I. 물과학탐구영역 T I N K M R E A B U T Y U R F U T U R E 01. 물의성질 1. 물의구성성분 구리선 구리선 전원장치 ⑴물의전기분해 : 순수한물에 Na, S 과같은전해질을넣고직류전원을흘려주면다음과같은반응이일어난다. () 극 :2 (l)+2e 1 (g)+2 (aq) (+) 극 : (l) 1 1 (g)+2±(aq)+2e 2 물 + 황산나트륨 물의전기분해 전체반응 : (l) 1 (g)+ 1 (g) 2 1 () 극에서는수소기체가, (+) 극에서는산소기체가 2`:`1 의부피비로생성된다. 2수소기체 : 가장가벼운기체이며, 가연성기체로불꽃을대면 퍽 소리를낸다. 3산소기체 : 조연성기체로꺼져가는불씨를다시타오르게한다. 2. 물분자의구조와수소결합 ⑴ 물분자의구조 : 수소원자 2개와산소원자 1개가공유결합하여굽은형구조 ( 결합각 : 104.5 ) 를가진다. 부분적인 {} 전하 104.5æ 부분적인 {+} 전하 부분적인 {+} 전하 물분자내의공유결합길이 {0.10nm} 물의수소결합 물분자사이에형성되는수소결합길이 {0.17nm} ⑵물의극성 : 물분자에서산소가수소보다공유전자쌍을끄는힘 ( 전기음성도 ) 이크므로산소는부분적으로 () 전하, 수소는부분적으로 (+) 전하를띤다. 1 물의용해성 : 물은극성분자이므로극성물질과잘섞이지만, 무극성물질과는잘섞이지않는다. 2 물줄기를가늘게흐르게한후대전체를가까이하면대전체쪽으로끌려온다. ⑶ 물분자와수소결합 1 수소결합 : 전기음성도가큰분자의 F,, N 원자들과다른분자의수소사이에작용하는분자간의강한힘을뜻한다. 수소결합을하는물질 : ( 물 ), N ( 암모니아 ), F( 플루오르화수소 ), C ( 에탄올 ) C C( 아세트산 ) 등 C C은두분자가수소결합을하여한분자처럼행동하는데, 이를이합체라고한다. C C 수소결합 CC 2 물의수소결합 : 물분자에서수소원자와산소원자사이에강한수소결합이작용한다. 1 과학탐구영역
Ⅰ. 물 3. 물의특성 ⑴물의특성 1물의밀도 : 대부분의물질은기체 액체 고체로상태변화할때부피가모두감소하지만, 물은수소결합으로인해빈공간이많은육각형구조를가지기때문에액체의밀도가고체의밀도보다크다 (4æ일때물의밀도가가장큼 ). 밀도 g 0.98 cm# ( ) 물 수소결합 0.94 얼음 0.90 40 0 40 80 온도 {æc} 얼음의구조 물의구조 2물의비열 : 물은가해준열이수소결합을끊는데쓰이기때문에온도가쉽게올라가 거나내려가지않는다. 비열 : 물질 1g의온도를 1æ 올리는데필요한열량 3 물의녹는점과끓는점 : 물은수소결합에의해분자간힘이크기때문에분자량이비슷 한다른물질에비해녹는점과끓는점이매우높다. 물질 ( 화학식 ) 분자량 녹는점 (æ) 끓는점 (æ) 메탄 (C ) 16 183 161.5 암모니아 (N ) 17 77.7 33.4 물 ( ) 18 0 100 황화수소 ( S) 34 86.0 61.0 염화수소 (Cl) 36.5 115.0 85.0 4 물의융해열과기화열 : 물은수소결합에의해분자간힘이크기때문에융해열과기 화열이매우크다. 5물의표면장력 : 물은수소결합에의해분자간힘이크기때문에표면장력이크다. 표면장력 : 액체가표면적을최소로하려는현상 6 모세관현상 : 액체속에모세관을넣으면모세관내의액면이외부보다높아지거나 낮아지는현상 끓 100 는점`{ æc F } 0 N Se S 100 200 Te Sb I Sn P As Ge Si Br Cl C 여러가지물질의끓는점 분자의상대적질량 수은은물보다표면장력이더크다 모세관현상 응집력 < 부착력일때 응집력 > 부착력일때 ⑵ 물의특성과관련된현상 물의특성 현상 수소결합에의한특성 얼음의밀도 < 물의밀도 비열이크다. 녹는점, 끓는점, 융해열, 증발열이크다. 표면장력이크다. 얼음이물위에뜬다. 겨울철에강물이얼때표면의물이먼저언다. 해안지방에서낮에는해풍이불고밤에는육풍이분다. 생물체의체온이일정하게유지된다. 더운여름철마당에물을뿌리면시원해진다. 물을뿌려서불을끈다. 소금쟁이가물위에뜬다. 풀잎에물방울이동그랗게맺힌다. 물수은 물분자사이인력 ( 응집력 ) 보다물분자와유리관표면사이의인력 ( 부착력 ) 이강해서일어난다. 유리관을극성이작은다른물질로바꾸면물기둥의높이는낮아지며, 극성이더큰물질로바꾸면물기둥의높이는높아진다. 모세관현상 수건이나휴지의한쪽끝을물에대면물이스며올라간다. 식물의뿌리에서흡수된물이물관을따라잎으로이동한다. 극성에의한특성 물은극성물질과는잘섞이고, 비극성물질과는잘섞이지않는다. 대전된에보나이트막대를가까이하면물은휘어져서흐른다. 과학탐구영역 2
Ⅰ. 물 02. 수용액에서의반응 1. 물의용해성 ⑴용해 : 한물질이다른물질에녹아균일하게섞이는현상 ⑵ 용해의원리 : 구조나성질이비슷한물질은서로잘섞인다. ⑶물의용해성 : 물은극성물질이므로극성물질들과잘섞이고, 이온결합물질 ( 염화나트륨 ) 들을잘용해시킨다. 용매 용질 물 ( 극성물질 ) 극성물질 :Cl, N, 포도당, 설탕등 이온성물질 :NaCl, KN 등 사염화탄소 ( 무극성물질 ) 무극성물질 :C, I 등 2. 앙금생성반응 ⑴앙금생성반응 : 서로다른전해질수용액을섞었을때물에녹지않는앙금이생성되는반응 1물에잘녹는염 :Na±, K±, N ±, N, Cl (AgCl 제외 ) 이포함된염 2 물에잘녹지않는염 :Ca ±, Ba ±, Ag±, S, C 이포함된염 양이온 음이온 N Cl S C 물에대한용해성 Na± NaN NaCl Na S Na C K± KN KCl K S K C 잘녹음 N ± N N N Cl (N ) S (N ) C Mg ± Mg(N ) MgCl MgS MgC Ca ± Ba ± Ca(N ) Ba(N ) CaCl BaCl CaS BaS CaC BaC 잘녹지않음 Ag± AgN AgCl Ag S Ag C ⑵알짜이온반응식 1알짜이온 : 반응에실제로참여한이온 2 구경꾼이온 : 반응에참여하지않은이온 3 알짜이온반응식 : 반응에실제로참여한이온들만나타낸화학반응식 염화나트륨수용액과질산은수용액의반응으로흰색의염화은앙금이생성 전체반응식 :NaCl(aq)+AgN (aq) 1 NaN (aq)+agcl(s) 알짜이온반응식 :Ag±(aq)+Cl (aq) 1 AgCl(s) 알짜이온 :Ag±, Cl 구경꾼이온 :Na±, N ⑶ 이온의검출 1 앙금생성반응을이용 : 앙금의색깔로용액중에녹아있는이온을확인할수있다. 검출하는양이온 Ag± Ba ± Ca ± Pb ± Cu ±, Zn ±, Fe ± 검출하는음이온 Cl, Br, I C, S C, S I, S S 앙금 ( 색깔 ) AgCl( 흰색 ), AgBr( 연노란색 ), AgI( 노란색 ) BaC ( 흰색 ), BaS ( 흰색 ) CaC ( 흰색 ), CaS ( 흰색 ) PbI ( 노란색 ), PbS( 검은색 ) CuS( 검은색 ), ZnS( 흰색 ), FeS( 검은색 ) 3 과학탐구영역
Ⅰ. 물 2불꽃반응 : 금속양이온은특유의불꽃색을나타내므로수용액중에녹아있는양이온을확인할수있다. 금속 리튬 (Li) 스트론튬 (Sr) 나트륨 (Na) 칼륨 (K) 칼슘 (Ca) 바륨 (Ba) 구리 (Cu) 불꽃색빨간색빨간색노란색보라색주황색황록색청록색 3. 산과염기의반응 ⑴ 산과염기 구분정의성질수용액의 p 산물에녹아 ± 을내놓는물질 신맛이나고, 금속과반응하여 기체발생 p<7 염기물에녹아 을내놓는물질쓴맛이나고, 손으로만지면미끈미끈함 p>7 예 염산 (Cl), 황산 ( S ), 아세트산 (C C), 탄산 ( C ) 수산화나트륨 (Na), 수산화칼륨 (K), 암모니아수 (N ) ⑵중화반응 : 산과염기가반응하여물과염이생성되는반응으로, 중화열이방출된다. 1 전체반응식 : 산 + 염기 1 물 + 염 Cl(aq)+Na(aq) 1 (l)+nacl(aq) 2 알짜이온반응식 :± 과 이반응하여물을생성하는반응 ±(aq)+ (aq) 1 (l) 3 중화점 : 산과염기가모두반응하여용액의액성이중성이되는지점 ± Cl ± Cl ± Cl Na± Na± Cl Na± Na± Na± Cl Cl Na± ± Cl Na± Cl Na± Cl 염기성염기성중성산성 ⑶ 중화점확인 1 지시약의색깔변화 : 혼합용액의액성이변하여지시약의색깔이변하는지점 지시약 리트머스종이 페놀프탈레인용액 산성 붉은색 무색 중성 무색 염기성 푸른색 붉은색 온도 `{ æc } 중화점 메틸오렌지용액붉은색노란색노란색 BTB 용액노란색초록색푸른색 2온도변화 : 혼합용액의온도가가장높은지점 ( 중화반응이일어나면중화열이발생하여혼합용액의온도가올라감 ) 3 전기전도도변화 : 혼합용액의전류의세기가가장약한지점 ( 중화반응이일어날수록 ± 과 이물이되므로혼합용액의전기전도도가감소함 ) 중화점이후에산이나연기를계속가하면이온수가증가하여전기전도도가다시증가한다. 가해준 Cl의부피 {ml} 온도변화 전류 `{ A} 중화점 가해준 Cl의부피 {ml} 전기전도도변화 과학탐구영역 4
Ⅰ. 물 ⑷생활속의중화반응 1 산성화된토양에석회가루 (CaC ) 를뿌려준다. 2 위액이과다분비되면제산제를먹는다. 3 레몬즙을뿌려서생선의비린내를없앤다. 4 벌에쏘이거나벌레에물렸을때암모니아수를바른다. 5 신김치에소다를넣으면신맛을중화시킬수있다. 03. 물과우리생활 1. 물의정수 ⑴물의정수과정 1 취수장 : 강이나호수로부터취수펌프를가동하여물을퍼올린다. 2 침사지 : 물속에섞여있는흙이나모래를밀도차이를이용하여가라앉힌다. 3 약품투입실 : 물속의부유물이나찌꺼기, 미세입자들을엉기게하여가라앉히기위해응집제 (Ca(), Al (S ) ) 를넣는다. 4 혼화지 : 약품과물이서로잘섞이도록한다. 5 응집지 : 물속의부유물이나찌꺼기, 미세입자들을엉기게한다. 6 여과지 : 가라앉지않은찌꺼기들을제거한다. 7 염소살균실 : 염소를넣는과정으로염소는물과반응하여하이포아염소산 (Cl) 을생성한다. 하이포아염소산은쉽게분해되어발생기산소 ( []) 를생성하며, 발생기산소는산화력이강하여강력한살균작용을한다. Cl + 1 Cl+Cl Cl 1 Cl+[] 8 배수지 : 정화된물을각가정으로공급한다. ⑵ 수돗물의소독 구분 염소 (Cl ) 소독 오존 ( ) 소독 성질 염소는물속에서가수분해하여염산과하이포아염소산 (Cl) 을생성하는데, Cl 이분해될때생기는발생기산소 ([]) 가살균 소독작용을한다. Cl + 1 Cl+Cl Cl 1 Cl+[] 오존은산소원자가 3 개결합되어있는무색의자극성기체로, 산화력이크기때문에살균 소독작용을한다. 장점 가격이저렴하다. 살균효과가지속된다. 살균력이강하고소독약냄새가나지않는다. 유해잔류물이남지않는다. TM( 트리할로메탄 ) 은탄소원자 1개에수소원자 4개가결합되어있는메탄분자에서수소원자 3개가염소나브롬으로치환된분자로, 암을유발하는발암물질이다. 단점 소독약냄새가난다. 비용이많이든다. 오존에비해살균력이떨어진다. 인체유해성분 (TM 잔류효과가오래가지못하여가정으로오는 ) 등이생길위험이동안다시오염될가능성이있다. 있다. 5 과학탐구영역
