Chapter 4 화학반응 수용액에서의이온 화학반응의종류 용액 정량분석 화학반응은반응물에서생성물로변하고, 그생성물은반응물과물리적화학적성질이다름. 화학반응의몇가지대표적인유형 Pb(NO 3 ) 2 (aq) + 2KI(aq) PbI 2 (s)+ 2KNO 3 (aq) 침전반응 용액에서이온존재의증거는무엇인가? 이온을포함하는반응에대해화학반응식을어떻게쓸것인가? 많은반응들을어떻게체계적으로분류하고기술하는가? 용액또는용액내의반응물들을어떻게정량적으로나타내는가? 수용액에서의이온 4.1 용액이온이론과용해도규칙 용액이온이론 : 전해질이물에녹으면이온이형성되고, 이이온은수용액에서전류를흐르게 한다. Svante Arrhenius 용액의전도성설명 1
NaCl 은이온결합성고체로물에녹일경우, Na + 이온과 Cl - 이온을형성한다. 이용액에전지에연결된도선을담그면, 이온들이이동하고전하의이동은 용액에전류를형성한다. 순수한물은전기전도성을띠지않지만, 이온들을포함하는수용액은전기 전도성용액이다. 전해질과비전해질 전해질 : 물에용해되어전기전도성용액이되는물질 일반적으로물에녹는이온성물질들 물에녹아이온을생성하는분자성물질 H 2 O HCl(g) HCl(aq) H + (aq) + Cl - (aq) 염화수소 염산 비전해질 : 물에용해되기는하지만전기전도성이전혀없거나대단히약한물질 예 ) 설탕 sucrose (C 12 H 22 O 11 ), 메탄올 (CH 3 OH) 자동차유리세정액 분자성물질 용액의전기전도도실험 강전해질과약전해질 2
강전해질 (strong electrolyte): 용액에서거의전부가이온으로존재하는전해질 대부분의이온성물질 예 ) NaCl NaCl(s) H 2 O Na + (aq) + Cl - (aq) 약전해질 (weak electrolyte): 물에녹아서적은양의이온들을생성하는전해질 일반적으로분자성물질들 예 ) NH 3 NH 3 (g) H 2 O NH 3 (aq) + H 2 O(l) NH 4 + (aq) + OH - (aq) NH 4 + (aq) + OH - (aq) NH 3 (aq) + H 2 O(l) NH 3 (aq) + H 2 O(l) NH 4 + (aq) + OH - (aq) 용해도규칙 용해도 : 물에녹을수있는능력 가용성 NaCl, EtOH 불용성 CaCO 3, C 6 H 6 가용성이온성화합물은강전해질용액을생성한다. 이온성화합물의용해도를예측하기위해용해도규칙을이용 3
가용성물질들은전해질이될수도있고비전해질이될수도있다. 비전해질은분자상태로녹기때문에전기전도성수용액이되지못한다. 전해질은녹아이온을생성하므로전기전도성수용액이된다. 4.2 분자반응식과이온반응식 이온을포함하는반응에대한화학반응식 분자반응식 ; 전체이온반응식 ; 알짜이온반응식 CaCO 3 : 종이충진제, 제산제, 치약의연마제 분자반응식 분자반응식 (molecular equation): 반응물질들이용액속에서실제로이온들로존재한다하더 라도마치분자성물질들인것처럼기술하는화학반응식 반응물질과생성물질이무엇인지 나타내고자할때유용 Ca(OH) 2 (aq) + Na 2 CO 3 (aq) CaCO 3 (s) + 2NaOH(aq) 전체이온반응식 전체이온반응식의목적은각물질들이어떠한형태로존재하는가를나타내는것 수용액에서강전해질은이온의형태로, 약전해질은분자식 ( 또는화학식 ) 으로표시 전체이온반응식 (complete ionic equation): 강전해질을용액중에서분리된각각의이온으로 나타내는반응식 ; 가용성약전해질은화학식다음에 (aq) 를, 불용성물질은화학식다음에 (s) 를 4
