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수능개념 Chem is Try! - with TOTO 1 강화학으로의초대 1 화학의체계적완성김철준 화학이라는과목은굉장히논리적이고체계적인과목입니다. 또한많은용어의정의를알면쉽게이해되지만상식이라는부분에해 당하는용어의정의를몰라서전체적인이해가어려워지기도합니다. 이단원은기초에해당하는단원입니다. 1. 원자와원소 원자 (atom) 화학원소로서의특성을잃지않는범위에서도달할수있는물질의기본적인최소입자이다. 1원자 = 원자핵 + 전자 2원자핵 = 양성자 + 중성자 3원자번호 = 양성자수 = 전자수 ( 원자 ) 양성자수 전자수 ( 이온 ) 4질량수 = 양성자수 + 중성자수 물질의구성 ( 원자와분자 ) 원소와원자는물질을이루는가장기본적단위물질로물질을구성하는기본성분의종류를원소로물질을구성하는기본입자를원자라고한다. 또한물질의성질을갖는기본입자 ( 공유결합에의해서생성되는안정한입자 ) 를분 자라고한다. 3H 2 O 물분자 3개는수소원자 6개와산소원자 3개로구성전체원자수는 9개이고원소의종류는 2종류 두이상분해되지않는물질을구성하는기본성분으로, 화학변화가일어나도다른원 소로변하지않는다. 원소 (element) - 2 -
2. 분자 분자 (molecular) 물질의성질을갖는기본단위입자로일반적으로말하는성분, 보통산소라고하면산소분자이다. 1원자분자 : 헬륨 (He), 네온 (Ne), 아르곤 (Ar) 2원자분자 : 수소 (H 2 ), 산소 (O 2 ), 염화수소 (HCl), 요오드수소 (HI) 3원자분자 : 오존 (O 3), 물 (H 2O), 이산화탄소 (CO 2) 4원자분자 : 인 (P 4), 암모니아 (NH 3) 고분자 : 녹말, 수지 3. 이온 이온 (ion) 과이온의형성 이온 - 중성원자가전자를잃거나얻어전하 ( 극성 ) 를띠게된입자 (1) 양이온 - 전자를잃고 (+) 전하를띠는입자 ( 주로금속원소 ) 예 ) Na +, Mg 2+, Al 3+ +, NH 4 A A + + e - B B 2+ + 2e - (2) 음이온 - 전자를얻어 (-) 전하를띠는입자 ( 주로비금속원소 ) 예 ) Cl -, S 2-, NO 3 -, SO 4 2- C + e - C - D + 2e - D 2-3. 주기율 주기율표 족 : 가장바깥껍질의전자수 화학적성질결정한다. 주기 : 전자껍질수 원자의크기결정 왼쪽아래 1 금속성증가, 2 전자를잃고 (+) 이온이되기쉬움 3 이온화경향증가, 4 산화되기쉬움 - 3 -
수능개념 2. 화학결합에의한물질의분류 Chem is Try! - with TOTO 2 강화학으로의초대 2 화학의체계적완성김철준 결합의종류 원소의종류에따른결합의형성 이온결합 금속 + 비금속 공유결합 비금속 + 비금속 금속결합 금속 + 금속 원자는결합을하면서안정해 진다. 이온결합 ( 이온성물질 ) 전자를잘잃는금속원소가 (+) 이온이되고전자를잘얻는비금속원소가 (-) 이온이되어결합한다. 이온결합의이온형성과정이나공유결합의전자공유의원리는모두옥텟이되어안정해지기위한과정이다. 공유결합에의한분자성물질원자의최외각전자 ( 족 ) 와전자공유관계를나타내기위해최외각전자를점으로표시하여나타낸식을루이스점전자식이라하며공유결합의기초가된다. 루이스전자점식을그리려면 1 주기율표에서원소의족을알아야한다. 2 부족한전자를두원소가공유해서옥텟을형성한다. 3 중심원소는 C, N, O의순으로잡는다. 4 결합선을이용한구조식을그린후선1개를점 2개로바꾼다. [ 루이스전점자식연습 ] NH 3 O 2 N 2 HCN - 4 -
3. 분자의극성과무극성 극성과무극성 분자의극성과무극성의결정 분자모양의결정과정루이스점전자식을그린다. 공유전자와비공유전자를구분한다. 전자쌍반발의원리로분자의기본구조를예측한다. 전기음성도차에따른힘의균형관계를본다. 전기음성도차 + 분자의모양 ➀ 이원자분자의경우 ➁ 분자의모양 : 대칭구조또는비대칭구조 전자쌍반발의원리분자의모양을결정할때공유전자쌍보다비공유전자쌍의미는힘이강해서결합각이비공유가있는경우작아진다. 주변의전자쌍들의종류와수를알면모양과결합각을예측한다. 대칭구조 비대칭구조 분자의극성은극성물질은극성물질에잘용해되고무극성은무극성에잘용해되는성질을이용하여구별할수있다. 즉물에잘녹은 HCl, NH 3, NaCl은극성이고물에잘녹지않는 Cl 2, O 2 등은무극성이다. 그럼 Cl 2, O 2 등은무극성인 CCl 4 에잘용해된다. - 5 -
4, 분자간의힘과끓는점 끓는점을이용한분자간의힘비교분자간의힘이강할수록분자들의결합이쉽게끊어져멀어지기어려우므로끓는점이높아진다. 끓는점은분자간의힘의크기를비교하는가장좋은자료이다. 분자간힘의비교순서는 1 수소결합이있으면세다. 2 극성분자가무극성분자보다세다 3 분자량이클수록세다. 4 분자모양이길수록세다. 물의끓는점이분자량이작지만수소결합으로가장높고, 무극성분자이고분자량이작은메탄의끓는점이매우낮다. 분자간힘의최강자 - 수소결합 전기음성도가큰 F, O, N과전기음성도가작은 H원자가있는분자간의결합으로분자간의힘중가장센힘으로끓는점이높다. F, O, N과수소가있는 HF, H 2O, NH 3 와 -OH, -COOH, -NH 2 가붙어있는분자들은분자간수소결합을할수있다. 공유결합과같은원자간의힘보다는 1/10로약하지만다른분자간의힘보다는 10배이상강해서끓는점이높다. 물의수소결합얼음의수소결합 분자량의의미와비교 화학1에서는분자량의크기를비교하는것은가능하지만분자량의정확한값을구할수는없다. 분자량은분자의상대적인질량으로질량의개념을갖는다. 즉 분자량이크면무겁다 라는것이다. 하지만워낙작은원자와분자의질량이라실제질량을사용할수없고비교하지위해수소는탄소보다실제질량이 1/12 밖에안되므로수소를 1로탄소를 12로하여크기를비교한다. 정확하게는아니지만 H 2<F 2 이고, CH 4 < C 3 H 8 이란것을알수있고, 또한같은극성분자이거나무극성분자라면분자량이큰물질이끓는점이높다. 간단한원자량 H(1), C(12), N(14), O(16) 분자량은원자량의합으로계산한다. - 6 -
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수능개념 Chem is Try! - with TOTO 3 강물의특성 1 화학의체계적완성김철준 1. 물분자의구조와극성 물분자의구조 물분자는수소원자 2개와산소원자 1개가결합하여결합각이 104.5 인굽은형구조를이룬다. 이때산소원자 1개와수소원자 2개는각각전자를내놓아전자쌍을공유하며결합하고있다. 극성분자와무극성분자 굽은형구조인물의분자구조는비공유전자쌍에의해공유전자쌍이있는쪽으로휘어져있는구조로대각선으로는대칭이지만원점에대해비대칭이므로극성분자가된다. 극성과무극성확인 극성분자가되는이유는산소원자는전기음성도가매우커서전자를끌어당기는힘이매우강하고수소원자는전자를끌어당기는힘이약하므로, 산소원자가공유한전자를강하게당기게된다. 또한물분자의구조가굽은형비대칭구조이므로전자쌍은산소원자쪽으로치우치게되어산소원자쪽이부분적으로 (-) 전하를띠고수소원자쪽이 (+) 전하를띠게되는극성분자가된다. 물의용해성이큰이유는극성물질은극성물질과잘섞이며, 염화나트륨과같은이온성 질을잘녹인다. 그러나무극성물질과는잘섞이지않는다. - 8 -