Ⅰ. 물 2. 센물과단물 ⑴ 센물과단물 1 센물 : 물속에칼슘이온 (Ca ±), 마그네슘이온 (Mg ±) 이많이녹아있어비누가잘풀리지않는물 2RCNa+Ca(C ) 1 (RC) Ca +2NaC 일시적센물 :Ca ± 이나 Mg ± 이탄산수소염의형태로녹아있는센물 영구적센물 :Ca ± 이나 Mg ± 이염화물또는염의형태로녹아있는센물 2 단물 : 물속에칼슘이온 (Ca ±), 마그네슘이온 (Mg ±) 이적게녹아있어비누가잘풀리는물 ⑵ 센물을단물로만드는방법 1 일시적센물 : 끓이면 Ca ± 이나 Mg ± 이탄산염의앙금으로제거됨 2 영구적센물 Ca(C ) 11 CaC +C + 가열 Mg(C ) 11 MgC +C + 가열 탄산나트륨을가하여앙금을생성시켜 Ca ± 이나 Mg ± 을제거 CaCl +Na C 1 CaC +2NaCl MgS +Na C 1 MgC +Na S 이온교환수지에통과시키면 Ca ± 이나 Mg ± 이 Na± 으로치환되어제거됨 [ 단물화과정 ] [ 수지재생과정 ] 센물 단물 {Ca@±,`Mg@±} {Na±} 단물 {Na±} 이온교환수지 이온교환수지 센물 {Ca@±,`Mg@±} 3. 물의오염 ⑴수질오염의지표 1 용존산소량 (D): 물에녹아있는산소의양으로, D가클수록깨끗한물이다. 2 생물학적산소요구량 (BD): 호기성세균이유기물을분해하는데필요한산소의양으로, BD가클수록오염된물이다. 3 화학적산소요구량 (CD): 물속에유기물질을중크롬산칼륨과같은산화제로산화시킬때필요한산소의양으로, CD가클수록오염된물이다. ⑵ 물의오염에의한피해 1 부영영화 : 다량의유기물이물에흘러들어가면미생물에의해분해되어물속에미생물에의해분해된영양물질의양이증가하는현상 2적조현상 : 바다에서부영양화가일어나붉은색플랑크톤이많이증가하여바닷물이붉은색을띠는현상으로, 산소부족으로물고기의집단폐사를일으킨다. ⑶수질오염방지대책 1자정작용 : 오염물질이많지않은경우에는자연에서더럽혀진물은대부분은자연적으로정화되는데, 이를자연의자정작용이라고한다. 2하수처리 : 생활하수나공장폐수등을하수처리장에서처리하여깨끗한물로정화한다. 강, 호수 침사지 하수처리과정 : 침사지 1차침전지 ( 부유성물질가라앉힘 ) 포기조 ( 미생물번식 ) 2차침전지 ( 미생물을침전시켜제거 ) 소독 ( 염소소독, 중금속제거 ) 강, 침전지 호수 하수처리과정 Ca ± 1개당 Na± 2개가치환되므로이온교환수지를통과하기전보다통과한후이온의수가증가한다. 여과지 약품처리실 염소살균실정수지 강배수지 과학탐구영역 6
Ⅱ. 공기과학탐구영역 T I N K M R E A B U T Y U R F U T U R E 01. 공기의성분과이용 1. 대기의성분 공기는대기의하층부분을구성하는기체를의미한다. 높이 150 km 100 열권 { } 80 60 중간권 40 성층권오존층 20 대류권계면대류권 0 80 60 40 20 0 20 온도 (æc) 대기권의구성 오로라 전리층 유성 ⑴대기 1대기 : 지구중력에의해지구를둘러싸고있는기체전체로, 여기서는대기와공기 를혼용해서사용한다. 2 대기권 : 지표위에대기가머무는부분 ( 높이에따른온도분포에의해성층권, 중간권, 열권으로분류 ) 3건조공기 : 주로질소와산소로이루어진기체혼합물로, 수증기가포함되지않은공기 4 건조공기를구성하는기체의성질 성분기체 질량백분율 (%) 부피백분율 (%) 0æ, 1 기압에서의밀도 (g/l) 질소 (N ) 75.51 78.03 1.25 산소 ( ) 23.01 20.99 1.43 아르곤 (Ar) 1.29 0.93 1.78 이산화탄소 (C ) 0.04 0.03 1.96 기타 0.05 0.02 끓는점 (æ) 196 183 186 78( 승화 ) 반응성 작다 크다 없다 작다 ⑵ 공기의분별증류 : 끓는점차이를이용하여분별증류로분리한다. 1 공기를걸러먼지를제거한후냉각시켜수증기와이산화탄소를제거한다. 2 대기압보다 100배이상압력을높여압축시키고갑자기팽창시키면온도가낮아지게된다. 이러한과정을반복하면팽창하던공기가액화점까지냉각되어액화된다. 3 액화된공기를증류탑에서다시가열하면끓는점이가장낮은질소 (196æ) 가먼저기체상태로되어증류탑의높은곳에서얻어지고, 아르곤 (186æ), 산소 (183æ) 순으로분리할수있다. 공기거름장치 이산화탄소, 수증기제거 공기의압축 반복 팽창된공기가냉각되면액체로된다. 액체공기 질소 {196æC} 아르곤 {186æC} 산소 {183æC} 2. 산소 ( ) 의성질과이용 산소분자의구조 산소가다른원소와결합한화합물 ⑴ 산소의성질 1 공기의 21% 를차지하고있는기체로, 냄새와색이없다. 2 산소는무극성분자이기때문에물에소량만녹는다. 3 공기중반응성이가장크다 ( 산화물 을만듦 ). 금속과의반응 :2Mg+ 1 2Mg 비금속과의반응 :S+ 1 S 7 과학탐구영역
Ⅱ. 공기 4 물질의연소를도와주는조연성기체이다. ⑵ 산소의제법 1 자연적인방법 : 식물의광합성과정의부산물로산소가생성된다. 햇빛 6C +12 1 C +6 +6 2 공업적인방법 : 액체공기를분별증류하여얻는다. 3 실험실에서의방법 : 발생하는산소는물에대한용해도가작기때문에수상치환 으로포집한다. 염소산칼륨 (KCl ) 에이산화망간 (Mn ) 을넣고가열한다. 과산화수소수 ( ) 에이산화망간 ( 촉매 ) 을넣는다. Mn 2KCl 121 2KCl+3 가열 Mn 2 121 2 + 기체를포집하는방법 수상치환 : 물에잘녹지않는기체를포집하는방법 ( 산소, 수소 ) 상방치환 : 공기보다가벼운기체를포집하는방법 ( 염소, 이산화탄소 ) 하방치환 : 공기보다무거운기체를포집하는방법 ( 암모니아, 수소 ) KCl {Mn } 산소 과산화수소수 산소 수상치환하방치환상방치환 이산화망간 물 ⑶ 산소의이용 1 금속의절단과용접에이용 : 산소와아세틸렌을연소시키면 3000æ 이상의고온이발생함 2 산소호흡기에이용 : 잠수부의공기통 3 우주선의로켓엔진에이용 3. 질소 (N ) 의성질과이용 ⑴ 질소의성질 1 공기의 78% 를차지하는기체로, 냄새와색이없으며물에잘녹지않는다. 2 화학적으로안정하여반응성이작다. 3 질소의순환 : 공기중의질소는뿌리혹박테리아, 번개등에의해암모늄염이나질산염의형태 로식물체가흡수하여단백질을합성한다. 동물은합성된단백질을섭취하고, 동물이영양대사하고남은질소는암모니아나요소의형태로동물의배설물로배출된다. 외부로배출된암모니아나요소는탈질소세균에의해다시분해되어공기중으로돌아간다. 번개 대기중의질소 식물 동물 비료공장 N N N N 질소분자구조 질소는강한삼중결합을가지고있기때문에생명체가질소를이용하기위해서는암모늄염이나질산염같은화합물로전환되는과정이필요하다. 이를질소고정이라고한다. 탈질소박테리아 뿌리혹박테리아 식물부패물, 동물배설물질소박테리아비료 질산염 아질산염 암모늄염 ⑵질소의반응성 1 질소산화물의생성 : 고온에서질소와산소가반응하여질소산화물 (N, N ) 이생성된다. Δapple 자동차의엔진내부에서생성되는질소산화물들은산성비의원인물질이다. 과학탐구영역 8
Ⅱ. 공기 N (g)+ (g) 11 2N(g) 가열 2N(g)+ (g) 1 2N (g) 2 암모니아합성 ( 하버법 ): 질소와수소를촉매하에반응시켜암모니아를합성한다. 액체질소의끓는점은 196æ 로매우낮다. 촉매 N (g)+3 (g) 111111 2N (g) 200 기압, 400~500æ ⑶ 질소의이용 1 반응성이작은성질이용 : 과자봉지와분유통의충전기체, 전구의충전기체로사용 2 끓는점이낮은성질이용 : 극저온상태의냉각제로사용 3 암모니아, 질산, 질소비료등의제조원료로사용 4. 이산화탄소 (C ) 의성질과이용 C C 이산화탄소의구조 ⑴ 이산화탄소의성질 1 공기의약 0.03% 를차지하는기체로, 냄새와색이없다. 2 공기보다무겁고불에타지않는다. 3 물에약간녹아서탄산이되므로수용액은약한산성을띤다. C (g)+ (l) 1 C (aq) C (aq) 1 2±(aq)+C (aq) 4 고체이산화탄소 ( 드라이아이스 ) 는승화성이있다. ⑵ 이산화탄소의제법 : 이산화탄소는공기보다무겁기때문에하방치환으로포집한다. 1 생물의호흡이나탄소화합물의연소과정에서생성된다. C+ 1 C C +6 1 6C +6 2 탄산칼슘을가열한다. CaC 1 Ca+C 가열 3 석회석에묽은염산을가한다. CaC +2Cl 1 CaCl + +C 4 탄산수소나트륨을가열한다. 2NaC 1 Na C + +C 가열 탄산수소나트륨 탄산칼슘 + 묽은염산 ⑶ 이산화탄소확인 : 이산화탄소를석회수에통과시키면뿌옇게흐려진다 ( 탄산칼슘이생성되기때문 ). Ca() +C 1 CaC + ⑷ 이산화탄소의이용 1 공기보다무겁고불에타지않으므로소화기의원료로사용 2 물에녹아생성된탄산은청량감을주므로탄산음료의원료로사용 3 드라이아이스가승화되면서열을빼앗으므로냉각제로사용 4 베이킹파우더의주성분은탄산수소나트륨 (NaC ) 이며, 베이킹파우더를가열하면 C 기체가발생하여반죽이부풀어오른다. 2NaC 11 Na C + +C 가열 9 과학탐구영역
