Chapter 5. 화학계산 5.1 화학적문장 : 화학식화학반응식 : 변화에관련된원소와화합물을나타내기위하여기호와화학식을사용하여화학변화를기술화학반응식균형맞추기 ex) 수소는산소와반응하여물을생성한다. 화학반응식의균형맞추는전략 1. 어떤원소가반응식의양쪽에있는한가지물질에만들어있다면그원소의균형을먼저맞춘다. 2. 원소로존재하는반응물이나생성물은가장나중에균형을맞춘다.
ex) 고체실리콘카아바이드와일산화탄소기체를생성하는고체이산화규소와고체탄소사이의식에대한균형반응식을쓰시오. 1. 반응식의골격을써라. 2. 어떤원소가식의양쪽에서한화합물에만있으면먼저그것의계수를맞춰라. 그러한원소가하나이상있으면비금속보다는금속을균형잡아라. 3. 어떤원소가화학반응식의양쪽에서자유로운원소라면, 마지막에균형을잡아라. 4. 균형반응식이분수인계수를포함한다면적당한인자를전체식에곱하여정수로만들어라. 5. 그식이맞추어져있는지확실히하기위해양쪽에있는각원자의전체개수를합함으로써점검하라. 1. SiO 2 (s) + C(s) SiC(s) + CO(g) 2. Si 는이미계수가맞추어져있다. O 의계수를맞추려면 CO(g) 앞에 2 를적음. SiO 2 (s) + C(s) SiC(s) + 2 CO(g) 3. C 의계수를맞추려면 C(s) 의앞에 3 을적음. SiO 2 (s) + 3 C(s) SiC(s) + 2 CO(g) 4. 이단계는이예제에서는불필요 5. SiO 2 (s) + 3 C(s) SiC(s) + 2 CO(g) 반응물 생성물 Si 원자 1개 Si 원자 1개 O 원자 2개 O 원자 2개 C 원자 3개 C 원자 3개 식은균형잡혀있다. ex) 다음화학반응식의완성하시오. Fe(s) + HCl(aq) FeCl 3 (aq) + H 2 (g)
5.2 화학반응식에서부피관계게이뤼삭의기체반응의법칙 : 온도와압력이일정할때기체반응물과생성물의부피는간단한정수비가성립 ex) 수소와질소가반응하여암모니아생성 그림 5.3 게이뤼삭의기체반응의법칙 아보가드로의가설 : 온도와압력이일정할때같은부피의모든기체는같은수의분자를 ex) 수소와질소가반응하여암모니아생성 ( 3H 2 (g) + N 2 (g) 2NH 3 (g) ) 그림 5.4 게이뤼삭의기체반응의법칙에대한아보가드로의설명
5.3 아보가드로수와몰아보가드로수 : 탄소-12 12g에있는탄소-12의수 실험적으로 6.0221367 10 23 으로결정 ( 보통 6.02 10 23 으로사용 ) 1 몰 (mol) : 탄소 -12 12g 이갖는원자의수와같은수를갖는물질의양 화학식량 아보가드로수는얼마나큰가? 화학식량 : 탄소 -12 원자에대한상대적인식단위의평균질량 ex) O 2 의화학식량 = 2 O 의원자질량 = 2 16.0u = 32.0u 5.4 몰질량 : 몰 - 질량과질량 - 몰전환 몰질량 몰질량 (molar mass) : 그물질 1 몰의질량 [g/mol] ex) 1 몰 Na = 23.0g Na, 1 몰 CO 2 = 44.0g CO 2
화학반응식에서몰과질량의관계화학반응식은원자와분자의비, 몰비를알려줌 ex) C + O 2 CO 2 화학반응식의몰관계화학양론 : 화학반응식에서반응물과생성물의관계 몰비는균형반응식의계수 ex) C 3 H 8 + 5O 2 3CO 2 + 4H 2 O -1 몰의 C 3 H 8 은 5 몰의 O 2 와반응한다. -3 몰의 CO 2 가 C 3 H 8 1 몰이반응할때마다생성된다. -3 몰의 CO 2 가생성될때마다 4 몰의 H 2 O 가생성된다. 화학반응식의질량관계 계산단계 1. 반응의균형화학반응식을쓴다. 2. 계산에관련된물질의몰질량을결정한다. 3. 몰질량을이용하여주어진양을몰로바꾼다. 4. 균형화학반응식을이용하여주어진물질의몰을원하는물질의몰로전환한다. 5. 몰질량을이용하여원하는물질의몰을그램으로바꾼다
예제 5.8 질량관계이산화탄소를생성하는반응에서 10.0g 의탄소와반응하는데필요한산소의질량을계산하라. 풀이 1단계균형반응식 C + O 2 CO 2 2단계몰질량은 O 2 가 2 16.0=32.0g/mol이고 C가 12.0g/mol이다. 3단계주어진물질인탄소의질량을몰로바꾸면 1mol C 10.0g C 0. 833mol C 12.0g C 4단계균형반응식의계수로부터탄소의양을산소의양으로전환 1mol O2 0.833mol C 0. 833mol O2 1mol C 5단계산소의몰수를산소의그램으로전환 32.0g O 0.833mol O g O 2 2 26. 7 1mol O2 2
5.5 용액 용액 : 2 가지이상의물질이균일한혼합물 ( 용액 = 용질 + 용매 ) 수용액 : 용매가물인용액 용액의농도묽은용액 (dilute solution) : 많은용매에적은양의용질을포함한용액진한용액 (concentrated solution) : 많은용질이상대적으로적은양의용매에녹아있는용액 몰농도몰농도 (molarity, M) : 1L 의용액에있는용질의몰수 백분율농도 부피백분율농도 (%) = 질량백분율농도 (%) = 용질의부피 100 용액의부피 용질의질량용액의질량 100