2. 물의전기분해 물의전기분해 분해란한종류의물질을열, 전기, 촉매등을이용하여에너지를가하여두종류이상의물질로나누는것을말한다. 물리적으로성분을나누는분리와는다른화학적변화이다. 전기분해의결과 1. 산화와환원 -) 극에서물이수소가되는것은산소를잃는환원이고 (-) 극에서물이산소가되는것은수소를잃는산화이다. 2. 조연성 ( 助燃性 ) 연소를도와주는성질을말한다. 산소는자신이잘타는기체가아니라다른물질을연소하게만드는성질이있다. 3. 발생하는기체의부피비 기체의부피비는화학반응식에서의계수의비와같다. 계수를맞추면계수의비와 같은부피비로기체가발생하게된다. 물을전기분해할때주의할점 1) 물을전기분해할때순수한물은전류가통하지않기때문에수산화나트륨이나황산나트륨과같은전해질을조금넣어주어야한다. 그러나황산구리나염화구리는물대신전기분해되어구리가석출되거나염소기체가발생하므로물을전기분해할때전해질로사용할수없다. 2) 물을전기분해할때전극으로는백금이나탄소막대를사용하는데, 이것은백금이나탄 소막대가전기전도성이좋으며화학적으로매우안정하기때문이다. - 9 -
대표유형문제 1 대표유형문제 2-10 -
수능개념 Chem is Try! - with TOTO 3 강물의특성 1 화학의체계적완성김철준 1. 수소결합 물분자사이의수소결합 물분자사이에작용하는인력은물분자와비슷한분자량을가지는분자사이에작용하는인력보다매우강한데, 이것은물분의특이한구조와관련이있다. 전기음성도가큰 F( 플루오르 ), O( 산소 ), N( 질소 ) 원자에수소원자가결합된극성분자는수소결합이형성된다. 수소결합을갖는분자 1. 분자간수소결합을하려면분자식에 H와 F, O, N의원소가있어야하며, 극성분자여야한다. 또한 -OH, -COOH, -NH 2 와같이수소와비공유전자쌍이독립적으로있어야한다. 예를들어물 (H 2O), 암모니아 (NH 3), 플루오르화수소 (HF), 메탄올 (CH 3OH), 아세트산 (CH 3COOH), 포도당, 단백질등이있다. 2. 분자간인력의크기를비교하면물질의상태에따른분자간의인력은고체상태 > 액체상태 > 기체상태의순이며, 분자의종류와분자간의인력은극성분자간인력 > 무극성분자간인력의순이된다. - 11 -
2. 끓는점과비열, 기화열 끓는점과수소결합 물은분자량이비슷한다른물질에비해끓는점이매우높다. 물은수소결합에의해분자간인력이크기때문이다. 끓는점의결정요인은분자간의인력의크기이다. 분자간의인력강할수록끓는점은높으며, 분자간의인력중수소결합이가장강한결합을보인다. 비열 물의비열이크다. : 물질 1g 의온도를 1 올리는데필요한열량 Q = c m t 비열과물질의온도변화는반비례한다. 즉비열이큰물질일수록온도변화가작다같은종류의물질이라면질량이크면온도변화가작고, 다른종류이지만물질의질량이같다면비열이큰물질이온도변화가작다. 물은비열이크기때문에다른물질에비해온도가쉽게올라가거나내려가지않는다. (A는물보다비열이작고끓는점도낮다.) 비열에의한현상 1 금속은빨리뜨거워지고빨리식지만물은쉽게가열되거나식지않음 2 우리몸이체온을일정하게유지하기좋다. 3 해안지방이내륙지방보다일교차, 연교차가작다. 4 해륙풍, 계절풍이부는원인 - 12 -
비열과열용량을비교하면주전자에들어있는물과욕조에들어있는물은모두비열 은같지만담고있는열의양은다르다. 즉열용량이다른것이다. 비열은물질의양 과관계없이일정하지만열용량은물질의양이많아질수록증가하는값으로비열에질 량을곱한값이다. 비열과열용량의비교 열량 C( 비열 ) = 질량 온도변화 cf. H( 열용량 ) = c( 비열 ) x m( 질량 ) ( 온도 - 시간 ) 그래프의해석 기화열과관련된현상 1 더울때땀을흘리면체온이내려감. 2 여름인데수영하고나오면몸이바르르떨림. 3 여름날마당에물을뿌리면시원하다. 4 물이든종이컵은불에잘타지않는다. 5 모닥불에물을뿌리면온도가낮아져불이꺼진다. 6 100 의사우나에서화상을입지않는다. 7 건습구온도계에서습구의온도가더낮다 ( 증발 온도 ) 오른쪽의습구온도계가증발이계속일어나므로건구온도계보다온도가낮다. 그러므로증발이잘되는습도가낮은건조한날에는온도차이가더커진다. - 13 -
대표유형문제 1 그림은물 (H O) 분자사이의결합 (A) 과몇가지물질의끓는점및녹는점을나타낸것이다. 이에대한설명으로옳은것을 < 보기 > 에서모두고른것은? < 보기 > ㄱ. -50 에서 H S는기체상태이다. ㄴ. 0 에서분자사이의인력이가장큰물질은 H O이다. ㄷ. 끓는점이 H Te H Se H S 인것은결합 A의세기와관련이있다. 1 ㄱ 2 ㄴ 3 ㄷ 4 ㄱ, ㄴ 5 ㄱ, ㄷ 대표유형문제 2 그림은같은질량의고체물질 A와 B를동일한열원으로가열하면서온도를측정한결과를나타낸것이다. 이에대한설명으로옳은것만을 < 보기 > 에서있는대로고른것은? ( 단, 승화는되지않는다.) < 보기 > ㄱ. 융해열 (kj/g) 은 B가 A보다크다. ㄴ. 액체상태에서의비열은 B가 A보다크다. ㄷ. 60 에서분자간의인력은 A가 B보다크다. 1 ㄱ 2 ㄴ 3 ㄷ 4 ㄱ, ㄴ 5 ㄱ, ㄷ - 14 -
수능개념 Chem is Try! - with TOTO 4 강물의특성 2 화학의체계적완성김철준 1. 밀도 다른물질과물의밀도비교 밀도 (density) 물질의단위부피당질량으로 빽빽한정도를나타낸다. 단위 로는 g/cm 3, g/ml 등을사용한 질량다. = 부피 질량이일정할때밀도와부 피는반비례하고부피가일정 할때밀도와질량은비례한 다. 일반적인물질은고체가액체 보다밀도가큰데물 (H 2O) 은 얼음의밀도가액체인물보다 작다. 물과얼음의물리적성질비교 얼음의밀도가물보다작은이유는수소결합과관련이있지만수소결합말고도물의굽은형구조와도관련된다. 굽은형의각도때문에육각형의각이나타나기때문이다. 수소결합을하는분자는액체의밀도가모두큰것은아니다. CH 3COOH ( 아세트산 ) 과같은분자도수소결합을하지만고체의밀도가크다. - 15 -
물의밀도와부피변화비교 4 에서물의부피는최소가되고밀도는최대가된다. 얼음이물이되면서일부의수소결합이끊어지게되는데이것들이끊어지게되는데에너지가필요하다. 4 까지얼음의결합이서서히끊어진다. 온도변화에따른물리량변화 같은물질이라면질량이크면온도변화가작고, 다른물질의질량이같다면비열이큰물질이온도변화가작다. 물이얼때부피변화와관련된현상물이얼때의부피변화와관련된현상 1 물을꽉채운유리병을얼리면깨짐. 2 겨울철에호수나강의물은표면부터언다. 3 빙산이바닷물위에떠있다. 4 암석틈에스며든물이얼면암석이쪼개지고쉽게풍화된다. - 16 -
고체가녹아액체가될때수면의변화 고체가녹아서액체가되면밀도가변화하므로부피변화가생긴다. 이러한현상이 수면의높이변화로나타날때는조금다르게해석된다. 1 얼음이물위에떠있는경우는얼음의밀도차이만큼인약 8% 는물밖에있으므 로나중에얼음이모두녹아서물이되어도부피가 100mL 인얼음이물이되면 92mL 밖에되지않으므로높이는일정하다. 2 얼음을억지로물속에모두잠기게한후얼음이녹아서물이되면부피의감소 가생기게되므로수면의높이는감소한다. 3 일반적인물질의예로벤젠은고체벤젠의밀도가액체벤젠보다크므로고체가 액체로되면서밀도가감소하면부피가증가하여액체표면의높이가증가한다. 액체혼합물의밀도변화 서로섞이는액체혼합물은혼합비율에따라밀도가변화한다. 액체 A 는극성물 질이며식용유보다밀도가작고, 물을섞으면용액의밀도가증가하여식용유가상 승한다. - 17 -