Ⅱ. 공기 5. 비활성기체의성질과이용 ⑴비활성기체의성질 1 주기율표의 18족에속하는원소들로헬륨, 네온, 아르곤등이있다. 2 전자배치가가장안정한상태이기때문에단원자분자상태로존재하며, 다른물질들과반응하지않는다. ⑵비활성기체의이용 1 아르곤 (Ar): 공기중에 0.9% 차지하는기체로, 백열전구, 형광등, 진공관등의충전제로사용된다. 낮은전압에서방전하면푸른빛을방출하므로네온사인으로사용된다. 2네온 (Ne): 낮은전압에서방전하면붉은빛을방출하므로네온사인으로사용된다. 3 헬륨 (e): 반응성이전혀없고공기보다가벼우므로기구나비행선의주입가스로사용된다. 끓는점 (270æ) 이매우낮아초전도체등의냉각제로사용된다. 또한, 물에거의녹지않는성질을이용하여잠수부의공기통속에산소와혼합 하여사용되기도한다. 산소통에질소기체가포함되어있으면잠수병이생길수있다. 02. 기체의성질 1. 기체분자운동론과기체의확산 ⑴ 기체의특성 1 물질의세가지상태 ( 고체, 액체, 기체 ) 중밀도가가장작다. 2 분자사이의인력이거의작용하지않고, 서로멀리떨어져서자유롭게움직인다. 3 일정한모양이없으며, 외부에서힘을가하면쉽게압축된다. ⑵기체분자운동론 : 기체분자의자유로운운동에의한기체의성질을설명하는것 물질의상태에따른분자모형 1 기체분자의크기는기체의부피에비해무시할수있을정도로작다. 2 기체분자는끊임없이불규칙한직선운동을하며, 용기벽에충돌하여압력을나타낸다. 3 기체분자사이에인력이나반발력이작용하지않는다. 4 기체분자들은완전탄성체로, 서로충돌하더라도에너지손실이없다. 5 기체분자의평균운동에너지 (Eapple) 는절대온도 (T) 에비례하며, 기체의종류나모 양, 크기에영향을받지않는다. Δapple Eapple;2!; mv ;2#;kT ⑶ 이상기체와실제기체 1 이상기체 : 기체분자운동론을설명하기위한가상적인기체이다. 2실제기체 : 분자의크기가있고분자사이에인력이작용하므로기체분자운동론을충족시키지못한다. ⑷ 기체의확산 1 기체의확산 : 기체분자들이다른기체나액체속으로스스로퍼져나가는현상 2 확산속도에영향을주는요인ᄀ온도가높을수록확산속도가빠르다. ᄂ기체분자의질량이작을수록확산속도가빠르다. ᄃ기체분자의확산을방해하는입자가없는진공속에서확산속도가가장빠르다. Δapple 진공속 > 기체속 > 액체속 고체액체고체 이상기체상태방정식 PVnRT (P: 압력, V: 부피, n: 몰수, R: 기체상수, T: 절대온도 ) 이상기체상태방정식을알아두면보일의법칙이나샤를의법칙에관한문제를풀기쉬우니꼭암기해두자. 진한아모니아와진한염산을묻힌솜을유리관양쪽끝에동시에넣고마개를막으면잠시후에흰연기의띠 ( 염화암모늄 ) 가진한염산을묻힌솜근처에서생성된다. 이는분자의질량이작은암모니아의확산속도가염화수소보다빠르기때문이다. N (g)+cl(g) 1 N Cl(s) 진한암모니아수를묻힌솜 염화암모늄 진한염산을묻힌솜 과학탐구영역 10
Ⅱ. 공기 3 그레이엄의확산속도법칙 : 일정한온도와압력에서기체의확산속도는기체의밀도나 제곱근에반비례하며, 분자의질량의제곱근에반비례한다. vå dı Mı 12æ 12æ 123 (v: 확산속도, d: 밀도, M: 분자량 ) vı då MÅ 4 기체확산의예 어촌에가면생선비린내가난다. 향수병뚜껑을열면향기가온방안에퍼진다. 2. 기체의압력과부피 ⑴ 압력 : 단위면적에작용하는힘의크기 V P V 2 2P 작용하는힘 (N) 압력 11111111113 ( 단위 :N/m, Pa( 파스칼 )) 힘을받는면의넓이 (m ) ⑵ 기체의압력과부피 : 일정한온도에서기체의압력이증가하면부피는감소하고, 압력이감소하면부피는증가한다. ⑶ 보일의법칙 : 일정한온도에서일정량의기체의부피 (V) 는압력 (P) 에반비례한다. PVk (k: 상수 ) P V P V 일정한온도에서기체의압력과부피의관계 V 온도일정 PV 온도일정 1 온도일정 V 0 P P 또는 V P ⑷ 보일의법칙의예 1 하늘높이날아간풍선이터진다. 2 잠수부가물속에서내뿜는공기방울이수면위로올라갈수록커진다. 3 자동차에어백은사고로인한충돌시기체의부피가압력에따라달라지면서운전자의충격을줄여준다. 3. 기체의온도와부피 온도증가 ⑴ 기체의온도와부피 : 일정한압력에서기체의온도가높아지면부피는증가한다. ⑵ 샤를의법칙 : 일정한압력에서일정량의기체부피는온도가 1æ 올라갈때마다기체의 일정한압력에서기체의온도와부피의관계 절대온도 (K) 섭씨온도 (æ)+273 보일`` 샤를의법칙 : 일정량의기체의부피는압력에반비례하고절대온도에비례한다. T PV Vk 15 11 k ( 일정 ) P T P V 1125 T P V 1125 T 종류에관계없이 0æ 일때부피의 ;27!3 씩증가한다 ( 섭씨온도기준 ). 일정한압력에서일 정량의기체의부피 (V) 는절대온도 (T) 에비례한다 ( 절대온도기준 ). t 273+t Vº VkT VVº{1+ 133}Vº{ 1113 } 133TkT (k: 상수 ) 273 273 273 V 압력일정압력일정 V 압력일정 1 V T V T >T V P >P P T T T T T P P T ⑶ 샤를의법칙의예 1 찌그러진탁구공을뜨거운물에넣으면펴진다. 2 열기구속의공기를가열하면위로뜬다. 3 여름철에는자동차타이어에공기를겨울철보다적게넣는다. 11 과학탐구영역
Ⅱ. 공기 03. 공기의오염과대책 1. 대기오염물질 ⑴대기오염물질의분류 1 1차오염물질 : 공장굴뚝, 자동차의배기관등을통하여대기로직접배출되는물질 황산화물, 질소산화물, 일산화탄소, 탄화수소등 2 2차오염물질 :1차오염물질이대기중에서화학반응하여생성된독성물질 스모그, 산성비, 오존층파괴등 발생방법발생원 1 차오염물질 2 차오염물질 자연적발생 인위적발생 화산분출 산불 번개 건조지역의황사 화석연료의연소 ( 발전소, 공장, 난방, 쓰레기소각, 자동차, 항공기등 ) 황산화물 {Sx} 질소산화물 {Nx} 일산화탄소 {C} 분진 흙먼지 탄화수소 독성물질 중금속 산성비 산성안개 스모그 오존층파괴대기중에서산소나수분과반응하거나 1차오염물질간에반응 ⑵주요대기오염물질 1 황산화물 (SÆ): 황이포함된화석연료가연소될때생성된다. S+ 1 S 2S + 1 2S S + 1 S ( 아황산 ) S + 1 S ( 황산 ) 2 질소산화물`(NÆ): 고온, 고압상태인자동차엔진속에서질소와산소가반응할때생성된다. N + 11 2N 2N+ 1 2N 가열 2N + 1 N +N ( 질산 ) ( 아질산 ) 3 일산화탄소`(C): 탄소가포함된화석연료가불완전연소될때생성된다. 4 탄화수소`(CÆÚ): 화석연료가불완전연소될때발생한다. 2. 대기오염현상 ⑴ 스모그현상 : 대기오염물질이먼지, 안개등과혼합되어뿌옇게보이는현상으로, 발생원인에따라런던형스모그와 LA형스모그 ( 광화학스모그 ) 로구분된다. 구분 발생원인 발생시기 런던형스모그 황산화물과일산화탄소가원인 화석연료의사용이많고기온이역전이있는겨울철새벽에주로발생 LA 형스모그 ( 광화학스모그 ) 질소산화물과탄화수소가자외선에의해광화학적산화물 ( 옥시던트 ) 을생성하는것이원인 자외선이강한오후에주로발생 피해 눈, 코, 호흡기등을심하게자극하며, 호흡기질환이있는사람은사망에까지이른다. 눈, 코, 호흡기를자극하며, 식물의 DNA 를손상시킬수있다. 대책 화석연료사용억제, 탈황장치설치 자동차운행감소, 촉매변환기사용 과학탐구영역 12
Ⅱ. 공기 광화학스모그의생성과정 2N+ 1 2N 자외선 N 121 N+ + 1 + 탄화수소 1 광화학스모그 N의농도는자동차의운행이많은출근시간에, 오존의농도는자외선이강한한낮에높다. N 의농도는 N의발생량이많아진후 1~2시간이지나면높아진다. 태양에너지 질산알데히드 {N } 옥시던트오존 + + 물 ++C 이산화질소탄화수소 N+ {N } {C} 산소기체 + + C +C 일산화질소 {N} 천연탄화수소이소프렌 {C } 광화학스모그의생성 기 0.5 체의 0.4 농도 0.3 ppm 0.2 { } 0.1 N N 0 3 6 9 12 15 18 21 24 하루중질소산화물과오존농도의변화 산성비의생성 자외선 프레온 Cl 가스 성층권 대류권 Sx, Nx 배출 지표 오존층파괴과정 S + S S + S 2N + N +N 산성비 ( S,,N 등 ) 자외선 Cl 오존층 Cl는촉매로염소원자 1개가없어지지않고 을계속파괴한다. ⑵산성비 :p가 5.6 미만인비 ` 1 원인물질 : 황산화물과질소산화물 ` 2 산성비의생성 : 황산화물과질소산화물이대기중의수증기와반응해황산과질산을형성하여빗물에녹아내리게된다. ` 3 피해 : 토양과호수의산성화, 대리석및철로된건축물부식등 ` 4 대책 : 탈황장치와촉매변환기설치, 산성화된토양과호수등을석회석가루로중화 ⑶ 오존층파괴 1 오존층의역할 : 성층권의오존은태양으로부터방출되는유해자외선을막아지구의생명체를보호해준다. 2 오존층파괴 : 프레온가스 (CFC) 등에의해오존층이파괴된다. Cl + 1 Cl+ 전체반응 : + 1 2 Cl+ 1 Cl+ 3피해 : 피부암과백내장발생률증가, 식물의엽록소파괴등 4대책 : 프레온가스사용중단, 대체물질개발 ⑷지구온난화 : 온실기체의증가로온실효과가필요이상으로커져서지구의평균기온이상승하는현상 1온실효과 : 태양에너지가지구표면에도달하면지구는태양으로부터받은에너지를적외선형태로방출하는데, 이때온실기체 ( 이산화탄소등 ) 가이적외선의일부를흡수하여지구의기온이상승하는현상이다. 2피해 : 지구환경의변화, 해수면상승등 3. 대기오염대책 ⑴ 황산화물 : 정유과정에서황을제거하여저유황연료를공급하고, 발전소나공장에이산화황제거장치설치하여이산화황을제거한다. ⑵ 질소산화물 : 자동차에촉매변환장치를설치하여질소산화물의배출량을줄인다. 석탄석회석공기 연소실 S+ S C +Ca 폐수 S CaS 물과 +Ca S 제거기 CaS 찌꺼기 정화된 기체 굴뚝 정화된 공기 정화 장치 대기오염대책 탈황장치 촉매변화장치 13 과학탐구영역
Ⅲ. 금속과학탐구영역 T I N K M R E A B U T Y U R F U T U R E 01. 금속의주기율 1. 주기율 ⑴ 주기율 : 원소들을원자번호 순으로나열하였을때성질이비슷한원소들이주기적으로나타나는성질 ⑵주기율표 : 주기율을이용하여화학적성질이비슷한원소를같은세로줄에오도록배열한표 1 족 ( 세로줄 ): 주기율표의세로줄로 1~18족으로구성, 같은족원소는화학적성질이비슷하다. 2 주기 ( 가로줄 ): 주기율표의가로줄로 1~7주기로구성, 같은주기내에서는물리적 화학적성질이규칙적으로변한다. 