붙여나타낸다. Ca 2+ (aq) + 2OH - (aq) + 2Na + (aq) + CO 3 2- (aq) CaCO 3 (s) + 2Na + (aq) + 2OH - (aq) 알짜이온반응식 구경꾼이온 (spectator ion): 전체이온반응식에서반응에참여하지않는이온 알짜이온반응식 (net ionic equation): 전체이온반응식에서구경꾼이온들이소거된반응식 Ca 2+ (aq) + CO 3 2- (aq) CaCO 3 (s) 유제 ) 분자반응식 Ca(NO 3 ) 2 (aq) + K 2 CO 3 (aq) CaCO 3 (s) + 2KNO 3 (aq) 전체이온반응식 Ca 2+ (aq) + 2NO 3 - (aq) + 2K + (aq) + CO 3 2- (aq) CaCO 3 (s) + 2K + (aq) + 2NO 3 - (aq) 알짜이온반응식 Ca 2+ (aq) + CO 3 2- (aq) CaCO 3 (s) 화학반응의종류 1. 침전반응 : 두가지의가용성이온성화합물들을혼합하면고체이온성물질 ( 침전 ) 이형성. 2. 산 - 염기반응 : 산이염기와반응하며, 반응물들사이에양성자의전이가일어남. 3, 산화 - 환원반응 : 반응물들사이에전자전이가일어남. 4.3 침전반응 침전반응을예측하기위하여, 예상되는생성물이가용성혹은불용성인가를아는것이필요 침전반응예측하기 MgCl 2 와 AgNO 3 의용액을혼합할때, 5
MgCl 2 + AgNO 3 라쓸수있으며, 이반응은교환반응의형태이다. 교환반응 (exchange reaction): 두반응물들사이에일부원소의교환이있는반응 상기반응물들의음이온들을서로교환하면 AgCl 과 Mg(NO 3 ) 2 가형성된다. 따라서분자반응식은 MgCl 2 + 2AgNO 3 2AgCl + Mg(NO 3 ) 2 AgCl 은불용성이고 Mg(NO 3 ) 2 는가용성임을용해도규칙으로부터알수있다. 분자반응식에각화합물의상태를표시하면 MgCl 2 (aq) + 2AgNO 3 (aq) 2AgCl (s) +Mg(NO 3 ) 2 (aq) 알짜이온반응식으로표현하면 Mg 2+ (aq) + 2Cl - (aq) + 2Ag + (aq) + 2NO 3 - (aq) 2AgCl (s) + Mg 2+ (aq) + 2NO 3 - (aq) Ag + (aq) + Cl - (aq) AgCl (s) 4.4 산 - 염기반응 산과염기는가장중요한전해질 산의특성 신맛 ( 예 ) acetic acid ( 식초 ), citric acid ( 레몬주스 ), hydrochloric acid ( 위산 ) 염기의특성 쓴맛, 미끈미끈한느낌 ( 예 ) aqueous ammonia ( 가정용세척제 ) 산과염기는염료들의색을변화시킬수있다. 산 - 염기지시약 (indicator): 색변화를일으켜산성용액과염기성용액을육안으로구별하는데 이용되는염료 리트머스 : 산성 red; 염기성 blue 페놀프탈레인 : 산성 무색 ; 염기성 pink 6
산과염기의정의 아레니우스 (Arrhenius) 의정의 산 : 물에녹을때수소이온 (H + ) 을생성하는물질 예 ) 질산 HNO 3 HNO 3 (aq) H 2 O H + (aq) + NO 3 - (aq) 염기 : 물에녹을때수산화이온 (OH - ) 을생성하는물질 예 ) 수산화나트륨 NaOH NaOH(aq) H 2 O Na + (aq) + OH - (aq) 암모니아 물과반응하여수산화이온을형성하기때문에염기이다. NH 3 (aq) + H 2 O(l) NH 4 + (aq) + OH - (aq) Bronsted / Lowry 의정의 산 - 염기반응은양성자전달반응 산 : 양성자전달반응에서다른화학종에양성자를주는화학종 ( 분자혹은이온 ) 염기 : 양성자전달반응에서양성자를받아들이는화학종 ( 분자혹은이온 ) H + NH 3 (aq) + H 2 O(l) 염기 산 NH 4 + (aq) + OH - (aq) 수소이온 H + (aq) 와 hydronium ion H 3 O + (aq) 은동일한물리적대상을나타냄 7