대표유형문제 1 그림 ( 가 ) 는온도에따른물의밀도를, ( 나 ) 는표면이얼어있는어떤호수의깊이에따른수온을 나타낸것이다. ( 가 ) ( 나 ) 이호수의물에대한옳은설명만을 < 보기 > 에서있는대로고른것은? < 보기 > ㄱ. 대류가일어나지않는다. ㄴ. 물분자의평균운동에너지는 A > B 이다. ㄷ. 같은질량의물이차지하는부피는 A < B 이다. 1 ㄱ 2 ㄴ 3 ㄱ, ㄴ 4 ㄴ, ㄷ 5 ㄱ, ㄴ, ㄷ 대표유형문제 2 그림 ( 가 ) 는 0 물이담긴용기에 0 얼음조각을넣은것을, ( 나 ) 는이용기를서서히가열할때시간에따른수면의높이를나타낸것이다. 이에대한설명으로옳은것만을 < 보기 > 에서있 는대로고른것은? ( 가 ) ( 나 ) < 보기 > ㄱ. 까지물의부피와얼음의부피의합은일정하다. ㄴ. 까지가해준열은얼음이융해되는데쓰인다. ㄷ. 에서물분자사이의수소결합이모두끊어진다. 1 ㄱ 2 ㄴ 3 ㄱ, ㄷ 4 ㄴ, ㄷ 5 ㄱ, ㄴ, ㄷ - 18 -
수능개념 Chem is Try! - with TOTO 5 강물의특성 3 화학의체계적완성김철준 1. 표면장력 표면장력 (surface tension) 표면장력이생기는이유 : 액체가그표면적 ( 접촉면적 ) 을가능한작게하려는힘 표면장력이생기는이유는액체내부의분자는상하좌우로인력이작용하므로제자리에머물수있으며, 액체표면의분자는액체의위쪽으로작용하는힘이없으므로힘의균형이이루어져있지않고안쪽으로만끌어당긴다. 따라서액체표면의분자들은안으로끌려들어가는힘이커지기때문에표면적을작게한다. 물과다른액체의표면장력 [ 참조 ] 비누 (RCOONa) 의역할지방산의나트륨염인비누는앞의 R-( 알킬기 ) 부분이 C 16H 33- 정도의탄화수소로되어있고중간부분이에스테르 (COO-) 이온부분으로되어있어알킬기부분은지용성으로물에용해되지않고이온부분은물에용해되어물표면에서이온부분만물안으로들어간다. - 19 -
표면장력의세기 표면장력과관련된성질 1 물방울, 비누방울의입자가둥글다. 2 유리컵에물을가득채운뒤동전을더넣어도물이넘치지않는다. 3 구멍난우유팩에서나오는물줄기가서로겹쳐흐른다. 4 소금쟁이가물위에뜬다. 나무가물에뜨는것은밀도가물보다작아서뜨는것이지만밀도가물보다큰바늘이물에뜨는것은표면장력에의한것이다. 단, 굉장히조심스럽게뜨게해야한다. 5 물표면에빠르게돌을던졌을때돌이가라앉지않고튀긴다.( 물수제비 ) 6 바늘을물위에수평으로가만히놓으면뜬다. 7 두개의물방울이부딪치면한개의큰물방울로합쳐진다. 8 종이배뒤쪽에비눗물을묻혀물에띄우면종이배가앞으로나아간다. 9 물에공기를불어넣을때보다비눗물에공기를불어넣을때더큰거품을만들수있다. - 20 -
모세관현상 : 액체속에모세관 ( 가는관 ) 을넣을때관내의액면이외부의액면보다높거나낮아지는현상부착력에의해양쪽옆면을타고물이상승하면상승한물분자가다른물분자를당기는표면장력이작용하여물이위로상승하게된다. 부착력과표면장력이동시에필요하다. 모세관현상과메니스커스의모양 1 물속에모세관을넣을경우 : 물의응집력이물과모세관의부착력보다작기때문에양쪽벽면의액면이올라간다. 2 수은속에모세관을넣을경우 : 수은의응집력이수은과모세관의부착력보다크기때문에액면이내려간다. 모세관현상과관련된현상 1 흡수지나천에물이스며든다. 2 식물의뿌리에서흡수된양분이식물체전체에퍼진다. 3 양초가액화되어양초심지를타고올라간다. 4 걸레나수건으로물을쉽게닦을수있다. - 21 -
대표유형문제 1 그림 ( 가 ) 는온도가같은물과에탄올을, ( 나 ) 는온도가서로다른물을각각한방울씩아크릴 판위에떨어뜨렸을때의모양을나타낸것이다. ( 가 ) ( 나 ) 이에대한옳은설명을 < 보기 > 에서모두고른것은? ( 단, 물과에탄올한방울의부피는같다.) 보기ㄱ. 물은에탄올보다분자사이의인력이크다. ㄴ. 에탄올수용액은물보다표면장력이작다. ㄷ. 온도가높을수록물의표면장력은작아진다. 1 ㄱ 2 ㄴ 3 ㄱ, ㄷ 4 ㄴ, ㄷ 5 ㄱ, ㄴ, ㄷ 대표유형문제 2 그림은액체 A 와 B 가든비커에굵기가같은유리관을각각세웠을때의모습을나타낸것이다. 이에대한옳은설명을 < 보기 > 에서모두고른것은? < 보기 > ㄱ. 액체 A는유리관의굵기가가늘수록더높이올라간다. ㄴ. 액체 B의입자간인력은액체 B와유리와의인력보다크다. ㄷ. 액체가올라가고내려가는이유는액체의밀도가다르기때문이다. 1 ㄱ 2 ㄱ, ㄴ 3 ㄱ, ㄷ 4 ㄴ, ㄷ 5 ㄱ, ㄴ, ㄷ - 22 -
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수능개념 Chem is Try! - with TOTO 6 강수용액에서의반응 1 화학의체계적완성김철준 용해와용해성 용해 용해란설탕, 소금같은다른물질에녹는용질이물과같이물질을녹이는용매에녹아 균일하게섞여균일혼합물이되는현상이다. 이온성물질의수화 물에염화나트륨을넣으면나트륨이온 (Na + ) 주변을물의성분중부분적으로 (-) 전하를띠는산소원자가끌어당기고, 염화이온 (Cl - ) 주변을물의성분중부분적으로 (+) 전하를띠는수소원자가끌어당겨떨어져나온다. 떨어져나온이온이물분자에의해둘러싸이는수화현상이일어나녹게된다. 물의용해성이커서나타나는현상물의용해능력이크기때문에나타나는현상 1 바닷물에는많은염류가녹아있다. 2 혈액에는많은물질이용해되어생체내물질이동이가능하다. - 24 -
앙금생성반응 염화나트륨수용액과질산은의반응 대표적으로산화환원이아닌반응이다. 전해질용액을섞을때, 물에녹지않는고체덩어리 ( 앙금 ) 이생성되는반응을앙금반응이라고하며, 염화나트륨과질산은의반응에서알짜이온은이온에서고체로상태변화를하는 Ag + 와 Cl - 이온이고구경꾼이온은이온상태에서그대로이온으로존재하는 Na + 와 NO - 3 이온이다. 앙금반응과중화반응은 1 전체반응식 : NaCl(aq) + AgNO 3 (aq) AgCl(s) + NaNO 3 (aq) 2 이온반응식 : Na + (aq) + Cl - (aq) + Ag + (aq) + NO 3 - (aq) AgCl(s) + Na + (aq) + NO 3 - (aq) 3 알짜이온반응식 : Ag + (aq) + Cl - (aq) AgCl(s) [ 참고 ] 그래프그릴때조심할점은처음에존재하는이온이뭔지가가장중요하다. 그리 고처음에존재하는이온의개수비가다를때에는시작점이다르다. 나중에들어오 는이온도그래프의기울기가다를수있다. 대표적인앙금생성반응 Ag + + Cl - AgCl( 흰색 ) Ca 2+ + CO 2-3 CaCO 3 ( 흰색 ) Ba 2+ + CO 2-3 BaCO 3( 흰색 ) Ca 2+ + SO 2-4 CaSO 4( 흰색 ) Ba 2+ + SO 2-4 BaSO 4( 흰색 ) Mg 2+ + CO 2-3 MgCO 3( 흰색 ) Pb 2+ + 2I - PbI 2 ( 노란색 ) Al 3+ + 3OH - Al(OH) 3 ( 흰색 ) Mg 2+ + 2OH - Mg(OH) 2( 흰색 ) - 25 -
앙금의해석 염화칼슘과탄산나트륨의반응 1 전체반응식 : CaCl 2 (aq) + Na 2 CO 3 (aq) CaCO 3 (s) + 2NaCl(aq) 2 이온반응식 : Ca 2+ (aq) + 2Cl - (aq) + 2Na + (aq) + CO 3 2- (aq) CaCO 3 (s) + 2Na + (aq) + 2Cl - (aq) 3 알짜이온반응식 : Ca 2+ (aq) + CO 3 2- (aq) CaCO 3(s) - 26 -