원자번호 양성자수 전자수 ( 중성원자인경우 ) 족주기 1 2 3 4 5 6 7 1 1 3 Li 11 Na 19 K 37 Rb 55 Cs 87 Fr 2 4 Be 12 Mg 20 Ca 38 Sr 56 Ba 88 Ra 21 Sc 39 Y 57 71 89 103 1 원자번호원소기호 금속원소비금속원소양쪽성원소 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 22 23 24 25 26 27 28 29 30 Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn 40 41 42 43 44 45 46 47 48 Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd 72 73 74 75 76 77 78 79 80 f Ta W Re s Ir Pt Au g 104 105 106 107 108 109 Rf Db Sg Bh s Mt 13 5 B 13 Al 31 Ga 49 In 81 Tl 14 6 C 14 Si 32 Ge 50 Sn 82 Pb 15 7 N 15 P 33 As 51 Sb 83 Bi 16 8 16 S 34 Se 52 Te 84 Po 17 9 F 17 Cl 35 Br 53 I 85 At 18 2 e 10 Ne 18 Ar 36 Kr 54 Xe 86 Rn 6 7 란탄족원소 악티늄족원소 57 La 89 Ac 58 Ce 90 Th 59 Pr 91 Pa 60 Nd 92 U 61 Pm 93 Np 62 Sm 94 Pu 63 Eu 95 Am 64 Gd 96 Cm 65 Td 97 Bk 66 Dy 98 Cf 67 o 99 Es 68 Er 100 Fm 69 Tm 101 Md 70 Yb 102 No 71 Lu 103 Lr ⑶ 금속원소와비금속원소 구분 금속원소 비금속원소 주기율표상의위치 왼쪽에위치 오른쪽에위치 이온형성열, 전기전도성 전자를잃고양이온이되기쉬움 크다 전자를얻어음이온이되기쉬움 작다 금속원소 M 1 M± +e (M: 알칼리금속 ) 상온에서의상태산화물의액성 고체 ( 수은은액체 ) 염기성 기체, 고체 ( 브롬은액체 ) 산성 비금속원소 X+e 1 X (X: 할로겐원소 ) 2. 알칼리금속 ⑴ 알칼리금속 : 주기율표의 1족에속하는금속원소 (Li: 리튬, Na: 나트륨, K: 칼륨, Rb: 루비듐, Cs: 세슘등 ) ⑵알칼리금속의성질 1 은백색의광택을띠며, 칼로도잘릴정도로무른금속이다. 2 다른금속보다밀도가작고가볍다. 3 다른금속에비해녹는점과끓는점이낮다. 과학탐구영역 14
Ⅲ. 금속 Li, Na, K은밀도가작아물위에떠서반응한다. 수소기체는성냥불을대면 퍽 소리를내며타는것으로확인하고, 수용액의염기성은페놀프탈레인용액이붉게변하는것으로확인한다. 4 전자 1개를잃고산화되어 +1가의양이온이되기쉽다. M 1 M±+e (M: 알칼리금속 ) 5 공기중에서쉽게산화되어산화물을생성하고금속광택을잃는다. 4M+ 1 2M 6 물과격렬하게반응하여수소기체를발생시키고, 수용액은강한염기성이된다. 2M+2 1 2M( 염기성 )+ 7 반응성이크기때문에공기중의산소, 수분과의접촉을막기위해석유나벤젠, 파라핀속에보관한다. 8 불꽃반응시키면고유의색을나타낸다. 9 반응성의세기는 Li<Na<K<Rb<Cs 순이다. 알칼리금속 밀도 (g/cm ) 녹는점 (æ) 끓는점 (æ) 불꽃반응색 반응성 Li 0.53 181 1336 빨간색 작다 Na 0.97 98 889 노란색 Ï K 0.86 64 766 보라색 F Rb 1.53 39 700 진한빨간색 Cs 1.87 28 670 파란색 크다 3. 할로겐원소 염소의제법과특징 염소의제법 : 이산화망간에진한염산을가하고가열하면황록색의염소기체가발생한다. Mn +4Cl 1 MnCl +2 +Cl 염소의살균작용 : 염소는물과반응하여하이포아염소산 (Cl) 을생성한다. Cl + 1 Cl+Cl Cl 1 Cl+[] Cl : 황록색, Br : 적갈색, I : 흑자색 반응성이큰 Cl 의황록색은사라지고, Br 의적갈색이나타난다. ⑴ 할로겐원소 : 주기율표의 17족에속하는비금속원소 (F: 플루오르, Cl: 염소, Br: 브롬, I: 요오드등 ) ⑵ 할로겐원소의성질 1 상온 (25æ) 에서이원자분자 (X ) 상태로존재한다. 2 물에잘녹지않으나사염화탄소 (CCl ) 에잘녹고특유의색깔을띤다. 3 전자 1개를얻어 1가음이온이되기쉽다. X+e 1 X (X: 할로겐원소 ) 4 반응성이커서금속과반응하여염을생성하고, 수소와반응하여할로겐화수소 (X) 화합물을만든다. 금속과의반응 :2Na(s)+Cl (g) 1 2NaCl(s) 수소와의반응 : +X 1 2X 5 반응성의세기는 F >Cl >Br >I 순이다. 할로겐분자와할로겐이온을반응시키면반응성이큰할로겐원소가음이온이되려는경향이크므로, 반응성이작은원소가할로겐분자로되어색깔을나타낸다. Cl +2Br 1 2Cl +Br ( 반응성 :Cl >Br ) 6 할로겐화이온은은이온 (Ag±) 과반응하여특유의색깔을띠는앙금을형성한다. Ag±+X 1 AgX Δapple AgCl( 흰색앙금 ), AgBr( 연한노란색앙금 ), AgI( 노란색앙금 ), AgF( 앙금생성 Y) 할로겐분자 녹는점 (æ) 끓는점 (æ) 상온에서의상태 색깔 수소와의반응 반응성 F 219.6 188 기체 담황색 저온, 어운곳에서도폭발적으로반응 크다 Cl 101.0 34.6 기체 황록색 상온에서빛을쪼이면폭발적으로반응 Br 7.2 58.5 액체 적갈색 고온에서느리게반응 Ï I 113.6 184.4 고체 흑자색 고온에서촉매사용시느리게반응 작다 15 과학탐구영역
Ⅲ. 금속 ⑶ 할로겐화수소 (X): 물에잘녹고모두산성을나타낸다. 1 산성의세기 :F:Cl<Br<I 2 F: 유리를녹이는성질이있어폴리에틸렌으로만든병에보관한다. 02. 금속의성질과이용 1. 금속의성질 ⑴금속결합 1 금속의구성입자 : 금속은자유전자와금속양이온으로이루어져있다. 자유전자 : 금속양이온사이를자유롭게이동하는전자 2 금속결합 : 금속양이온과자유전자사이의정전기적인력에의한결합이다. 3금속결합모형 :() 전하를띤자유전자의바다속에금속양이온이규칙적인배열을이루고있는전자바다모형으로설명한다. ⑵ 금속의성질 1 금속의광택 : 금속표면에서자유전자가대부분의빛을흡수했다가반사하기때문에은백색광택을띤다. Δapple 금 : 노란색, 구리 : 붉은색 2 연성과전성 : 외부에서힘을받아금속양이온이밀려도자유전자가함께이동하여금속결합이유지되기때문에금속은실처럼가늘게뽑을수있는연성과판처럼넓게펼수있는전성을가지고있다. 3 전기전도성과열전도성 : 자유전자로인해전기전도성과열전도성이좋다. 4 밀도와굳기 : 대부분의금속은원자들이빽빽하게밀집되어있기때문에밀도가크고단단하다. 5 녹는점 : 금속양이온과자유전자사이에강한인력이작용하기때문에금속은녹는점이높다. 수은 ( 액체 ) 을제외한모든금속은상온에서고체상태로존재한다. 노화 10302 금속결정의연성과전성 2. 금속의이용 ⑴금`(Au): 인류가최초사용한금속으로, 반응성이작아순수한원소상태로얻는다. ⑵구리`(Cu) 1성질 : 연성과전성이좋고, 전기전도성과열전도성이크다. 2제련 : 반응성이작고제련과가공이용이하여가장먼저제련하여사용했다. 황동석 (CuFeS ) 에코크스 (C) 나규사 (Si ) 를넣고용광로내에서가열하면황화구리 (Ⅰ) 를얻는데, 여기에공기를통과시키면순도 99% 의구리를얻는다. Cu S+ 1 2Cu+S 3정제 : 제련하여얻은구리를전기분해하면 () 극에서순수한구리가얻어지고, (+) 극아래에서는찌꺼기 가쌓인다. (+) 극 :Cu 1 Cu ±+2e () 극 :Cu ±+2e 1 Cu ⑶철 (Fe) 1성질 : 은백색광택인금속으로연성과전성이크다. 2제련 : 주로적철석 (Fe ) 이나자철석 (Fe ) 등의산화철형태로존재한다. 용광로에철광석, 코크스 (C), 석회석 (CaC ) 을넣고뜨거운공기를용광로의아래통로로 구리보다반응성이작은 Ag, Au, Pt 등은바닥에그대로쌓인다. 불순물을 포함한 구리 {+} {} Cu@± Ni@± Zn@± Fe@± S @ Cu@± Cu@± {+} 극찌꺼기 {Ag, Au, Pt 등 } CuS 수용액 구리의정제 순수한구리 과학탐구영역 16
Ⅲ. 금속 철광석코크스석회석 코크스철광석석회석 열풍 슬래그 철의제련 탄소양극 + 가스 200æC 800æC 1000æC 열풍 1600æC 선철 융해된산화알루미늄과빙정석 불어넣어주면코크스가연소하여일산화탄소가된다. 이일산화탄소가철광석을환원시켜철이생성된다. 2C+ 1 2C Fe +3C 1 2Fe+3C Fe +4C 1 3Fe+4C 석회석의역할 : 열분해되어생성된산화칼슘 (Ca) 이철광석중의이산화규소 (Si ) 와결합하여슬래그를만들어제거한다. CaC 1 Ca+C Ca+Si 1 CaSi ( 슬래그 ) ⑷ 알루미늄 (Al) 1성질 : 밀도가 2.7g/cm 로작고, 연성과전성이좋고, 전기전도성과열전도성이크다. 알루미늄은반응성이크지만산화알루미늄피막을형성하므로공기중에서안정하다. 2제련 : 지각에가장많이존재하지만반응성이크고, 녹는점이매우높아제련하기어려워이용시기가가장늦다. 알루미늄광석인보크사이트에서산화알루미늄 (Al : 녹는점 2054æ) 을얻은후빙정석 (Na AlF ) 과함께용융시킨후전기분해하여알루미늄을얻는다. 탄소음극 알루미늄의제련 정제된알루미늄 (+) 극 :3 1 ;2#; +6e ( 산화 ) () 극 :2Al ±+6e 1 2Al ( 환원 ) 빙정석의역할 : 산화알루미늄의녹는점을 960æ로낮추어용융시키기쉽게한다. 금속의종류 금 (Au) 구리 (Cu) 철 (Fe) 알루미늄 `(Al) 사용시기 신석기시대 기원전 5000 년 기원전 3000 년 1780 년대후반 지각의구성비 (%) 5_10 7_10 5.0 8.8 녹는점 (æ) 1060 1080 1540 660 밀도 (g/cm ) 19.3 8.9 7.8 2.7 색깔 노란색 붉은색 회백색 은백색 굳기 2.5~3 2.5~3 4~5 2~3 공기중산화정도 거의산화되지않음 천천히산화됨 빠르게산화됨 매우빠르게산화됨 산출형태 미세한자연금을포함하는석영 자연동, 구리황화물, 구리산화물 철산화물 보크사이트 ( 알루미늄산화물 ) 용도 장신구, 주화 전선, 전기기구, 공예품 건축자재, 교량 알루미늄포일, 비행기동체 03. 금속의반응성과우리생활 산화와환원구분산화산소산소얻음전자전자잃음 환원산소잃음전자얻음 1. 금속의반응성 ⑴ 이온화경향 : 금속이전자를잃고양이온으로되려는경향 Δapple 이온화경향이큰금속일수록반응성이크고산화 되기쉽다. K>Ca>Na>Mg>Al>Zn>Fe>Ni>Sn>Pb>()>Cu>g>Ag>Pt>Au 17 과학탐구영역