H + HNO 3 (aq) + H 2 O(l) 산염기 H 3 O + (aq) + NO 3 - (aq) 강산과약산, 강염기와약염기 강산 : 물속에서완전히이온화하는산 강전해질 예 ) 염산 HCl(aq) HCl(aq) + H 2 O(l) H 3 O + (aq) + Cl - (aq) 약산 : 물에서부분적으로이온화하는산 약전해질 예 ) hydrocyanic acid: HCN(aq) HCN(aq) + H 2 O(l) H 3 O + (aq) + CN - (aq) 강염기 : 물에서완전히이온화하는염기 강전해질 예 ) 수산화나트륨 : NaOH, beryllium hydroxide 를제외한 IA, IIA 족수산화화합물 NaOH(s) H 2 O Na + (aq) + OH - (aq) 약염기 : 물에서부분적으로이온화하는염기 약전해질 예 ) 암모니아 NH 3 (aq) + H 2 O(l) NH 4 + (aq) + OH - (aq) 8
이온반응식을쓸때, 강산과강염기는해리된형태로, 약산과약염기는화학식을써야함. 중화반응 중화반응 : 산과염기가반응하여이온성화합물 ( 염 ) 과물이형성되는반응 예 ) 2HCl(aq) + Ca(OH) 2 (aq) HCN(aq) + KOH(aq) CaCl 2 (aq)+2h 2 O(l) KCN(aq) + H 2 O(l) 중화반응에서생성되는염은염기로부터얻어진양이온, 산으로부터얻어진음이온으로구성되 어있다. 알짜이온반응식으로표현 (1) 강산 + 강염기 2H + (aq) + 2Cl - (aq) + Ca 2+ (aq) + 2OH - (aq) H + (aq) + OH - (aq) Ca 2+ (aq) + 2Cl - (aq) + 2H 2 O(l) H 2 O(l) (2) 약산 + 강염기 HCN(aq) + K + (aq) + OH - (aq) K + (aq) + CN - (aq) + H 2 O(l) HCN(aq) + OH - (aq) CN - (aq) + H 2 O(l) 일양성자산 : HCl, HNO 3 분자당단지하나의산성수소원자만가지는산 다양성자산 : H 3 PO 4 - 분자당두개혹은더많은양성자들을주는산 산염 (acid salt): NaH 2 PO 4, Na 2 HPO 4 - 내놓을수있는수소원자를가지고있고염기들과중화 반응을할수있는염. 9
H 3 PO 4 (aq) + NaOH(aq) H 3 PO 4 (aq) + 2NaOH(aq) H 3 PO 4 (aq) + 3NaOH(aq) NaH 2 PO 4 (aq)+h 2 O(l) Na 2 HPO 4 (aq) + 2H 2 O(l) Na 3 PO 4 (aq) + 3H 2 O(l) 기체가생성되는산 - 염기반응 Carbonate (CO 3 2- ), sulfite (SO 3 2- ), sulfide (S 2- ) 와같은염기들은산과반응하여기체를생성 Na 2 CO 3 (aq) + 2HCl(aq) Na 2 CO 3 (aq) + 2HCl(aq) 2NaCl(aq)+H 2 CO 3 (aq) 2NaCl(aq) + H 2 O(l) + CO 2 (g) 알짜이온반응식 CO 3 2- (aq) + 2H + (aq) H 2 O(l) + CO 2 (g) 4.5 산화 - 환원반응 산화 - 환원반응에서는한화학종에서다른화학종으로전자전달이일어남 예 ) 못을 CuSO 4 (aq) 와반응시키면못의표면에구리가코팅되는것을볼수있다. Fe(s) + CuSO 4 (aq) Fe(s) + Cu 2+ (aq) FeSO 4 (aq) + Cu(s) Fe 2+ (aq) + Cu(s) 분자반응식 알짜이온반응식 상기반응의전자특성 - 철원자는두개의전자를잃어 iron(ii) 이온이되고, copper(ii) 이온은 두개의전자를얻어구리원자가된다. 반응에서전자의이동경로를파악하기위하여산화수의개념을제안 산화 - 환원반응에서는산화수의증감이일어남. 10