요오드화칼륨과질산납의반응 1 전체반응식 : 2KI(aq) + Pb(NO 3 ) 2 (aq) PbI 2 (s) + 2KNO 3 (aq) 2 이온반응식 : 2K + (aq) + 2I - (aq) + Pb 2+ (aq) + 2NO - 3 (aq) 2K + (aq) + 2NO - 3 (aq) + PbI 2(s) 3 알짜이온반응식 : Pb 2+ (aq) + 2I - (aq) PbI 2 (s) Na +, K + 등의금속이온은앙금을생성하지않는다. 이러한금속이온들은불꽃 반응을이용하여검출할수있다. 금속이온 리튬 이온 나트륨이온 칼륨 이온 칼슘 이온 스트론튬이온 바륨 이온 구리 이온 이온식 Li + Na + K + Ca 2+ Sr 2+ Ba 2+ Cu 2+ 불꽃색빨간색노란색보라색주황색진한빨강황록색청록색 [ 참고 ] 불꽃놀이 금속이온의검출불꽃반응 불꽃놀이의여러가지색깔은금속원소의불꽃반응을이용한것이다. 노란색은나트륨이 온에서방출되는빛에의한것이고붉은색은스트론튬염에서방출되는광선에의한것이 다. 또한알루미늄이나마그네슘금속은단순히흰색을나타낸다. 우리가쉽게구할수있는 흰색의불꽃이바로이금속을사용한것이다. - 27 -
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대표유형문제 1 그림은두가지수용액을혼합하였을때앙금이생성되는반응을이온모형으로나 타낸것이다. 이에대한설명으로옳은것을 < 보기 > 에서모두고른것은? < 보기 > ㄱ. 구경꾼이온은세종류이다. ㄴ. 의전하량은 의 2배이다. ㄷ. 앙금에서양이온과음이온의수는같다. 1 ㄱ 2 ㄷ 3 ㄱ, ㄴ 4 ㄴ, ㄷ 5 ㄱ, ㄴ, ㄷ 대표유형문제 2-29 -
수능개념 Chem is Try! - with TOTO 7 강수용액에서의반응 2 화학의체계적완성김철준 산과염기의성질 산의정의 산 (acid) 은수용액에서이온화하여수소이온 (H + ) 을내놓을수있는물질로염산 (HCl), 질산 (HNO 3), 황산 (H 2SO 4), 아세트산 (CH 3COOH), 인산 (H 3PO 4) 등이있 다. HCl H + + Cl - 산 H + + 음이온 H 2SO 4 2H + + 2- SO 4 H 3PO 4 3H + + 3- PO 4 염기의정의 수용액에서이온화하여수산화이온 (OH - ) 을내놓을수있는물질로수산화나트륨 (NaOH), 수산화칼륨 (KOH), 수산화칼슘 (Ca(OH) 2), 수산화마그네슘 (Mg(OH) 2), 암모 니아 (NH 3), 수산화알루미늄 (Al(OH) 3) 등이있다. NaOH Na + + OH - 염기 양이온 +OH - Ca(OH) 2 Ca 2+ + 2OH - NH 4OH + NH 4 + OH - 산성도를측정하는 ph 1) 수소이온의농도가클수록산성도가크다. 2) ph = -log [H + ] 즉, 수소이온의농도를 -log를취한값으로나타낸다. 3) ph는 7을기준으로 7보다작으면산성, 크면염기성이다. 4) ph=5는수소이온의농도가 10-5 을의미하는것이고 ph=3은 10-3 이다. ph는 1이감소할때마다 10배의수소이온농도차이가나서 ph 2가감소하면 100배산성도가증가한것이다. 5) 일반적으로산성비는 ph가 5.6보다작은 ph가약 5정도이고우리몸의위산은 ph가약 2정도이다. - 30 -
중화반응과염 중화반응 산과염기가반응하여물 (H 2O) 과염 (salt) 이생성되는반응으로중화반응은열이 방출되는발열반응이다. 산 + 염기 물 + 염 + ( 열 ) 수산화나트륨 (NaOH) 과염산 (HCl) 의수용액의반응 1 전체반응식 : NaOH(aq)+ HCl(aq) NaCl(aq)+ H 2O(l) + 열 2 이온반응식 : Na + (aq)+ OH - (aq) + H + (aq)+ Cl - (aq) H 2O(l)+ Na + (aq)+ Cl - (aq) 3 알짜이온반응식 : H + (aq) + OH - (aq) H 2O(l) 수산화바륨 (Ba(OH) 2) 과황산 (H 2SO 4) 수용액의반응 1 전체반응식 :Ba(OH) 2 (aq)+ H 2 SO 4 (aq) BaSO 4 (s) + 2H 2 O(l) 2 이온반응식 :Ba 2+ (aq)+ 2OH - (aq)+ 2H + (aq)+ SO 2-4 (aq) BaSO 4(s) + 2H 2O(l) 3 알짜이온반응식 : Ba 2+ (aq)+ 2OH - (aq)+ 2H + (aq)+ SO 2-4 (aq) BaSO 4(s) + 2H 2O(l) [ 참고 ] 중화와앙금반응이같이일어나는경우 전체이온이거의없을때가중화점이므로중화점에서전류의세기가거의 0 이된다. - 31 -
중화점의확인 지시약의색변화 지시약 산성 중성 염기성 리트머스종이 붉은색 - 푸른색 BTB 용액 노란색 초록색 푸른색 페놀프탈레인 무색 무색 붉은색 메틸오렌지 붉은색 노란색 노란색 지시약은액성에따라특유의색이보이지만지시약의종류에따라색이변화하는구간이모두다르다. 즉산성이나염기성의색을보이는 ph구간이다르므로대략적인색을외워구별하는정도만화학1에서다룬다. 무무빨주노초파보빨 온도변화 중화반응에의해서생성되는물의에너지는수소이온과수산화이온보다작다. 물질이변화하면서감소하는에너지를저장못하고방출할때발열반응을하며주위의온도가상승한다. 그러므로반응을가장많이한중화점의온도가최대이다. 1 부피비가같은경우 2 부피비가다른경우 [ 참고 ] 농도와부피 중화반응과같은수용액반응에서이온의수는부피와농도에의해결정된다. 농도는같은부 피속이온수이므로농도와부피를곱하면이온수와비례하게된다. 중화반응량온도변화량 전체용액의부피 - 32 -
전류의세기 1 전류의세기는이온의농도가진할수록강하며전해질의종류에따라수소이온이나수산화이온이있으면강하다. 중화반응시이온수가일정하더라도용액의부피가증가하여이온의농도가감소한다. NaOH + HCl ( 중화반응 ) 전류의세기 2 중화반응과앙금생성반응이동시에일어나는경우중화점에서이온이거의존재하지않으므로전류의세기가 0인지점이중화점이된다. Ba(OH) 2 + H 2 SO 4 ( 중화반응 + 앙금생성반응 ) 물의생성 중화반응하기전의산과염기에있는이온들은수용액속에서물분자사이에들어가서부피가표현되지않는다. 즉용액의부피는물의부피이지이온의부피는거의 zero이다. 중화반응에의해생성된물에의해용액의총부피는증가한다. 100mL 100mL 205mL 5mL만큼의물분자가중화반응에의해생성 중화반응의예 생활속의중화반응 1. 생선비린내를없애기위해레몬즙을떨어뜨린다. 2. 산성토양에석회가루를뿌려토양을중화시킨다. 3. 과다하게분비된위산을제거하기위해제산제를먹는다. 4. 벌에쏘이거나벌레에물렸을때는암모니아수를발라중화시킨다. 5. 화석연료의연소에의해생성되는이산화황 (SO 2) 은산성비의원인물질이므로대기중으로배출되지않도록석회가루 (CaO) 로중화시킨다. - 33 -
대표유형문제 1 그림은수용액 ( 가 ) 와 ( 나 ) 가반응하여수용액 ( 다 ) 로완전히중화되는과정을나타낸이온모형이다. 이반응에대한설명중옳지않은것은? 1 A는 +2가양이온이다. 2 용액의 ph는 ( 가 ) < ( 다 ) < ( 나 ) 이다. 3 ( 다 ) 에서이온전하량의총합은 0이다. 4 알짜이온반응식은 H + +OH - H 2 O이다. 5 용액의전기전도도는 ( 가 ) > ( 나 )=( 다 ) 이다. 대표유형문제 2 실험 Ⅰ은농도가서로다른수산화나트륨수용액과염산을여러부피비로혼합하였을때혼합용액의최고온도를측정한것이다. 실험 Ⅱ는염산의농도만다른조건에서실험Ⅰ의과정을반복한것이다. 이에대한설명으로옳은것을 < 보기 > 에서모두고른것은? < 보기 > ㄱ. 실험 Ⅰ 에서단위부피당이온의수는염산이수산화나트륨수용액의 2 배이다. ㄴ. 염산의단위부피당수소이온의수는실험 Ⅰ 이실험 Ⅱ 의 4 배이다. ㄷ. P 에서생성된물의양은실험 Ⅰ 과 Ⅱ 에서서로같다. 1 ㄱ 2 ㄴ 3 ㄱ, ㄷ 4 ㄴ, ㄷ 5 ㄱ, ㄴ, ㄷ - 34 -