Ⅲ. 금속 ⑵ 금속의반응성 금속 이온화경향반응성 K Ca Na Mg Al Zn Fe Ni Sn Pb {} Cu g Ag Pt Au 크다 작다 공기중의산소와의반응 매우빠르게산화 가열하면빠르게산화 느리게산화 산화되지않음 물과의반응 찬물과반응하여수소발생 고온의수증기와반응하여수소발생 반응하지않음 산과의반응 묽은산과반응하여수소발생 질산, 진한황산과반응 왕수와반응 이온화경향이크다. 전자를잃기쉽다. 양이온으로되기쉽다. 금속성이강하다. 반응성이크다. ⑶금속의반응성비교 1 반응성이큰금속과반응성이작은금속이온이녹아있는수용액의반응 : 반응이일어난다. 반응성이큰금속 : 전자를잃고 ( 산화 ) 양이온이되어용액속으로녹아들어간다. 반응성이작은금속의이온 : 전자를얻어 ( 환원 ) 금속으로석출된다. q111111 산화 11111E Zn(s)+Cu ±(aq) 1 Cu(s)+Zn ±(aq) ( 반응성 :Zn>Cu) z122 환원 221C 2 반응성이작은금속과반응성이큰금속이온이녹아있는수용액의반응 : 반응이일어나지않는다. Cu(s)+Zn ±(aq) 1 반응이일어나지않음 ( 반응성 :Zn>Cu) 2. 금속의부식 ⑴ 금속의부식 : 금속이수분과산소에의해산화반응이일어나녹스는현상 ⑵철의부식 : 철은공기중의산소, 물과반응하여전자를잃고녹을형성한다. Fe 1 Fe ±+2e ( 산화 ) +2 +4e 1 4 ( 환원 ) Fe ± 1 Fe ±+e ( 산화 ) 2Fe ±+6 1 Fe 3 ( 녹형성 ) ⑶철의부식조건 물방울 Fe@± Fe@± Fe Fe 2e 2e 철표면 철의부식과정 {Fe Ûx } 4 철의녹 2 + 4e 시험관 1 2 3 4 5 염화칼슘 고무마개 방법 쇠못물 쇠못솜 염화칼슘 쇠못소금물 쇠못식용유 식용유 쇠못끓인물 물속에반쯤담금 건조제를넣고마개를덮음 소금물속에반쯤담금 식용유에넣고마개를덮음 끓인물에넣고식용유를덮음 조건 산소, 물 산소, 물 산소, 물, 전해질 산소, 물 산소, 물 녹의양 많음 약간 매우많음 없음 약간 과학탐구영역 18
Ⅲ. 금속 전기도금 : 도금할물체를 () 극에, 도금재료를 (+) 극에매달고도금시킬금속이온의용액을전기분해하면물체표면에금속이석출된다. 전해질용액 : 도금할금속 (Ag±) 이포함된질산은 (AgN ) 수용액을사용 (+) 극 :Ag 1 Ag±+e ( 산화 ) () 극 :Ag±+e 1 Ag ( 환원 ) 철제숟가락 은막대 1 산소와물이모두작용하는경우의못에녹이많이생겼으므로철이부식하는데필요한조건은산소와물이다. 2 전해질이녹아있는경우철의부식이촉진된다는것을알수있다 ( 시험관 Ⅲ). 3 철의부식을차단하기위해서는산소나물과의접촉을막아야한다. ⑷철의부식방지 1 페인트칠이나기름칠 : 물과공기의접촉을막아부식을방지한다. 2도금 : 철의표면에주석, 아연, 니켈등의다른금속을도금하여물과공기의접촉을막아부식을방지한다. 함석 : 철에반응성이큰아연을도금 Δapple 표면에흠집이생겨철이노출되어도아연이먼저산화되므로철의부식을방지한다 ( 함석지붕 ). 양철 : 철에반응성이작은주석을도금 Δapple 표면에흠집이생겨철이노출되는경우철이주석보다먼저산화되므로철의부식이촉진된다 ( 통조림캔 ). 함석 양철 ± Zn@± ± e e e Fe@± 아연아연주석주석 AgN 수용액 e 철 철 3 음극화보호 : 철보다반응성이큰금속을철에연결하여금속이철보다먼저산화되도록하여철의부식을방지한다. 철제탱크 구리선 모래 자갈 아연 마그네슘 4합금 : 철에크롬과니켈을혼합하여부식에강한스테인리스가된다. 5 알루미늄의부식방지 : 알루미늄은공기중에산화하여단단한산화물의피막을형성하여스스로를보호한다 ( 부동태형성 ). 3. 합금과중금속 1합금 : 한금속에다른금속이나비금속을섞어만든금속혼합물로, 본래의금속의성질을개선하거나보완하여다른성질을가진다. 여러가지합금 합금 성분 특성 용도 청동 Cu, Zn, Sn 주조하기쉽고단단하다. 동전, 메달, 동상 황동 ( 놋쇠 ) Cu, Zn 전성과연성이커서가공이쉽다. 동전, 장식품 백동 Cu, Ni 은빛을내며전성과연성이크다. 장식품, 화폐 두랄루민 Al, Cu, Mg 가볍고강하다. 항공기의동체 스테인레스강 Fe, Cr, Ni 녹이슬지않고, 산에부식되지않는다. 공구, 주방기구 땜납 Pb, Sn 녹는점이낮고단단하다. 납땜 니크롬 Ni, Cr, Mn 전기저항이크고산화에강하다. 저항선 아말감 g, Ag, Sn 안정하고굳으면단단해진다. 치과용충진제 19 과학탐구영역
Ⅲ. 금속 2 신소재합금 합금 특징 용도 형상기억합금 초전도합금 수소저장합금 특정온도에서의모양을기억하고있는합금 변형후특정온도가되면원래의모양으로돌아감 어떤온도이하에서전기저항이 0 이되는초전도현상 을나타내는합금 금속원자사이에수소를원자상태로저장 ( 열방출 ) 한후다시분자상태로방출 ( 열흡수 ) 하는합금 우주선의파라볼라안테나, 속옷, 안경테등 자기부상열차, MRI 등 냉 난방기, 수소저장탱크, 수소자동차등 합금을일정온도이하로냉각시켰을때전기저항이갑자기소멸하여전류가장애없이흐르는현상이다. 전기저항 형상기억합금 변형가열가열 t 온도 {æc} + 열발생 수소원자 + 열 열흡수 금속원자 MgNi 합금 수소저장합금 수소기체 금속수소화물 ⑵중금속 1 중금속 : 밀도가 4.0g/cm 이상인금속으로, 체내에흡수되면단백질세포와결합하여배출되지않고축적된다. 2 중금속의용도와피해 중금속 용도 피해 납 (Pb) 페인트, 휘발유, 납땜 신장장애, 빈혈, 두통, 유산, 청각장애 수은 (g) 카드뮴 (Cd) 온도계, 수은전지, 치과재료니켈카드뮴전지, 형광물질 뇌성소아마비, 지능저하, 청각과언어장애, 신경장애, 미나마타병 유발 신장장애, 위장병, 이타이이타이병 유발 일본의미나마타현에서처음으로발생되었고, 인근화학공장에서배출된폐수에포함된메틸수은 ((C ) g) 이물고기를통해사람 크롬 (Cr) 합금, 페인트, 복사기토너 신장과간손상, 피부궤양, 암유발 의몸에축적되어생긴병이다. 3생물농축 : 어떤물질이먹이연쇄를따라상위영양단계로갈수록점차농축되는현상 대기 일본의광산폐수에섞인카드뮴이쌀에농축되어사람을중독시켜뼈의이상을초래한병으로, 이타이이타이 는일본어로 아프다, 아프다 를뜻한다. 수은 수은 메틸수은 토양 박테리아 4 중금속피해대책 : 중금속이포함된물질의사용량을줄이고, 중금속이들어있는물질을분리수거후안전하게처리한다. 과학탐구영역 20
Ⅳ. 탄소화합물과학탐구영역 T I N K M R E A B U T Y U R F U T U R E 01. 탄화수소 1. 탄소화합물 원유 원유 가열기 원유의분별증류 분별증류 나프타 등유 중유 리포밍 크래킹 크래킹 원유로부터분리되어나오는물질 석유가스 {C ~C } 25æC 이하 나프타 {C ~C º} 40~160æC 등유 {C ~C } 160~250æC 경유 {C ~C º} 250~300æC 중유 {C ~C } 300~350æC 아스팔트 {C 이상 } 350æC 이상 에텐 프로펜 부타디엔 휘발유 ⑴ 탄소화합물 합성수지의원료 합성수지의원료 합성고무의원료 자동차의연료 액화석유가스 자동차연료화학제품의원료 항공기연료난방연료 디젤엔진차량연료 중앙난방시스템에쓰이는연료 도로포장재의원료 1 탄소화합물 : 탄소를기본골격으로수소, 산소, 질소등이결합하여이루어진화합물 2 탄소화합물의특성ᄀ탄소원자는최대 4개의다른원자들과결합할수있어화합물의종류가많다. ᄂ분자간인력이작아녹는점, 끓는점이낮지만, 원자간결합은강하다. ᄃ무극성용매에잘녹는다. ⑵석유 : 지질시대에살던호수나바다생물들의유해가땅속에묻혀오랜기간동안분해되어만들어진물질로자연상태에서산출되는석유를원유라고한다. 1 원유의분별증류 : 원유의주성분인탄화수소를분별증류에의해분리하면끓는점이낮은것부터분류탑의위쪽에서분리 되어나온다. 2 크래킹 : 긴사슬의탄화수소를촉매하에열분해하여작은분자로변환시키는과정이다. 3 리포밍 : 나프타에촉매를써서높은온도와압력을가해사슬모양의탄화수소를고리모양의탄화수소로전화하는과정이다. 석유가스 나프타 등유 경유 중유 아스팔트 2. 탄화수소 ⑴ 탄화수소 : 탄소와수소로만이루어진탄소화합물 ⑵ 탄화수소의분류 1 지방족 / 방향족탄화수소 : 벤젠고리를가지고있으면방향족탄화수소, 벤젠고리를가지고있지않으면지방족탄화수소로분류한다. 2 포화 / 불포화탄화수소 : 탄소가단일결합으로만연결되어있으면포화탄화수소, 탄소간의결합에다중결합이포함되어있으면불포화탄화수소로분류한다. 3 사슬형 / 고리형탄화수소 : 탄소들이선형으로결합되어있으면사슬형탄화수소, 탄소들이결합하여고리를형성하면고리형탄화수소로분류한다. 탄화수소 포화탄화수소 ( 단일결합 ) 불포화탄화수소 사슬모양포화탄화수소 고리모양포화탄화수소 사슬모양불포화탄화수소 알칸 {C n 2n+2 } 시클로알칸 {C n 2n } 알켄 {C n 2n } {1개의이중결합 } 알킨 {C n 2n2 } {1개의삼중결합 } CC ( 에탄 ) ( 시클로헥산 ) CC ( 에텐 ) CÆC( 에틴 ) (1 개이상의이중또는삼중결합 ) 고리모양불포화탄화수소 방항족탄화수소 ( 벤젠 ) 21 과학탐구영역
Ⅳ. 탄소화합물 3. 지방족탄화수소 ⑴ 알칸 (alkane): 탄소사이의결합이모두단일결합으로이루어진사슬모양포화탄화수소 1 일반식 :C««2 명명법 : 탄소수 를나타내는말의어미에 안(ane) 을붙여부른다. 3성질ᄀ탄소수가증가할수록 ( 분자량이커질수록 ) 분자간인력이증가하여녹는점, 끓는점이높다. ᄂ탄소수가4개이상인알칸은이성질체 를가진다. ᄃ반응 : 화학적으로안정하여반응성이작지만햇빛존재하에서할로겐원소와치환반응을한다. 분자식 C 햇빛햇빛햇빛햇빛 C 11 C Cl 11 C Cl 11 CCl 11 CCl +Cl +Cl +Cl +Cl 이름 메탄 녹는점 (æ) 183 끓는점 (æ) 162 이성질체수 상온에서의상태 기체 탄소화합물에서는탄소의수를그리스어 로세어물질의이름을정하므로그리스어의 수사를알아두면편리하다. 수 1 2 수를셀때 mono di(bi) 물질이름 metha etha 수 3 4 수를셀때 tri tetra 물질이름 propa buta 수 5 6 수를셀때 penta hexa 물질이름 penta hexa 수 7 8 수를셀때 hepta octa 물질이름 hepta octa 수 9 10 수를셀때 nona deca 물질이름 nona deca C C 에탄프로판 184 188 89 42 기체기체 분자식은같으나구조식이다른화합물로, 물리적 화학적성질이다르다. C º 부탄 138 0.6 2 기체 C 펜탄 130 36 3 액체 C 헥산 95 69 5 액체 ⑵ 알켄 (alkene): 탄소사이에이중결합이포함된사슬모양의불포화탄화수소 1 일반식 :C««2 명명법 : 탄소수를나타내는말의어미에 엔 (ene) 을붙여부른다. 3 성질 : 이중결합을가지고있어첨가반응과중합반응을한다. 첨가반응중합반응 CC + Br CC n`c C `C C ` n ( 적갈색 ) Br Br 에틸렌 ( 단위체 ) 폴리에틸렌 ( 중합체 ) 에텐 1, 2디브로모에탄 ( 무색 ) 에텐의첨가반응 에텐의중합반응 4에텐 (C ): 관용명에틸렌ᄀ구조 : 모든원자가동일한평면내에존재하며결합각은 120æ이다. ᄂ제법 : 에탄올에진한황산을가한후 160~170æ로가열하면얻어진다. 0.134nm C C 120æ CC S C 121 C C + 170æ 에텐의분자구조 ⑶ 알킨 (alkyne): 탄소사이에삼중결합이포함된사슬모양의불포화탄화수소 1 일반식 :C««진한황산 2 명명법 : 탄소수를나타내는말의어미에 인(ene) 을붙여부른다. 3성질 : 삼중결합을가지고있어첨가반응과중합반응을한다 ( 알켄보다반응성이더크다.). 온도계에탄올끓임쪽기름 에텐 CÆC` 첨가 CC 첨가 CC 3CÆC 에틴 중합반응 C 벤젠 에텐의제법 물 에틴 에텐 에탄 에틴의첨가반응 에틴의중합반응 과학탐구영역 22
