정 적정 (Titration): 표준용액을사용하여용질의농도를결정하는방법 산 - 염기반응, 침전반응, 산화 - 환원반응을이용하여적정 산 - 염기적정 당량점 (Equivalent point): 미지농도의용액에있는용질의몰수와넣어주는표준용액에있는용질의몰수가같은점 Ex) 표준용액 NaOH 대신같은농도의 Ba(OH) 2 을사용하면표준용액의부피는얼마로변하는가?

34 용액의화학량론과화학분석 적정 Ex) 감자껍질을벗기기위한상업적방법으로, 감자를 NaOH 용액에짧은시간담근다음물로씻으면대량으로감자껍질을쉽게벗길수있다. 이때 NaOH 는보통 3 ~6M 농도용액을사용하고, 정기적으로용액의농도를검사해야한다. 분석에서 45.7 ml M H 2 SO 4 용액의완전한중화에 20.0 ml NaOH 용액을사용하면, NaOH 용액의농도는얼마인가? 1 mol H 2 SO 4 2 mol NaOH

35 용액의화학량론과화학분석 적정 Ex) 인산포타슘 (K 3 PO 4 ) 시료 70.5 mg 을 M 질산은 (AgNO 3 ) 용액 15.0 ml 에첨가하여침전물을만든다. (a) 분자반응식을쓰시오. (b) 한계반응물은어느것인가? (c) 침전물생성의이론적수득량을그램으로계산하시오. (a) 분자반응식 (b) 한계반응물 K 3 PO 4 (aq) + 3 AgNO 3 (aq) Ag 3 PO 4 (s) + 3 KNO 3 (aq) (c) 침전물생성의이론적수득량