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수능개념 1. 알짜이온반응과이온수변화연습 Chem is Try! - with TOTO 8 강수용액에서의반응 3 화학의체계적완성김철준 1) NaOH + HCl NaCl + H 2 O 2) CaCl 2 + Na 2 CO 3 CaCO 3 + 2NaCl 3) 2NaOH + H 2 SO 4 Na 2 SO 4 + H 2 O 4) Pb(NO 3 ) 2 + 2KI PbI 2 + 2KNO 3-36 -
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수능개념 Chem is Try! - with TOTO 9 강물과우리생활 화학의체계적완성김철준 1. 물의정수과정과소독 상수의정수과정 1) 상수원 : 수질의오염과유해물질로부터보호하기위하여지정 공고한지역 2) 취수장 : 상수원으로부터물 ( 원수 ) 를퍼올려정수장으로옮기는곳. 3) 침사지 : 물속에섞여있는흙, 모래등의고형물질을가라앉혀제거하는곳 4) 약품투입실 : 백반 (K 2 SO 4 Al 2 (SO 4 ) 3 ), 수산화칼슘 (Ca(OH) 2 ) 같은응집용약품을넣어부유성물질을엉기게하는곳 5) 혼화지 : 응집을위한약품과물이잘섞이도록혼합시켜주는곳 6) 침전지 : 약품에의해응집된찌꺼기를가라앉히는곳 7) 여과지 : 물속의남아있는미세한알갱이나색깔, 냄새등을제거하는곳 8) 염소살균실 : 염소 (Cl 2) 를투입하여세균들을제거하는곳 9) 정수지 : 여과지와염소살균실을통과한깨끗한물의저장하는곳 10) 배수지 : 깨끗한물을각가정으로보내는곳 소독 1. 염소염소기체를물에녹이면산화력이매우강한하이포아염소산 (HClO) 이생성된다. 하이포아염소산은불안정하므로쉽게분해되어발생기산소 ( 활성산소 ) 를생성한다. 발생기산소는산화력이매우강하여미생물의세포막을쉽게침투해미생물을주기는강력한살균및표백작용을한다. Cl 2(g) + H 2O(l) HClO(aq) + HCl HClO HCl + [O]( 발생기산소 ) 2. 오존 O 3 O 2 + [O]( 발생기산소 ) 1) 원리 : 오존은산화력이커서여러가지균을산화시켜파괴한다. 2) 장점 : 염소의 6배나되는살균력, 냄새가없어물맛이좋음, 발암물질없음 3. 단점 : 비용부담이크고, 잔류성이떨어져배수지에서가정으로오는동안세균에다시오염될가능성이있다. 3. 자외선 (UV) : 자외선은파장이 400nm 보다짧은전자기파로세균의세포핵을변형또는파괴시켜소독효 과를얻게된다. - 38 -
2. 센물과단물 물의분류 지하수와같이칼슘이온 (Ca 2+ ) 나마그네슘이온 (Mg 2+ ) 이많이녹아있어비누가잘풀리지않는물을센물 ( 경수 ) 이라하고, 수돗물과같이이들이온이적게들어있는비누가잘푸리는물을단물 ( 연수 ) 라고한다. 일시적센물 : 끓이기만하면단물로변하는물로칼슘이온 (Ca 2+ ) 이나마그네슘이온 (Mg 2+ ) 이탄산수소염 (HCO - 3 ) 의형태로녹아있는센물영구적센물 : 칼슘이온 (Ca 2+ ) 이나마그네슘이온 (Mg 2+ ) 이염화물 (Cl - ) 이나황산염 (SO 2-4 ) 의형태, 즉 CaCl 2, MgSO 4 의형태로녹아있는센물로끓여도칼슘이온이나마그네슘이온을제거할수없는데, 이러한물을영구적센물이라고한다. 영구적센물은화학적인방법으로단물로만들수있다. 비누의사용시문제점 ( 단점 ) 1) 센물에의한비누의앙금 1 센물에는비누가잘풀리지않아세척력이떨어지고, 세탁후의류에비누가남아피부질환의원인이된다. 2 비누가잘풀리지않는다 = 거품이잘생기지않는다. = 비누가많이소모된다. 2) 보일러관의관석생성센물은보일러나온수설비의파이프안에서탄산칼슘 (CaCO 3) 의침전물인관석을만든다. 이로인하여열의전도가나빠지고파이프가막혀서보일러의폭발사고까지일어날수있다. 3) 주전자내부의물때생성주전자를오랫동안사용하면주전자내부에물때가생긴다. 이것을 Ca(HCO 3) 2 가열을받아 CaCO 3 로변하기때문이다. - 39 -
3. 센물의단물화 일시적센물의단물화 앙금반응 이온교환수지자세히보기 센물을이온교환수지에통과시켜칼슘이온 (Ca 2+ ) 나마그네슘이온 (Mg 2+ ) 을나트륨이온 (Na + ) 으로바꾸는방법이다. 사용전의이온교환수지는나트륨이온으로가득채워져있다. 그리고센물이이온교환수지를통과하면센물속의칼슘이온이나마그네슘이온은수지에달라붙고나트륨이온이물속으로녹아나온다. 그러나오래사용한이온교환수지는그안이칼슘이온이나마그네슘이온으로가득차게되어더이상이온을교환하지못한다. 4. 수질오염과자정작용 수질오염의표시 DO(dissolved Oxygen: 용존산소량 ) : 물속의산소의질량을나타내는척도이며물 1kg속에산소 1mg이녹아있을때의용존산소량을 1ppm이라고한다. BOD(Biochemical Oxygen Demand: 생물학적산소요구량 ) : 하수중포함된유기물이미생물에의하여분해될때요구되는산소량을 ppm으로나타낸값, 그값이클수록오염이심하며 5ppm을넘어서면하천은자정능력을상실하기시작한다. - 40 -
자정작용 물에오염물질이유입되면물이다시깨끗해지는작용. 1) 물속에충분히산소가공급될때자정작용이일어난다. 2) 물의양이많고, 거칠게, 흐를수록자정작용이활발하게일어난다. ( 물에산소가접촉을잘하여많이녹아들어간다.) 5. 하수의처리와오염대책 하수의처리과정 1차처리 ( 물리적처리 ) 1 침사지 : 각가정에서버린하수중나무조각, 흙, 모래, 각종찌꺼기등의고형물질을제거한다. 2 최초침전지 (1차침전지 ): 침사지에있는물은유입펌프를통해최초침전지 (1차침전지) 로이동하게되고여기에서비중이작은부유성물질을가라앉힌다. 2차처리 ( 생물학적처리 ) 1 포기조 ( 폭기조 ): 최초침전지를통과한물은포기조로이동하게된다. 포기조에서는많은양의공기를불어넣는다. 공기중의산소는호기성미생물을빠르게성장시키며, 증식된미생물들은하수에있는주오염원인유기물을산화시켜분해시킨다. 3차처리 ( 화학적처리 ) 1 최종침전지 (2차침전지 ): 최종침전지에서는약 3시간정도물이머물면서유기물덩어리를분리하여가라앉힌후, 윗부분의물은염소투입실을거쳐방류하고, 찌꺼기를소화조로이송하며, 미생물은포기조로되돌려서재활용한다. 2 염소투입실 : 염소기체를투입하여미생물을죽인다. 3 최종적으로물의 ph를중성으로조절하거나, 중금속이온을활성탄흡착과같은방법으로처리한후방류한다. - 41 -
대표유형문제 1 다음은물의정수과정과하수처리과정을각각모식적으로나타낸것이다. 이에대한설명으로옳지않은것은? 1 ( 가 ) 와 ( 라 ) 에서밀도가큰물질이제거된다. 2 ( 나 ) 에서응집제를넣어준다. 3 ( 다 ) 를거치면물의 ph는커진다. 4 ( 마 ) 에서호기성미생물을이용하여유기물을분해한다. 5 하수처리과정을거치면물의 BOD가감소한다. 대표유형문제 2 표는서로다른지역의지하수 A~D 에들어있는몇가지이온들의농도 (ppm) 를나타낸것이다. 지하수 이온 Na + Mg 2+ Ca 2+ Cl - HCO - 3 A 13 14 67 21 236 B 9 3 89 121 3 C 6 23 98 2 357 D 11 7 6 22 5 지하수 A, B, C, D에대한설명으로옳은것은? 1 비누가가장잘풀리는것은 A이다. 2 보일러용수로가장적당한것은 C이다. 3 지하수를끓인후비누가가장잘풀리는것은 B이다. 4 같은양의지하수를가열할때앙금이가장많이생성되는것은 D이다. 5 같은양의지하수에충분한양의탄산나트륨을넣었을때앙금이가장많이생성되는것은 C이다. - 42 -