Ⅳ. 탄소화합물 180æ C C 0.120nm 에틴의분자구조물 CaC 수조 에틴의제법 CÆC 에틴 4 에틴 (C ): 관용명아세틸렌ᄀ구조 : 두탄소원자는각각 1개의수소원자와결합하며직선형구조이다. ᄂ제법 : 칼슘카바이드 (CaC ) 에물을넣고반응시키면얻어진다. CaC +2 1 Ca() +C ᄃ성질 : 연소시키면 3000æ 이상의고온을내기때문에철의절단과용접에이용된다. ⑷ 시클로알칸 (cycloalkane): 탄소원자모두단일결합으로이루어진고리모양의포화탄화수소 1 일반식 :C««2 명명법 : 탄소수가같은알칸의이름앞에 시클로(cyclo) 를붙여부른다. 3반응 : 일반적으로치환반응을하지만, 시클로프로판과시클로부탄은불안정하여고리가끊어지면서첨가반응한다. 의자형 분자식 구조식 C C C º C C C C C C C C C C C C C C C C C C C 이름 시클로프로판 시클로부탄 시클로펜탄 시클로헥산 보트형 시클로헥산의구조 결합각 특징 60 불안정하여결합이쉽게끊어진다. 90 108 시클로프로판과시클로부탄보다는안정하나시클로헥산보다는불안정하다. 109.5 6 개의탄소원자가동일평면에존재하지않는입체구조로, 의자형과보트형이있다. 벤젠고리를가지고있는불포화탄화수소로, 독특한냄새를내는것이많아방향족탄화수소라고부른다. 벤젠의첨가반응니켈을촉매로하여벤젠에수소를반응시키면시클로헥산이생성된다. Ni C +3 12 C 300æ ( 시클로헥산 ) 4. 방향족탄화수소 ⑴벤젠 (C ) 1구조 : 정육각형의평면구조이고, 탄소사이의결합은단일결합과이중결합의중간으로, 탄소원자간거리가모두동일한공명구조이다. 2성질 : 무색액체로독특한냄새가나며, 독성이큰발암물질이다. 또한매우안정하므로첨가반응 보다치환반응을잘하며, 무극성분자로물과잘섞이지않는다. 3 벤젠의치환반응 : 벤젠은반응성이작으나촉매를이용하면수소원자가다른원자또는작용기로치환되는치환반응이일어난다. 할로겐화반응 Fe + ClCl Cl + Cl 니트로화반응 클로로벤젠 + N 진한 S N + 니트로벤젠 C C C C C C o크실렌 m크실렌 p크실렌 크실렌의세가지이성질체 알킬화반응 AlCl + ClC C + Cl 톨루엔 ⑵ 톨루엔 (C C ): 벤젠의수소원자 1개가메틸기 (C ) 로치환된화합물로특이한냄새를가진무색의액체이며, 끓는점은 111æ이다. ⑶ 크실렌 (C (C ) ): 벤젠의수소원자 2개가메틸기 (C ) 로치환된화합물로, 오르토 (o), 메타 (m), 파라 (p) 의세가지이성질체가존재한다. 23 과학탐구영역
Ⅳ. 탄소화합물 02. 탄화수소유도체 1. 탄화수소유도체 ⑴ 탄화수소유도체 : 탄화수소에작용기가붙어있는탄소화합물 ⑵ 작용기 : 탄화수소에결합하여공통적으로성질을나타나게하는원자나원자단을작용기라고하며, 작용기가같으면성질이비슷하다. 일반명 작용기 작용기이름 일반식 화합물의예 알코올 히드록시기 R C ( 메탄올 ) 에테르 에테르기 RR' C C ( 디메틸에테르 ) 알데히드 C 포르밀기 ( 알데히드기 ) RC C( 포름알데히드 ) 케톤 C 카르보닐기 ( 케톤기 ) RCR' C CC ( 아세톤 ) 카르복시산 C 카르복시기 RC 에스테르 C 에스테르기 RCR' C( 포름산 ) CC ( 포름산메틸 ) 2. 지방족탄화수소유도체 ⑴알코올 (R) : 탄화수소의수소원자가히드록시기 () 로치환된화합물 1 명명법 : 탄소수가같은알칸의이름끝에 올(ol) 을붙여부른다. 2성질ᄀ탄소수가많을수록물에대한용해도가작다. ᄂ 를가지고있어수소결합을형성하기때문에탄소수에비해끓는점이높다. ᄃ물에녹아± 이나 을내놓지않으므로수용액의액성은중성이다. 알코올분자식탄소수끓는점 (æ) 물에대한용해도 (g/ 물100g) 알코올의이용 메탄올 (C ): 연료나화학공업원료로사용되며, 독성이강해서마시면눈이멀거나생명을잃을수도있다. 에탄올 (C ): 술의주성분으로포도당을발효시켜만들며, 소독약, 페인트제조의용매로사용된다. 에틸렌글리콜 : 자동차의부동액으로사용된다. 글리세롤 : 의약품이나화장품의원료로사용된다. 메탄올 C 1 65 에탄올 C C 2 78 프로판올 C C C 3 97 부탄올 C C C C 4 117 8.0 펜탄올 C C C C C 5 138 2.7 3 알코올의분류 1 가알코올 2 가알코올 3 가알코올 히드록시기 () 의수에따른분류 C C 에탄올 C C 에틸렌글리콜 C C C 글리세롤 히드록시기가붙어있는탄소에결합된알킬기 ( R) 의수에따른분류 1차알코올 2차알코올 3차알코올 R' R' R C R C R C R" 알칸에서수소원자한개를뺀탄화수소 C««을알킬기라하고, R 등으로표현한다. C : 메틸기 C : 에틸기 C : 프로필기 과학탐구영역 24
Ⅳ. 탄소화합물 3 차알코올은산화반응을하지않는다. 4반응ᄀ알칼리금속과반응하면수소기체가발생한다. 2R+2Na 1 2RNa+ ᄂ카르복시산과반응하면에스테르와물이생성된다. RC+R' 1 RCR'+ ᄃ산화반응 :1차알코올이산화되면알데히드를거쳐카르복시산이되고, 2차알코올이산화되면케톤이된다. 1 차알코올의산화반응 :RC 11 RC 11 RC 산화 산화 2 차알코올의산화반응 :RC()R' 11 RCR' ᄅ탈수반응 : 알코올에진한황산을넣고 130~140æ로가열하면에테르, 170æ로가열하면알켄이생성된다. S 분자간탈수 :2C 1211 C C + 130~140æ S 분자내탈수 :C 1211 C C + 170æ 산화 디메틸에테르 (C C ), 디에틸에테르 (C C ) C Δapple C, C C 알데히드제법가열한구리줄을메탄올에넣어주면메탄올이산화되어포름알데히드가생성된다. Cu+C 1 Cu+ +C 은거울반응과펠링반응을하는물질알데히드, 포름산 (C), 포름산의에스테르 (CR), 단당류, 이당류 ⑵ 에테르 (RR'): 알코올의 에서수소원자대신알킬기 (R') 가결합된탄화수소유도체 1 명명법 : 알킬기의이름끝에 에테르 (ether) 를붙여부른다. 2 제법 : 에탄올에진한황산을넣고 130~140æ 로가열하면디에틸에테르가생성된다. S C +C 1111 C C + ( 분자간탈수 ) 130~140æ 3성질ᄀ특유의냄새가나는액체로물과잘섞이지않으며, 알코올에비해끓는점이낮다. ᄂ휘발성과인화성이크고, 마취성이있다. ᄃ알코올과달리금속과반응하지않는다. ᄅ탄소수가같은알코올과이성질체관계이다. ⑶ 알데히드 (RC): 탄화수소의수소원자가포르밀기 (C) 로치환된화합물 1 명명법 : 탄소수가같은알칸의이름끝에 알(al) 을붙여부른다. 2제법 :1차알코올을산화시켜얻는다. 산화 RC 11 RC+ 2 3성질ᄀ탄소수가적은알데히드는물에잘녹는다. ᄂ알데히드를산화시키면카르복시산이되고환원시키면알코올이된다. 환원 산화 RC 11 RC 11 RC 4 반응 : 알데히드는환원성이커서은거울반응과펠링반응 을한다. ᄀ은거울반응 : 암모니아성질산은용액 (Ag(N ) ) 에알데히드를가하면용액속의은이온 (Ag±) 이환원되면서은입자가석출된다. 이때석출된은이시험관벽에달라붙어은거울을만든다. RC+2Ag(N ) 1 RC+4N + +2Ag ᄂ펠링반응 : 푸른색펠링용액에알데히드를넣고가열하면펠링용액속에있는구리이온 (Cu ±) 이환원되어붉은색의산화구리 (Ⅰ)(Cu ) 앙금이생성된다. RC+2Cu ±+4 1 RC+2 +Cu ( 푸른색 ) ( 붉은색 ) 25 과학탐구영역
Ⅳ. 탄소화합물 ⑷ 케톤 (RCR'): 카르보닐기 (C) 에알킬기 2 개가결합된탄화수소유도체 1 명명법 : 탄소수가같은알칸의이름끝에 온(one) 을붙여부른다. 2제법 :2차알코올을산화시켜얻는다. 산화 RC()R' 11 RCR' 2 3성질ᄀ독특한냄새가나는액체로, 물과같은극성용매와잘섞이고, 벤젠과같은무극성용매와도잘섞인다. ᄂ탄소수가같은알데히드와이성질체관계이다. Δapple 케톤은은거울반응, 펠링반응을하지않는다. 4아세톤 (C CC ): 대표적인케톤으로, 무색의휘발성액체로독특한냄새가난다. 고무나합성수지를잘녹이므로유기용매로많이사용한다. ⑸ 카르복시산 (RC): 탄화수소의수소원자가카르복시기 (C) 로치환된화합물 1 명명법 : 탄소수가같은알칸의이름끝에 산 을붙여부른다. 2제법 :1차알코올을산화시켜얻은알데히드를다시산화시켜얻는다. 산화 산화 RC 11 RC 11 RC [2] [] 3성질ᄀ탄소수가적은포름산과아세트산은물에잘녹는다. ᄂ물에녹아일부만 ± 을내놓으므로약한산성은띤다. RC 1 RC +± ᄃ수소결합하기때문에탄소수가비슷한탄소화합물에비해끓는점이높다. ᄅ카르복시산두분자가수소결합에의한이합체를형성한다. 4반응ᄀ금속과의반응 : 금속을넣어주면수소기체가발생한다. 2RC+2Na 1 2RCNa+ ᄂ중화반응 : 산성을띠므로염기와만나증화반응한다. RC+Na 1 RCNa+ ᄃ에스테르화반응 : 산촉매하에서알코올과반응하여에스테르를생성한다. RC+R' 1 RCR'+ 5 카르복시산의종류ᄀ포름산 (C): 분자내에카르복시기와포르밀기를동시에갖고있어서산성을나타내고, 은거울반응과펠링반응을한다. ᄂ아세트산 (C C): 녹는점이 17æ로낮아겨울철에는고체로존재하기때문에빙초산이라고도불린다. 식초는 3~4% 의아세트산수용액이다. ⑹ 에스테르 (RCR'): 카르복시산의수소원자가다른알킬기로치환된탄화수소유도체 1 명명법 : 카르복시산의이름뒤에알킬기의이름을붙여부른다. 2제법 : 황산을촉매로하여카르복시산 (RC) 과알코올 (R') 을반응시키면에스테르화반응 ( 분자간탈수축합반응 ) 이일어나에스테르가생성된다. S RC+R' 1111 RCR'+ 에스테르화반응 3성질ᄀ물에잘녹지않고향기로운물질 이다. ᄂ탄소수가같은카르복시산과이성질체관계 이다. C C 수소결합 CC 이합체포르밀기 {C} C 카르복시기 {C} 포름산의구조 포름산에틸 ( CC ), 아세트산에틸 (C CC ) 과일향이나는에스테르 CC ( 포름산에틸 ): 복숭아향 C CC ( 아세트산에틸 ): 사과향 C CC ( 아세트산이소아밀 ): 바나나향 C CC ( 아세트산옥틸 ): 오렌지향 C Δapple C C( 에탄산 ), CC ( 메탄산메틸 ) 과학탐구영역 26