예제 5.10 용액농도 : 몰농도 333g의탄산수소칼륨이 10.0L의수용액에녹아있다. 몰농도는? 풀이 먼저, 탄산수소칼륨 (KHCO 3 ) 의양을몰수로전환하면 333g KHCO 3 100.1g/mol KHCO 3 = 3.33mol KHCO 3 몰농도 = 3.33mol KHCO3 0. 333M 10.0L solution KHCO 3 예제 5.11 용액의제조 : 몰농도 0.500L의식염수를 (0.15M NaCl) 제조하는데필요한 NaCl의그램수는? 풀이용질의몰수 = 몰농도 용액의부피 = 0.15mol/L 0.500L = 0.075mol NaCl 용질의질량 = 용질의몰수 몰질량 = 0.075mol 58.4g/mol = 44g NaCl
Chapter 6. 기체, 액체, 고체, 그리고분자간의힘 6.1 고체, 액체, 기체고체 : 입자 ( 원자, 분자, 이온 ) 들이서로인접, 질서있게모여있는집합체액체 : 입자들이서로인접, 느슨하게배열기체 : 분자들이상대적으로더멀리떨어져있으며방향없이빠르게움직임 물질의상태변화 6.2 이온화합물과분자화합물의차이 - 이온화합물은거의모두상온에서고체. - 일반적으로이온화합물은분자화합물보다녹는점과끓는점이매우높다. - 일반적으로이온화합물은분자화합물을녹일때보다 10-100 배의에너지필요. - 많은이온화합물은물에녹아용액을만들고전기를통한다. - 대부분의이온화합물은결정성이며단단하고깨지기쉽고, 분자화합물고체는이온화합물보다부드럽다.
6.3 분자간힘 쌍극자-쌍극자힘 - 이온간의인력보다훨씬약하지만비슷한크기의비극성분자사이의인력보다강함 ex) HCl 녹는점 (-112 ), 끓는점 (-85 ), 상온에서기체 분산력분산력 : 분자들사이의순간적이고약한인력 - 비극성화합물의물리적성질을결정 수소결합수소결합 : 불소, 산소, 질소같은작고매우전기음성도가큰원자에수소가결합되어작용하는인력 ex) 물분자 - 높은녹는점과끓는점
6.4 용액안의힘 용액안의힘용액 (solution) : 2 가지이상의물질이친밀한관계를유지하며균일하게섞여있는것 (ex. 소금물 ) 용질 (solute) : 더적은양으로존재하는녹은물질 (ex. 소금 ) 용매 (solvent) : 더많은양으로존재하는녹이는물질 (ex. 물 ) 같은것은같은것을녹인다 - 비극성용질은비극성용매에잘녹고 (ex. 기름은휘발유에잘섞이고 ) - 극성용질은극성용매에잘녹음 (ex. 에틸알코올은물에잘녹음 ) 이온성고체를녹이는방법 - 이온결합을깨기위해높은온도필요 - 이온 - 쌍극자인력이이온 - 이온인력을극복 6.5 기체 : 분자동력학이론 분자동력학이론 (kinetic-molecular theory) 의기본가정 1. 기체입자 ( 기체입자는대개분자이며불활성기체의경우에는원자이다.) 들은빠르게끊임없이직선운동을한다. 2. 기체입자들은입자들사이의거리에비하면아주작다. 3. 기체입자들사이의거리가멀기때문에기체입자들사이의인력은거의없다. 4. 기체입자들은서로충돌한다. 충돌시에너지를얻는입자와잃는입자가있지만전체에너지는보존된다. 5. 온도는기체분자의평균운동에너지를측정한것이다.
6.6 기체법칙 보일의법칙 : 압력과부피보일의법칙 (Boyle s law) : 일정한온도에서주어진양의기체부피는압력에반비례함 V 1 P a P V : 부피, P : 압력, a : 상수 PV = a ( 기체의온도와양이일정할때 ) V 그림 6.11 분자동력학이론의관점으로본보일의법칙 샤를의법칙 : 온도와부피샤를의법칙 (Charles s law) : 일정한압력에있는일정한양의기체의부피는절대온도에비례함 V bt or V T b V: 부피, T: 절대온도, b: 상수 그림 6.13 샤를의법칙은일정한압력에서부피와온도와의관계를나타냄
몰부피 : 표준온도와압력에서 22.4L 몰부피 (molar volume) : 1 몰의기체가차지하는부피표준상태의온도와압력 (STP) : 0, 1atm 표준상태에서의기체부피는 22.4L ( 기체종류와관계없음 ) 6.7 이상기체법칙 이상기체의법칙 이상기체의법칙 (ideal gas law) PV nt R or PV nrt n: 몰수, R: 기체상수 (=0.0821 L atm/mol K) 예제 6.6 이상기체의법칙이상기체의법칙을이용하여다음을계산하라. (a) 244K와 1.00atm에있는1.00몰의질소가차지하는부피 (b) 303K에서 15.0L의용기안에0.500몰산소의압력 풀이 a. b. nrt 1.00mol 0.0821L atm 244K V 20. 0L P 1.00atm mol K nrt 0.500mol 0.0821L atm 303K P 0. 829atm V 15.0L mol K