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수능개념 Chem is Try! - with TOTO 10 강공기의성분 화학의체계적완성김철준 우리주변의공기는호흡과같은생존에가장중요한영향을미치는물질로여러가지기체가혼합된혼 합물이다. 공기를이루는기체의종류가무엇이며어떤성질을갖는지알아보자. 공기의성분 건조공기의성분 1 공기중에들어있는수증기의양은 3~4% 로지역이나날씨, 시간에따라그양이달라진다. 2 대기권의아래부분에서는수증기를제외한건조공기의비율은거의일정하다. 3 건조공기의조성비 : N 2(78%) > O 2(21%) > Ar (0.93%) > CO 2(0.03%) 분별증류 1 거름장치 ( 먼지의제거 ) : 코트렐집진장치등을이용하여먼지나다른입자들을분리해낸다. 2 이산화탄소, 수증기제거 : 이산화탄소와수증기를냉각 ( 승화현상 ) 시켜드라이아이스와얼음과같은고체상태로분리해낸다 3-4 단열팽창원리 : 이산화탄소와수증기등이제거된공기를압축시킨후작은구명을통해갑자기팽창시키면, 공기의온도가낮아진다.( 단열팽창 ) 온도가낮아진공기를다시압축시킨후갑자기팽창시키면, 온도가더낮아진다. 이러한과정을여러번되풀이하여공기를액체상태로만든다. 5 분별증류 : 증류탑에서액체상태의공기를가열하면기체가되어올라가면서서서히냉각되어끓는점이높은물질은증류탑의낮은곳에서액화되고, 끓는점이낮은물질은증류탑의가장높은곳까지기체상태로도달한다. - 44 -
산소의성질과이용 산소의제법 1) 공기중의대부분의산소는해조류나녹색식물의광합성에의해얻어진다. 6CO 2 + 12H 2O C 6H 12O 6 + 6O 2 + 6H 2O 2) 공기의분별증류 3) 염소산칼륨의열분해 (2KClO 3 2KCl + 3O 2 ) 4) 과산화수소의촉매분해 (2H 2O 2 2H 2O + O 2 ) 5) 물의전기분해 (2H 2 O 2H 2 + O 2 ) 산소의이용 산소는생물의호흡이나연료의연소, 아세틸렌용접, 수중잠수부의공기통, 산 소호흡기, 우주왕복선의연료등으로사용된다. 공기중산소의존재비 구리의산화실험의오차최소화 1 구리는충분한양으로실험한다. 2 구리코일에열을가해산화를돕는다. 3 반복적인실험으로산소를모두소비한다. 4 되도록천천히실행한다. 5 실험후의온도가실험전과같이상온이될때까지기다린다. - 45 -
질소의성질과이용 질소의용도 1) 반응성이작은성질이용 질소는상온에서거의반응하지않는물질이므로식품용기와과자봉지, 백열전구의충전제로사용된다. 2) 반응성이작고끓는점이낮은성질이용 공업적으로액체공기로부터분리하여얻은액체질소는식품의냉동이나초전도체의냉각제로사용되며, 병원이나연구소에서정자와난자등을냉동보관할때많이사용한다. 1 질소는끓는점이 -196 이므로액체질소를이용하면온도를 -196 정도의낮은상태로유지시킬수있다. 2 질소는반응성이매우작기때문에냉각제로사용하는경우에냉각시킬물질과반응하지않는다. 3) 암모니아, 질산과같은질소화합물의형태로여러가지용도로사용된다. 1 암모니아 (NH 3): 자극성냄새가나는무색의기체로, 하버법으로합성하며질소비료나질산, 염료, 화약등의원료로사용된다. 2 질산 (HNO 3): 물에녹아강한산성을나타내는물질로암모니아 4) 산화법 ( 오스발트법 ) 으로제조하며 TNT, 다이너마이트와같은폭약제조등에사용된다. 질소의순환 1) 대기중질소 : 질소는반응성이매우작아서대기중에서 N 2 의형태로존재한다. 2) 질소고정 : 번개, 자동차, 비료공장, 토양속에존재하는뿌리혹박테리아등에의하여질소기체 (N 2) 는 NH + 4, NO - 3 의형태로토양속에고정되게된다. 3) 식물 : 식물은토양속의물에녹아있는암모늄이온 (NH + 4 ) 이나질산이온 (NO - 3 ) 의형태로질소를흡수한다. 그리고뿌리를통해흡수한질산염이나아질산염등으로부터아미노산을합성하여식물성단백질의형태로전환시킨다. 4) 동물 : 동물은식물성단백질이나동물성단백질을섭취함으로써몸에필요한질소성분을얻는다. 5) 질소배출 : 동물체내의질소성분은배설과정을통해암모니아나요소의형태로다시배출되며, 동물이나식물의유해속에포함된질소는분해되어지표나대기로되돌아간다. - 46 -
이산화탄소의성질과이용 이산화탄소의성질 1) 공기보다무겁고화학적으로안정한물질로, 대부분의물질은이산화탄소속에서연소하지않으므로소화기에이용된다. 2) 수산화나트륨수용액과중화반응하여탄산나트륨과물을생성한다. CO 2(g) + 2NaOH(aq) Na 2CO 3(aq) + H 2O(l) 3) 이산화탄소를석회수 ( 수산화칼슘수용액 ) 에통과시키면물에녹지않는탄산칼슘이생성되므로뿌옇게흐려진다. 이산화탄소검출법 1 Ca(OH) 2(aq) + CO 2(g) CaCO 3(s) + H 2O(l) 여기에이산화탄소를계속해서가하면, 물에녹는탄산수소칼슘이생성되어석회수가다시맑아진다. 석회암지대에서석회동굴이만들어지는원리 2 CaCO 3(s) + CO 2(g) + H 2O(l) Ca(HCO 3) 2(aq) 이산화탄소의제법 1) 탄소나탄소화합물을연소시킨다. C + O 2 CO 2 + H 2O CH 4 + 2O 2 CO 2 + 2H 2O 2) 탄산칼슘을가열한다 CaCO 3 CaO + CO 2 3) 생물의호흡시발생한다. 양분 + O 2 CO 2 + H 2O 4) 탄산칼슘에묽은염산을가하면발생한다. CaCO 3 + 2HCl CaCl 2 + H 2O + CO 2 5) 탄산수소나트륨을가열한다. 2NaHCO 3 Na 2CO 3 + CO 2 + H 2O 이산화탄소의용도 1) 드라이아이스 : 고체상태의이산화탄소인드라이아이스는 -78 에서승화하는성질이있다. 드라이아이스가승화할때에는주위로부터열을빼앗기므로식품을저장하거나보존하는냉각제로이용되고, 특수안개를만들때에도사용된다. 2) 탄산음료 : 이산화탄소는물에약간녹아약한산인탄산을생성하므로탄산음료를만드는데사용된다. 탄산음료를마시면목을넘어가면서온도가증가하여기체의용해도가감소하므로밖으로나오게된다. - 47 -
3) 소화기 : 이산화탄소는공기보다무겁고불에타지않으므로불을끄는소화기재료를이용된다. 4) 베이킹파우더 : 베이킹파우더에물을가하면탄산수소나트륨 (NaHCO 3) 과산이조금씩반응하여이산화탄소가발생한다. 베이킹파우더를가열하면탄산수소나트륨이분해되면서이산화탄소가더많이발생하므로빵을부풀게한다. NaHCO 3 + H + Na + + CO 2 + H 2O 2NaHCO 3 Na 2CO 3 + CO 2 + H 2O 비활성기체의성질과이용비활성기체의성질 1) 주기율표의 18족에해당하는원소로헬륨 (He), 네온 (Ne), 아르곤 (Ar) 등이있다. 2) 성질 1 매우안정하여반응성이거의없기때문에다른물질과잘반응하지않는다. 2 단원자분자로서화합물을생성하지않는다. 3 낮은압력에서방전하면특유의색깔을띤다. ex) 헬륨 ( 진한노란색 ), 네온 ( 붉은색 ), 아르곤 ( 붉은색또는푸른색 ) 비활성기체의용도 1) 헬륨 (He) 1 극저온을얻는냉각제로이용된다. 2 혈액에대한용해도가매우작기때문에잠수부의공기통에이용된다. 3 무색투명한기체로, 밀도와반응성이작아애드벌룬이나비행선의주입가스로사용된다. 2) 네온 (Ne) : 방전관에서나오는붉은빛이현란하여간판에많이이용 3) 아르곤 (Ar) 1 산소다음으로공기중에많이포함되어있다. 2 백열전구, 형광등등에충전기체로이용된다. 구분 헬륨 (He) 네온 (Ne) 아르곤 (Ar) 상대적질량 4.0 20.2 39.9 끓는점 -268.9-245.8-185.7 녹는점 -272.1-248.5-157 공기중함량부피 (%) 0.00052 0.0018 0.93 방전색깔 진한노란색 진한붉은색 붉은색 이용비행성, 애드벌룬네온사인전구의충전기체 - 48 -