Ⅳ. 탄소화합물 4반응ᄀ비누화반응 : 에스테르에강한염기를넣고가열하면지방산의염 ( 비누 ) 과알코올을생성한다. RCR'+Na 1 RCNa( 비누 )+R' ᄂ가수분해반응 : 산촉매하에서가수분해되어카르복시산과알코올을생성한다. S RCR'+ 1111 RC+R' 가수분해반응 3. 방향족탄화수소유도체 페놀류의이용의약품, 염료, 페놀수지의원료로쓰이고, 1~ 3% 페놀수용액은살균및소독제로쓰인다. C C 페놀 o 크레졸살리실산 페놀류의구조 ⑴페놀 (C ) : 벤젠의수소원자 1개가히드록시기 () 로치환된화합물 1성질 : 물에약간녹고, 물에녹아약한산성을나타낸다. + ± 페놀레이트이온 2반응ᄀ중화반응 : 염기와중화반응하여염을만든다. + Na 중화반응 Na + 나트륨페놀레이트 ᄂ에스테르화반응 :를가지고있으므로카르복시산과에스테르화반응을한다. ᄃ페놀류검출 : 염화철 (Ⅲ)(FeCl ) 수용액과만나면보라색을나타내는정색반응을한다.( 페놀성히드록시기 () 의검출에이용 ) C C C 살리실산의구조 C o크레졸 m크레졸 p크레졸 크레졸의구조 ⑵ 크레졸 ( C ()C ): 벤젠의수소원자 2개가메틸기 (C ) 와히드록시기 () 로치환된화합물로, 의위치에따라세가지이성질체가존재한다. ⑶ 살리실산 (C ()C): 벤젠의수소원자 2개가히드록시기 () 와카르복시기 (C) 로치환된화합물 1성질 : 페놀과카르복시산의성질을동시에갖는다. 2 에스테르화반응 : 카르복시산이나알코올과에스테르화반응을한다. C 진한황산 + C C CC + C 살리실산아세트산아세틸살리실산 ( 아스피린 ) C 진한황산 + C + CC 살리실산메탄올살리실산메틸 ( 파스 ) ⑷ 니트로벤젠 (C N ): 벤젠의수소원자 1 개가니트로기 (N ) 로치환된화합물 1성질 : 담황색의기름모양의액체로아닐린을만드는데쓰인다. 2제법 : 벤젠에진한질산과진한황산을가하여만든다. N + N 진한황산 + 벤젠 진한질산 니트로벤젠 27 과학탐구영역
Ⅳ. 탄소화합물 ⑸ 아닐린 (C N ): 벤젠의수소원자 1 개가아미노기 (N ) 로치환된화합물 1성질 : 특유의냄새가나는무색의액체로물에잘녹지않는염기성물질이다. 2제법 : 니트로벤젠을환원시켜만든다. N N 환원 니트로벤젠 아닐린 ⑹ 방향족탄화수소유도체의액성과반응 화합물 페놀 벤질알코올 크레졸 벤조산 살리실산 아닐린 구조식 C C C C N 액성 산성 중성 산성 산성 산성 염기성 염화철 (Ⅲ) 수용액과의정색반응 03. 연료와고분자화합물 1. 연료와연소반응 ⑴연료 1 연료의구분 연료 장점 단점 예 고체 가격이저렴하고화재위험성이작다. 연소조절이어렵고재가남는다. 석탄, 나무 액체 저장과운반이편리하고연소조절이쉽다. 가격변동이심하고연소시냄새가많이난다. 석유 기체 연소조절이쉽고청정연료이다. 저장과운반이불편하고폭발의위험성이있다. LNG, LPG 2 LNG와 LPG ᄀ LNG: 천연가스를압축하여액화시킨것으로주성분은메탄 (C ) 이다. ᄂ LPG: 원유를분별증류할때나오는석유가스를압축하여액화시킨것으로주성분은프로판 (C ) 과부탄 (C º) 이다. 구분 LNG( 액화천연가스 ) LPG( 액화석유가스 ) 주성분 메탄 (C ) 프로판 (C ) 부탄 (C º) 끓는점 (æ) 162 42 0.6 발화점 (æ) 밀도 (g/l)(25æ) 537 0.65 481 1.80 441 2.37 물질을공기중에서가열할때발화하거나폭발을일으키는최저온도 연소열 (kj/g) 56.0 51.0 50.0 이용 도시가스, 자동차연료 가정용연료, 자동차연료 과학탐구영역 28
Ⅳ. 탄소화합물 연소의조건연료, 발화점이상의온도, 산소 Ca() +C 1 CaC + 수분 CoCl 11 CoCl 6 ( 푸른색 ) ( 붉은색 ) ⑵ 연료의연소 1연소 : 어떤물질이산소와반응하여열과빛을내는현상이다. 2 화석연료의연소 : 대부분탄소 (C) 와수소 () 가주성분이므로연소시키면이산화탄소 (C ) 와물 ( ) 이생성된다. 3 완전연소와불완전연소ᄀ완전연소 : 산소공급이충분하여물과이산화탄소가생성된다. ᄂ불완전연소 : 산소공급이충분하지않아물, 이산화탄소, 일산화탄소, 그을음등이생성된다. 3 연소생성물의확인ᄀ이산화탄소 (C ) 의확인 : 석회수에통과시켰을때석회수가뿌옇게흐려지는것으로확인가능 하다. ᄂ물 ( ) 의확인 : 푸른색염화코발트종이를대었을때붉은색으로변하는것 과흰색의무수황산구리가푸른색으로변하는것으로확인가능하다. 2. 고분자화합물 ⑴ 고분자화합물 1 분자량이 10000 이상인화합물이다. 2 분자량이일정하지않아녹는점이일정하지않다. 3 고체나액체로만존재하며, 결정으로되기어렵다. 4 열, 전기, 공기및화학약품등에대해안정하다. ⑵ 고분자화합물의종류 1 천연고분자화합물 : 녹말, 단백질, 천연고무, 셀룰로오스등 2 합성고분자화합물 : 합성고무, 합성섬유, 합성수지등 ⑶ 고분자화합물의합성방법 1첨가중합 : 단위체에존재하는이중결합이끊어지면서계속적으로첨가반응이일어나고분자화합물을만드는중합반응 nc C X 첨가중합 X n 2축합중합 : 단위체들이반응할때간단한분자 (, Cl) 가빠져나가면서고분자화합물을만드는중합반응 `C C n`c C`+`n`C C 테레프탈산 에틸렌글리콜 축합중합 에스테르기 C CC C 테릴렌 n +`2n` 3. 합성고분자화합물 ⑴ 플라스틱의분류 1 열에대한특성에따른분류ᄀ열가소성수지 : 사슬모양으로되어있어가열하면부드러워지고다시냉각하면굳어 29 과학탐구영역
Ⅳ. 탄소화합물 져재성형이가능하다. 대부분첨가중합반응으로합성된다. 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리염화비닐 (PVC) 등ᄂ열경화성수지 : 그물모양으로되어있어한번가열해서굳어지면다시열을가해도물러지지않아재성형이불가능하다. 대부분첨가중합반응으로합성된다. 페놀수지, 요소수지, 멜라민수지등 2 합성방법에따른분류ᄀ첨가중합체 열가소성수지 중합체 단위체 용도 폴리에틸렌 (PE) C C ( 에틸렌 ) 전선단열재, 필름 폴리프로필렌 (PP) 폴리염화비닐 (PVC) C CC ( 프로필렌 ) C CCl( 염화비닐 ) 섬유, 상자, 밧줄 PVC관, 벽지 열경화성수지 ᄂ축합중합체 중합체 단위체 용도 플라스틱제품 페놀수지 C ( 페놀 ), C( 포름알데히드 ) 전기소켓, 절연재료 요소수지 멜라민수지 C(N ) ( 요소 ), C( 포름알데히드 ) C N ( 멜라민 ), C( 포름알데히드 ) 접착제, 물컵, 병마개 주방용기, 도료 열가소성수지폐기물 열경화성수지폐기물 3 플라스틱의재활용ᄀ열가소성수지 : 낮은온도에서가열하여재활용한다. ᄂ열경화성수지 : 잘게부수어건축자재나토목자재로재활용하거나높은온도로가열하여재활용한다. 4 플라스틱의종류와식별번호식별번호플라스틱성질용도 낮은온도에서가열 녹이거나부드럽게한열가소성플라스틱 재생 플라스틱의재활용 공기를차단하고높은온도에서가열 단위체나그밖의제품 재중합 1 PETE 폴리에틸렌테레프탈레이트 투명함, 강도가큼, 값이가장비쌈 음료수용기인페트병 2 DPE 고밀도폴리에틸렌 저밀도폴리에틸렌보다불투명하고무거움, 고밀도임 장난감, 세제류용기, 물통 3 PVC 폴리염화비닐 견고하고열가소성임, 투명하고충격강도가큼 ( 재활용불가능 ) 산업용파이프, 타일등 4 LDPE 저밀도폴리에틸렌 반투명하고희고부드러움, 햇빛에노출되면산화됨 봉지, 쇼핑백, 우유병 5 PP 폴리프로필렌 반투명, 녹는점이높고매끄럽고반짝이는표면, 가장밀도가낮음 음료 맥주의상자, 필름, 쓰레기통 6 PS 폴리스티렌 단단하나깨지기쉬움, 유기용매에잘녹음 스티로폼용기류 7 그밖의플라스틱 기타 ( 재활용불가능 ) 대용량물통 ( 생수통 ) TER 과학탐구영역 30
Ⅳ. 탄소화합물 아미드결합이라고도한다. 나일론의이용카펫, 밧줄, 칫솔등 ⑵합성섬유 1 폴리아미드계섬유 : 카르복시기 (C) 와아미노기 (N ) 사이에축합중합반응에의해생성된펩티드결합 (NC) 을갖는고분자화합물 6, 6`나일론 : 헥사메틸렌디아민과아디프산의축합중합반응에의해생성된합성섬유로, 천연섬유보다질기지만, 땀을흡수하지못하고마찰에의해정전가생기며, 열에약하다. n`n{c } N + n`c{c } C 헥사메틸렌디아민아디프산 축합중합 펩티드 결합 N{C } NC{C } C 6,6``` 나일론 n +`2n` 테릴렌의이용의류의소재, 사진필름, 녹음테이프등 2 폴리에스테르계섬유 : 카르복시기 (C) 와히드록시기 () 의축합중합반응에의해생성된에스테르결합 (C) 을갖는고분자화합물 테릴렌 : 테레프탈산과에틸렌글리콜의축합중합반응에의해생성된합성섬유로, 다른섬유보다강하고탄성이좋아서잘구겨지지않고, 양모와비슷한성질을갖는다. n`c C`+`n`C C 테레프탈산 에틸렌글리콜 축합중합 에스테르기 C CC C 테릴렌 n +`2n` 3 폴리비닐계섬유 : 비닐기 (C C) 의첨가중합에의해생성된고분자화합물 올렌 ( 폴리아크릴로니트릴 ): 아크릴로니트릴의첨가중합체로, 열에약하고흡습성이작지만, 천연섬유에비해저렴하고보온성이뛰어나다. 첨가중합 n`c CCÆN C C CÆN ⑶합성고무 1천연고무 : 라텍스 ( 고무나무에서채취한수액 ) 에아세트산을가해응고시킨것으로, 이소프렌의첨가중합체이다. 탄성을유지해주기위해황을첨가해서사용한다. 아크릴로니트릴올론 ( 폴리아크릴로니트릴 ) n n`c CCC C 첨가중합 C CCC C 이소프렌생고무 ( 천연고무 ) n 2 네오프렌고무 : 클로로프렌의첨가중합반응에의해생성된합성고무이다. 열, 기름, 마찰에강하며, 전선의피복, 구두창, 자동차타이어등에이용된다. n`c CCC Cl 클로로프렌 첨가중합 C CCC Cl 네오프렌고무 n 이중결합을가진두종류이상의단위체가첨가반응하여연결되는중합반응을혼성중합이라고한다. 3부나S 고무 (SBR): 부타디엔과스티렌의혼성중합 에의해생성된합성고무이다. 강도와탄성력이좋고마모성이작으며, 자동차타이어, 구두창등에이용된다. 31 과학탐구영역