산화수 산화수 ( 산화상태 ): 원자의경우단원자이온상태로존재하면이온의전하량으로주어지고, 그 밖의경우에는 ( 간단한법칙에의해 ) 원자에할당된가상적인전하량을준다. 산화 - 환원반응은한개또는두개이상의원자의산화수가변하는반응으로전자전달과정 을동반한다. 예 ) 칼슘의연소반응 0 0 +2-2 2Ca(s) + O 2 (g) 2CaO(s) (1) 원소중에존재하는원자의산화수는 0 이다. (2) 물질에서단원자이온으로존재하는원자의산화수는그이온의전하와같다. 산화 - 환원반응은화학종들사이에전자전달이일어나거나, 원자들의산화수가변하는반응 산화 산화수의증가 ; 환원 : 산화수의감소 산화 - 환원반응은항상산화와환원을동반 예 ) 칼슘의염소와의반응 : 산소가포함되지않으나산화-환원반응이다. 0 0 +2-1 Ca(s) + Cl 2 (g) CaCl 2 (s) 산화수규칙 11
분자성물질에산화수규칙을적용하면분자내원자의근사적인전하량을구할수있다. 예 ) SO 2 Rule 3: O -2 Rule 6: S + 2 x (-2) = 0 S = +4 산화 - 환원반응의특징 반쪽반응 (half reaction): 산화 - 환원반응은전자를잃어버리는과정과전자를얻는과정이동 시에일어나므로이과정을둘로나누었을때, 각과정에해당하는반응을반쪽반응이라한다. 0 +2 +2 0 Fe(s) + Cu 2+ (aq) +2 Cu 2+ (aq) + 2e - Fe 2+ (aq) + Cu(s) 0 +2 Fe(s) Fe 2+ (aq) + 2e - 0 Cu(s) 알짜이온반응식 산화반쪽반응식 환원반쪽반응식 산화 : 전자의손실 ( 산화수의증가 ) 이있는화합물을포함한반쪽반응 환원 : 전자의획득 ( 산화수의감소 ) 이있는화합물을포함하는반쪽반응 12
산화제 (oxidizing agent): 자신은환원되고, 다른화학종을산화시키는화학종 - Cu 2+ 환원제 (reducing agent): 자신은산화되고다른화학종을환원시키는화학종 Fe 산화 - 환원반응 결합반응, 분해반응, 치환반응, 연소반응등으로분류 결합반응 (combination reaction): 두개의물질들이결합하여제삼의물질을생성하는반응 예 ) 0 0 +1-1 2Na(s) + Cl 2 (g) 2NaCl(s) 0 0 +3-1 2Sb(s) + 3Cl 2 (g) 2SbCl 3 (s) +2 +4 +2 +4 CaO(s) + SO 2 (g) CaSO 3 분해반응 (decomposition reaction): 하나의화합물이반응하여두개혹은더많은물질을생 성하는반응 +2-2 0 0 2HgO(s) 2Hg(l) + O 2 (g) +1 +5 Δ +1-1 2KClO 3 (s) MnO 2 2KCl(s) + 3O 2 (g) +2 +4 +2 +4 CaCO 3 (s) CaO(s) + CO 2 (g) 치환반응 (displacement reaction): 어떤원소가어떤화합물과반응하여그화합물속의원소를 치환하는반응 반드시산화 - 환원을포함함 13
0 +1 +2 0 Zn(s) + 2HCl(aq) Zn(s) + 2H + (aq) ZnCl 2 (aq) + H 2 (g) 0 +1 +2 0 Zn 2+ (aq) + H 2 (g) 분자반응식 알짜이온반응식 수용액에서, 전자를잃는경향성 연소반응 (combustion reaction): 어떤물질이산소와반응하며대개열을빠른속도로방출하 여불꽃을생성하는반응 한가지이상의산화물이생성 예 ) 부탄가스의연소 2C 4 H 10 (g) + 13O 2 (g) 8CO 2 (g) + 10H 2 O(g) 4Fe(s) + 3O 2 (g) 2Fe 2 O 3 (s) 3.6 산화 - 환원반응식맞추기 14