대표유형문제 1 다음은공기중에들어있는산소의부피비를알아보기위한실험이다. [ 실험과정 ] ( 가 ) 주사기와석영관속에들어있는공기의부피를측정한다. ( 나 ) 그림과같이장치하고석영관에들어있는구리를충분히가열한후, 장치를실온으로식히고주사기와석영관속에들어있는공기의부피를측정한다. [ 실험결과 ] 가열전공기의부피 (cm 3 ) 200 가열후공기의부피 (cm 3 ) 160 위실험에대한옳은설명을 < 보기 > 에서모두고른것은? 보기 ㄱ. 공기중산소의부피비는 40% 이다. ㄴ. 구리는상온의공기와쉽게반응하지않는다. ㄷ. 공기의성분중산소만구리와반응한다고가정한다. 1 ㄱ 2 ㄴ 3 ㄱ, ㄴ 4 ㄱ, ㄷ 5 ㄴ, ㄷ 대표유형문제 2 그림은석회수가들어있는시험관에이산화탄소의양을 일정하게계속공급하였을때, 시험관속의총이온수의 변화를나타낸것이다. 이자료에대한설명으로옳지 않은것은? 1 구간 A-B에서용액의 ph가감소한다. 2 구간 A-B에서용액의온도는증가한다. 3 구간 B-C에서용액의질량은감소한다. 4 구간 B-C로석회동굴의형성과정을설명할수있다. 5 점 A와 C에서전하량의총합은서로같다. - 49 -
수능개념 Chem is Try! - with TOTO 11 강기체의성질 1 화학의체계적완성김철준 기체는액체, 고체와달리많은에너지를가지고있으므로끊임없이운동을하며확산운동과용기에압 력을가한다. 기체의성질과확산에대해알아보자. 기체분자운동론 물질의세가지상태 1) 일반적으로고체에서액체로변할때에는부피가 2~10% 정도증가하지만, 액체에서기체로변할때에는부피가매우크게증가한다. 따라서기체의밀도는액체나고체의밀도에비하여매우작다. 2) 모양과부피가일정하지않고쉽게압축된다. 3) 분자사이의거리가멀고인력이거의작용하지않으며, 분자운동이매우활발하다. 기체분자운동론 1. 기체분자들은끊임없이자유롭게직선운동을하고있다. 고체나액체에비하여분자간의인력이매우작으므로분자운동이매우활발하다. 2. 기체분자들이충돌하더라도운동에너지가손실되지않는다. 기체는완전탄성체이다. 기체가움직이는것은열에너지에의한것이다. 따라서온도가일정하게유지되면열운동이같기때문에충돌한다고해서에너지가감소하지않는다. 3. 기체분자들의평균운동에너지는절대온도에비례한다. E K= kt (k= 비례상수, T= 절대온도 ) 4. 기체분자의크기는용기의부피에비하여대단히작다. 기체의부피는분자간거리에의해결정되며분자 1 개의부피는무시한다. 5. 기체분자사이에는인력이나반발력이작용하지않는다. 기체분자사이에작용하는인력, 반발력은무시한다. - 50 -
기체의확산 확산속도에영향을주는요인 기체의확산이란기체분자들이끊임없이분자운동하여다른기체나액체속으로퍼져나가는현상이다. 1. 확산속도에영향을주는요인 1) 온도가높을수록확산속도가빠르다. 온도가높아지면기체의평균운동에너지가커지고분자의운동속도가빨라지기때문에확산속도가빨라진다. 2) 전달매질의밀도가작을수록확산속도가빠르다 진공속 > 기체속 > 액체속 3) 기체분자의질량이작을수록확산속도가빠르다. 분자의종류와확산속도 ( 같은분자는 ) 온도가높을수록 ( 같은온도에서는 ) 분자량이작을수록빠르다. 확산문제유형 1 1. 기체의반응에의한속도비교 2. 풍선의크기변화에의한속도비교 같은온도에서두기체의확산에의해성성된 NH 4Cl의위치가 HCl에가까운것으로보아염산 (HCl) 은암모니아 (NH 3) 보다분자량이크다. - 51 -
확산문제유형 2 다공성막을사이에두고콕을열면분자량이작은기체가속도가빨라서더빨리압력감소를보인다. 하지만시간이오래경과하면기체는고르게퍼지므로나중압력은양쪽이같아진다. 확산문제유형 3 기체 X와 Y의분자수의비는압력과부피의곱으로나타내고, 1:2가된다. 콕을열었다가닫은후양쪽의압력이똑같이 0.5기압이되었다고할때, 분자수의변화는 Y가더크므로속도는 Y가더크고분자량은 X가더큰것이다. 또한같은온도, 압력에서밀도는 X가더크다. 처음부피는같았으나콕을열고고정장치를풀었더니피스톤이왼쪽으로이동했다면압력감소는 A쪽이더큰것으로기체 A의확산속도가 B보다빠르기때문이다. A의분자량이 B 보다작은것을알수있다. - 52 -
대표유형문제 1 다음은철수가수행한실험과정과그결과이다. ( 가 ) 실린더의중앙에피스톤을고정시키고, 상온의기체 A와 B를각각 2기압이되도록주입하였다. ( 나 ) 두기체를가열하여 50 로유지하면서양쪽콕을동시에잠시열었다가닫았다. ( 다 ) 두기체를상온으로냉각시키고, 피스톤의고정장치를풀었더니피스톤이그림과같이기체 A쪽으로이동하였다. 이에대한설명으로옳은것을 < 보기 > 에서모두고른것은? ( 단, 콕구멍의크기는같고, 피스톤은마찰없이움직인다.) < 보기 > ㄱ. 같은압력과온도에서, 밀도는 A가 B보다작다. ㄴ. 50 에서분자의평균운동에너지는 A가 B보다크다. ㄷ. ( 다 ) 에서실린더안의분자수는 A가 B보다많다. 1 ㄱ 2 ㄷ 3 ㄱ, ㄴ 4 ㄴ, ㄷ 5 ㄱ, ㄴ, ㄷ 대표유형문제 2 다음은일정한온도에서기체의성질을알아보기위한실험이다. [ 실험 ] ( 가 ) 그림과같이용기 A 와 C 에기체 X, Y 를각각주입하였다. ( 나 ) 콕을동시에열었다가닫았더니, 용기 A 와 C 의압력이각각 0.8 기압이었다. 이에대한설명으로옳은것만을 < 보기 > 에서있는대로고른것은? ( 단, X 는 Y 와반응하지않으며, 콕의 구멍크기는같다.) - < 보기 > ㄱ. ( 가 ) 에서용기의기체밀도는 C > A 이다. ㄴ. ( 나 ) 에서용기 B 의기체분자수는 Y > X 이다. ㄷ. X, Y 의평균분자운동속력은동일하다. - 53 -
수능개념 Chem is Try! - with TOTO 12 강기체의성질 2 화학의체계적완성김철준 기체의압력과온도는부피에영향을주는대표적인조작변인이된다. 뿐만아니라분자수도기체의부피 와비례한다. 기체의압력과부피 압력과보일의법칙 압력 (Pressure) 이란기체분자들이끊임없이운동하면서용기의벽에충돌하기때문에나타나는것으로벽면에충돌하는분자의수가많을수록기체의압력이커진다. 충돌력은충돌하는입자수인충돌수와질량의곱으로표현된다. 보일의법칙그래프 압력의단위 N/m 2, N/cm 2, Pa( 파스칼 ) 1기압 =1atm = 76cmHg = 760mmHg = 1013hPa = 10m H 2O 보일의법칙에관한현상 1 잠수부가내뿜은공기방울은수면에가까워질수록그크기가커진다. 2 풍선이하늘높이올라가다가터진다. 3 운동화에있는공기주머니는발에가해지는충격을흡수한다. 4 자동차의에어백은충돌시탑승자를보호한다. 5 페트병을손으로누를때시험관의이동 - 54 -