Ⅳ. 탄소화합물 n`c CCC + n`c C` 부타디엔 스티렌 혼성중합 부나 ```S 고무 4부나N 고무 (NBR): 부타디엔과아크릴로니트릴의혼성중합에의해생성된합성고무이다. n`c CCC + n`c CCÆN 부타디엔아크릴로니트릴 혼성중합 C CCC C C n C CCC C C`` `` 부나 ``N 고무 `C`Æ`N` n 4. 천연고분자화합물 ⑴ 탄수화물 : 식물체에서합성되는포도당, 설탕, 녹말, 셀룰로오스등으로, 일반식은 Cμ( )«의형태로나타낼수있다. 종류 분자식 이름 가수분해생성물 환원성 물에대한용해성 단맛 단당류 C 포도당과당갈락토오스 가수분해되지않음 있음 녹음 있음 설탕 포도당 + 과당 없음 이당류 C 엿당 포도당 + 포도당 있음 녹음 있음 젖당 포도당 + 갈락토오스 있음 다당류 (C º )«녹말 ( 전분 ) 셀룰로오스글리코겐 포도당 없음 잘녹지않음 없음 1 포도당 : 분자식이 C 인단당류의단위체로, 물과수소결합을하므로물에잘녹고, 세가지형태 (a`` 포도당, 사슬모양포도당, b``포도당 ) 가평형을이루고있다. C C C å포도당사슬모양포도당 포도당 C 2녹말 : 식물이저장하고있는탄수화물로, 광합성에의해이산화탄소와물로부터만들어진다. 녹말은 α`` 포도당의축합중합체로, 찬물에는잘녹지않으나더운물에는녹는다. 녹말검출 ( 요오드`` 녹말반응 ) 무색의녹말용액에요오드`` 요오드화칼륨용액을가하면요오드분자가녹말의나선형구조에끼어들어청남색을나타낸다. C 에테르결합 C C å포도당 과학탐구영역 32
Ⅳ. 탄소화합물 3 셀룰로오스 : 식물의세포막의주성분으로식물체의 30~50% 를차지한다. 셀룰로오스는 b`` 포도당의축합중합체로, 물에잘녹지않고옷감이나종이의원료로많이사용된다. C 에테르 C 결합 포도당 C 카르복시기 RC`C N 아미노기 아미노산의구조 산으로작용할수도있고, 염기로도작용할수있는물질 ⑵ 단백질 1 아미노산 : 단백질의단위체로, 한분자내에아미노기 (N ) 와카르복시기 (C) 를동시에가지는양쪽성화합물 이다. 액성에따른아미노산의구조 RCC +± RCC + RCC ±N ±N N 산성용액 중성용액 염기성용액 2 단백질 : 아미노산이축합중합하여생성된펩티드결합에의해이루어진고분자이다. R R + NCC + `NCC + NCC + R { } { } å아미노산 å`아미노산 ᄀ구조 : 분자내수소결합 (C와 N 사이 ) 으로나선형구조를이룬다. ᄂ단백질의변성 : 열과강한산, 알코올, 중금속등에의해단백질에존재하는수소결합이끊어져입체구조가변형된다. ᄃ검출 뷰렛반응 : 단백질에수산화나트륨수용액을넣고황산구리수용액 ( 청색 ) 을몇방울가하면보라색으로변한다. 크산토프로테인반응 : 단백질에진한질산을넣고가하면노란색으로변한다. R å 아미노산 펩티드결합 R 단백질 R 탈수축합중합 ` NCCNCCNCC 33 과학탐구영역
Ⅴ. 생활속의화합물과학탐구영역 T I N K M R E A B U T Y U R F U T U R E 01. 비누와합성세제 1. 비누 ⑴ 비누의제조 1 비누화반응 : 유지 ( 에스테르 ) 에수산화나트륨수용액과같은강한염기를넣고가열하면비누와글리세롤이생성된다. R CC R CC R CC 지방 + 3Na R C Na + R C Na + + R C Na + 비누 C C C 글리세롤 ⑵ 비누의구조 : 비누분자는기름에잘섞이는친유성기인탄화수소와물에잘녹는친수성기인카르복시기로이루어져있다. C C C C C C C C C C C Na + 친유성기 친수성기 ⑶비누분자의배열 1물표면 : 친수성기인머리부분이물안쪽으로향하고, 친유성기인꼬리부분이물바깥쪽으로배열된다. 2물속 : 물에녹은비누의친유성기는기름때쪽으로향하고, 친수성기는물쪽을향하여공모양으로배열하여미셀 을형성한다. ⑷ 비누의세척작용 : 비눗물에빨래를담그면비누분자의친유성기가오물에침투하여비누분자가섬유와오물을분리시켜둘러싼후, 친수성기의영향에의해물속으로때가떨어져나간다. 이렇게떨어져나온기름때는섬유에달라붙거나뭉치지못하고물속에떠있다가씻겨나간다. 미셀 때 때 때 때 비누분자 때 옷의표면 옷의표면 옷의표면 옷의표면 미셀 친유성기 친수성기 물속에서의비누모형 비누가물에녹아서친유성기는기름쪽으로향하고, 친수성기는물쪽으로향하여배열하면서만들어지는공모양의입자를미셀이라고한다. 물속에기름성분이녹아들어가는현상을유화작용이라고한다. ⑸ 비누의단점 1 찬물에잘용해되지않는다. 2 Ca ± 이나 Mg ± 이포함된센물에서앙금을형성하므로거품이잘생기지않는다. 2RCNa+Ca ± 1 (RC) Ca +2Na± 3 물에녹아염기성을띠기때문에동물성섬유세탁에적합하지않다. RC + 1 RC+ 4 비눗물에산을가하면비누가지방산으로변하므로산성용액에서는사용할수없다. RCNa+Cl 1 RC+Na±+Cl 과학탐구영역 34
Ⅴ. 생활속의화합물 2. 합성세제 C C 친유성기친수성기 C C C C C C C C ABS 세제친유성기친수성기 C C LAS 세제 C C C C C C C C C C S Na + C S Na + C ⑴합성세제의종류 1 ABS 세제 : 가격이저렴하고세척력이좋으나가지가많이달린구조를이루고있어미생물에의해잘분해되지않고, 수질오염을유발한다. 2 LAS 세제 : 선형구조를이루고있어물에대한용해성이좋고, 미생물에의해쉽게분해되므로 ABS 세제를대체하여널리사용된다. ⑵합성세제의성질 1 찬물에서의용해성이좋아세척력이우수하다. 2 대부분의합성세제는물에녹아중성을나타내므로동물성섬유도세탁할수있다. 3 비누와비슷한구조를가지고있으나친수성기가달라서 Ca ± 이나 Mg ± 과앙금을생성하지않으므로센물에서도세척력이우수하다. ⑶ 비누와합성세제의비교 구분 비누 합성세제 수용액의액성찬물에서의세탁센물에서의세탁섬유의종류세탁수재사용 염기성세척력이떨어짐앙금이생겨세척력이떨어짐동물성섬유에적당하지않음오염물이부착되므로재사용불가 중성 세척력이좋음 연화제가들어있어서세척력이좋음 동물성섬유도세탁할수있음 오염물질의재부착방지제가들어있으므로재사용가능 02. 의약품 1. 여러가지의약품 그밖의진통제 : 아세트아미노펜 ( 상품명 : 타이레놀 ) CCN 살리실산메틸은체내에서가수분해되어생성되는메탄올이산화되어독성이강한포름알데히드 (C) 가되므로복용할수없다. ⑴진통제 : 중추신경에작용하여통증을줄여주는의약품 1 아스피린 : 살리실산과아세트산의에스테르화반응으로합성되는아세틸살리실산의상품명이다. 전세계적으로많이팔리는약으로, 진통, 해열제로사용되는약이다. C 진한황산 + C C CC + C 살리실산아세트산아세틸살리실산 ( 아스피린 ) 2 살리실산메틸 : 살리실산과메탄올의에스테르화반응으로합성된다. 근육통이나어깨결림등에바르는약이다. C 진한황산 + C 살리실산메탄올살리실산메틸 ( 파스 ) + CC ⑵ 소화제 : 소화불량의증세가있을때음식물의소화를돕고식욕을증진시키는의약품 1 소화효소제 : 소화를촉진시키는소화효소가들어있다. 디아스타제 ( 녹말소화효소 ), 펩신 ( 단백질소화효소 ), 판크레아틴 ( 녹말, 단백질 ) 2 제산제 : 위액분비를억제하고위산을중화시켜위벽을보호하고음식물소화를돕는다. 35 과학탐구영역
Ⅴ. 생활속의화합물 제산제의성분수산화마그네슘탄산칼슘탄산수소나트륨수산화알루미늄 화학식 Mg() CaC NaC Al() 위속에서의화학반응 +± 1 C +2± 1 C + C +± 1 C + +± 1 ⑶항생제 : 미생물에서분비되는물질로, 다른미생물의발육이나기능을억제하여죽이는물질이다. 1 페니실린 : 푸른곰팡이에서만들어지는항생물질로, 세균의세포막을형성하지못하도록함으로써세균을죽이는역할을한다. 염증, 폐렴, 결핵치료에이용된다. 2 항생제의부작용 : 메스꺼움, 구토, 설사, 쇼크등의부작용이있을수있고, 계속사용하면항생제에저항력이있는변종들이생겨나므로더욱강력한항생제가필요하다. ⑷항암제 : 암세포를죽이거나성장을억제시키는약품으로암세포의 DNA 합성을저해하여증식을막는역할을한다. 암세포뿐만아니라정상세포에도해를입히며, 소화장애와탈모증같은부작용이나타난다. ⑸스테로이드약품 : 자연계에서얻어지는 4개고리구조를갖는화합물로, 성호르몬과유사한구조이다. RCN N S C C 페니실린의구조식 C 2. 의약품의오 남용 ⑴약물의오용과남용 1 약물의오용 : 의약품을의사나약사의지시나용법대로사용하지않는것 2 약물의남용 : 의약품을의학적인목적이아닌다른용도로사용하는것 ⑵중독성이있는향정신성약물 약리작용중추신경억제중추신경흥분중추신경흥분및억제 종류아편, 모르핀, 헤로인필로폰, 암페타민, 코카인 LSD, 마리화나 ( 대마 ) 증상및행동 신체조정력상실, 동공축소, 식욕감퇴, 체중감소 피로, 적개심, 공격적행동, 편집증, 불안, 초조, 손떨림 시간과공간의왜곡, 운동기능장애 03. 화학의역학과과제 1. 환경오염 ⑴ 대기오염 원인 피해 대책 황산화물 (S ) 질소산화물 (N, N ) 산성비와런던형스모그를일으킨다. 산성비와광화학스모그를일으킨다. 화석연료의사용량을줄이고이산화황제거장치를설치한다. 자동차에촉매변환기를부착한다. CFC( 프레온가스 ) 오존층파괴와지구온난화를일으킨다. CFC 사용을규제하고대체물질을개발한다. 과학탐구영역 36
Ⅴ. 생활속의화합물 석탄석회석공기 연소실 S+ S C +Ca 폐수 S CaS 물과 +Ca S 제거기 CaS 찌꺼기 정화된 기체 굴뚝 정화된 공기 정화 장치 탈황장치 촉매변화장치 ⑵ 수질오염 원인 피해 대책 생활하수, 산업폐수, 축산폐수 유독물질과중금속에의한각종질병발생, 부영양화현상, 중금속의생물농축 정화처리시설확충, 실험폐수등은부리수거하여처리한다. ⑶ 토양오염 원인 피해 대책 비료와농약, 산업폐기물 농작물생산이감소, 생물농축에따른여러생물의피해 산업폐기물을재활용하며, 화학비료의사용억제하고산성화된토양에석회가루를뿌려중화시킨다. 2. 대체에너지 전압계 () 극 e e (+) 극 연료전지 V ⑴ 대체에너지 : 기존의화석연료를대체할에너지로태양에너지, 풍력에너지, 수력에너지, 연료전지등이있다. ⑵ 대체에너지의특징 : 대부분설치비용이많이들지만, 재생산이가능하고환경오염물질의배출이적다. ⑶연료전지 : 화학에너지로직접변환시키는전지를연료전지라고한다. 연료전지는발생한열량의 80% 정도가전기에너지로전환되므로에너지효율이높다. () 극에서는수소기체가산화되어전자를내놓는다. (+) 극에서는산소기체가환원되어 이된다. () 극 : 2 +4 1 4 +4e ( 산화 ) (+) 극 : +2 +4e 1 4 ( 환원 ) 11111111111111111115 전체반응 : 2 + 1 2 37 과학탐구영역