0 +1 +2 0 Zn(s) + Ag + (aq) Zn 2+ (aq) + Ag(s) 상기반응식은질량의균형은맞으나전하의균형이맞지않는다. 반쪽반응법을이용하여전하의균형을맞춘다. 산화 - 환원반응식에적용되는반쪽반응법 반쪽반응법은산화 - 환원반응을산화반응과환원반응의두부분으로나누어생각하는것. 각반 쪽반응을맞추고, 반응식들을합하여전체균형반응식을얻는다. (1) 산화및환원반응식을적는다. (2) 각반쪽반응에서양전하가많은쪽에전자를첨가하여전하의균형을맞춘다. (3) 두반쪽반응을더했을때, 전자의개수가상쇄되도록적절한정수를곱하여더한다. Zn(s) Zn 2+ (aq) + 2e - Ag + (aq) + e - Ag(s) x 2 0 +1 +2 0 Zn(s) + 2Ag + (aq) Zn 2+ (aq) + 2Ag(s) 용액 대부분의화학반응들은분자의운동이자유로운용액에서진행된다. 용액의반응에서는반응용 액의부피로써반응물의양을나타내는것이편리하다 - 용액에대한화학량론적인계산 4.7 몰농도 어떤물질이어떤액체에용해되어있을때, 용해되는물질을용질, 액체를용매라한다. 15
농도 : 일정량의용액중에용해되어있는용질의양 예 ) 농축 ( 진한 ) 암모니아수용액은질량백분율 28% 의 NH 3 를함유한다. 즉, 용액 100 g 중에함유된용질의질량 ( 용질의질량백분율 ) 으로정량적인농도를표시 몰농도 (molarity, M): 용액 1L 에용해되어있는용질의몰수 몰농도 (M) = 용질의몰수 / 용액의리터수 몰농도를농도의단위로사용하면용질의양을용액의부피로부터알수있는이점이있음 ( 예제 4.10) 0.184 g 의 NaOH 를얻기위해 0.150 M NaOH solution 몇 ml 를취해야하는가? 0.184 g x (1 NaOH mol / 40.0 NaOH g) = 0.150 M (mol/l) NaOH soln x A L 4.8 용액의희석 상용으로판매되는암모니아수용액은 (28.0% NH 3 ) 14.8 M NH 3 이다. 1.00 M NH 3 용액이필요 할경우일정량의증류수를이용하여농축용액을묽혀야한다. 묽히기전용액의몰농도와묽힌후용액의몰농도사이의관계를알아야함. 묽히기전과후의용질의몰수변화는없다 M i x V i = M f x V f 16
정량분석 분석화학은물질의조성을결정하는, 즉물질의분석을다루는화학의한분야이다. 물질의분석은정성분석과정량분석으로나눈다. 정성분석 : 물질안에존재하는화학종이나원소의종류를규명하는분석 정량분석 : 물질안에존재하는화학종이나원소의양을결정하는분석 4.9 질량분석 질량분석 (gravimetric analysis): 정량분석의일종으로시료중에들어있는화학종을완벽하게 분리하여그질량을측정할수있는어떤물질로변환하여그양을분석하는방법 용액으로 부터침전반응을이용 예 ) 음료수시료에함유된납의양측정 PbSO 4 불용성화합물 Na 2 SO 4 를 Pb 2+ 가녹아있는용액에가하여 PbSO 4 를침전시킴 Na 2 SO 4 (aq) + Pb 2+ (aq) PbSO 4 (s) + 2Na + (aq) 4.10 부피분석 예제 4.13 반응용액의부피계산 H 2 SO 4 (aq) + 2NaOH(aq) Na 2 SO 4 (aq) + 2H 2 O(l) 0.175 M H 2 SO 4 35.0 ml 와완전히반응하는데필요한 0.250 M NaOH 의부피 NaOH 의몰수 17
0.175 mol/l H 2 SO 4 x (35.0 x 10-3 ) L x 2 mol NaOH/1 mol H 2 SO 4 NaOH 의부피 NaOH 의몰수 /NaOH 용액의몰농도 특정물질의양을결정하는한가지중요한방법은반응용액의부피를측정하는데기초 적 정 적정 (titration): 농도가알려진 B 를포함한용액을미지농도의 A 가포함된용액에가하여이 두물질이완전히반응해서없어질때까지가해진 B 의부피를측정하여 A 의양을결정하는 분석법 부피분석은적정에기초한분석법 NaOH(aq) + HCl(aq) NaCl(aq) + H 2 O(l) 18