기체의온도와부피 온도와샤를의법칙 1787 년프랑스의화학자샤를 (Jacques Alexandre Ceasar Charles: 1746~1823 년 ) 은 압력이일정할때, 일정량의기체의부피는기체의종류에관계없이온도가 1 올라 갈때마다 0 때부피의 칙이라고한다. 씩증가한다. 는사실을밝혔다. 이관계를샤를의법 샤를의법칙그래프 절대온도와섭씨온도의관계 T(K) = t( ) + 273 샤를의법칙에관한현상 1 찌그러진탁구공을뜨거운물에넣으면펴진다. 2 여름철에는자동차타이어에공기를조금적게넣는다. 3 여름철에는대류권계면의높이가조금높아진다. 4 열기구속의공기를가열하면공기의밀도가감소하여열기구가뜬다. - 55 -
보일 - 샤를문제유형 1 압력과부피는반비례하지만밀도와 부피도반비례하므로압력과부피는 비례한다. 밀도 부피 압력 온도 그래프에서 T1 은 T2 보다낮아밀도 가크다. 보일 - 샤를문제유형 2 주어진상황에서밀도는 3 : 2 : 2 : 1 지만온도와압력이모두다르므로 온도와압력은 1 기압 T1 으로맞추면 A, B, C, D 의밀도는 밀도 부피 압력 로계산하면온도 3 : 4 : 1 : 1 이된다. 그러므로확산 속도는 A 보다 C 가빠르고, 분자량은 B 가가장크다. 보일 - 샤를문제유형 3 분자수는같은온도에서 ( 압력 부피 ) 와비례하므로고정장치를풀기전에분자수는질소와헬륨이 4:2로질소가 2배많다. 고정장치를풀면부피는분자수에비례하므로질소의부피는 5L의 2/3가되고압력은 P V가일정하므로 1 4=10/3 P 가되어 1.2기압이된다. - 56 -
대표유형문제 1 그림 (I) 은기체가들어있는실린더의부피변화과정을, (II) 는온도및압력에따른부피를나타낸것이다. 그림 (I) 에서과정 ( 가 ) 와 ( 나 ) 는압력이일정하고, ( 다 ) 와 ( 라 ) 는온도가일정하다. ( I) (II) 이과정에대한설명으로옳은것을 < 보기 > 에서모두고른것은? < 보기 > ㄱ. C 에서 ( 라 ) 과정을거치면 D가된다. ㄴ. ( 가 ) 와 ( 다 ) 는기체분자사이의평균거리가증가한다. ㄷ. A 에서 B 로가는과정은 E 에서 C 로가는과정과같다. ㄹ. E 에서 ( 나 ) 과정을거치면 D가되며, 평균분자운동에너지는감소한다. 1 ㄱ, ㄷ 2 ㄱ, ㄹ 3 ㄱ, ㄴ, ㄷ 4 ㄱ, ㄴ, ㄹ 5 ㄴ, ㄷ, ㄹ 대표유형문제 2 표는기체 A~C 에대한자료이다. 기체 압력 ( 기압 ) 온도 (K) 밀도 ( 상대값 ) A 1 300 2 B 1 600 1 C 2 600 1 이자료에대한설명으로옳은것만을 < 보기 > 에서있는대로고른것은? - < 보기 > ㄱ. 분자의상대질량은 A 와 B 가동일하다. ㄴ. A 와 C 의평균분자운동에너지는동일하다. ㄷ. 2 기압, 600 K 에서 A 의밀도 ( 상대값 ) 는 1 이다. 1 ㄱ 2 ㄴ 3 ㄷ 4 ㄱ, ㄴ 5 ㄱ, ㄷ - 57 -
수능개념 Chem is Try! - with TOTO 13 강공기의오염 화학의체계적완성김철준 공기의오염은한지역에머물지않고바람을타고이동하여실제오염되지않은지역에까지영향을준 다. 공기오염의원인물질과현상그리고대책의순으로알아보자. 대기오염물질 오염물질의종류 1. 1 차오염물질 (Primary air pollutants) 자연현상이나인간의활동에의해발생하여직접대기중으로방출되는오염물질이다. 1 차 대기오염물질에는일산화탄소 (CO), 황산화물 (SO X), 질소산화물 (NO X), 탄화수소, 암모니아 (NH 3), 황화수소 (H 2S), 먼지, 중금속, 독성물질등이있다. 2. 2 차오염물질 (Secondary air pollutants) 대기중으로방출된 1 차대기오염물질들이공기중에서화학반응을일으켜 2 차적으로생성 된오염물질이다. 2 차대기오염물질에는오존 (O 3), 산성비, 산성안개, 스모그등이있다. 오염물질 발생원인 피해 황산화물 (SO X) 화석연료속에포함된황이연소하산성비, 런던형스모그, 호흡기여생성장애, 식물피해, 금속의부식 화력발전소나자동차의엔진과같질소산화물산성비, 광화학스모그, 눈과호은높은온도에서질소와산소가 (NO X) 흡기장애, 오존생성반응하거나번개에이해생성 일산화탄소 (CO) 탄소를포함한연료가불완전연소할때생성 혈액의산소운반기능마비 탄화수소 화셕연료가불완전연소할때생성 광화학스모그 분진 연기, 그을음, 재등의미세한입자 호흡기장애 부문별오염물질배출량 - 58 -
대기오염으로인해나타나는현상 산성비의생성 ph5.6 미만인비로, 일반적으로빗물은 ph5.6~6.5 정도의약한산성을띠지만대기오염이 심한지역에서는이보다강한산성을띠는빗물이내리기도한다. 1 오염되지않은비공기중에는약 0.03% 정도의이산화탄소가포함되어있다. 물에녹아약한산인탄산이되므로, 오염되지않은정상적인빗물도 ph 5.6정도의약한산성을나타낸다. CO 2(g) + H 2O(l) H 2CO 3(aq) H 2CO 3(aq) H + (aq) + HCO - 3 (aq) 2H + (aq) + CO 2-3 (aq) 2 산성비이산화황이나질소산화물이공기중의산소또는수증기와반응하여황산이나질산이되고, 이것이빗물에녹으면 ph 5.6 미만의산성비가내리게된다. 황산산성비생성 S + O 2 SO 2 ( 고온 ) SO 2 + O 2 2SO 3 ( 상온 ) SO 3 + H 2O H 2SO 4 ( 상온 ) 질산산성비생성 N 2 + O 2 2NO ( 고온 ) 2NO + O 2 2NO 2 ( 상온 ) 2NO 2 + H 2O HNO 2 + HNO 3 ( 상온 ) 배출지역산업부문 (86%)> 수송부문 (5%) 배출지역수송부문 (55%)> 산업부문 (38%) 피해대책이산화황제거장치피해대책촉매변환장치 산성비의피해 1 토양을산성화시키고, 미생물의활동을억제하며, 엽록소를파괴하여식물의광합성능력을저하. 2 호수나강물, 하천등을산성화시켜수중생물피해. 3 금속으로만들어진유적이나조각상등을크게훼손. Fe(s) + H 2SO 4(aq) FeSO 4(aq) + H 2(g) 4 탄산칼슘 (CaCO 3) 으로이루어진석회암, 대리암으로된조각상부식다. CaCO 3(s) + H 2SO 4(aq) CaSO 4(s) + H 2O(l) + CO 2(g) 5 산성비의원인이되는공기오염물질은공기의흐름에의해멀리까지이동하므로산성비의피해는오염물질이발생한지역뿐만아니라넓은지역에걸쳐나타난다. - 59 -
오존층의역할지상20~30km의성층권에는오존의농도가특히높아대기중에들어있는전체오존의약 90% 가모여있다. 이부분을오존층이라고한다. 우리가생활하는대류권에존재하는오존은매우적은양으로인체에피해를주지만성층권에있는오존은태양으로부터오는유해한자외선을막아주는매우중요한역할을한다. [ 오존층의생성과분해 ] 오존층의파괴과정 [1단계] 프레온가스가자외선을흡수하면 Cl을내놓는다. CF 2Cl 2 CF 2Cl + Cl [2단계]Cl는오존 (O 3) 과반응하여일산화염소 (ClO) 와 O 2 를만든다. Cl + O 3 ClO + O 2 [3단계] ClO는다시 O나 O 3 과반응하여 Cl와 O 2 를만든다. ClO + O Cl + O 2 오존층이파괴되면지표면에도달하는유해자외선량이증가하므로피부암발생율 이증가하고, 백내장등의안질환을유발시킬수있다. 또한식물의성장이둔화되 고곡물의수확량이감소하며, 수중생물에도해를끼쳐어획량이줄어든다. - 60 -
온실효과와지구온난화온실효과 지구온난화 최근 120년간지구표면의평균기온이약 0.4~0.8 정도상승하였는데, 이러한현상을지구온난화라고한다. 이산화탄소, 수증기, 메탄, 오존, CFC 등의기체 ( 온실기체 ) 가지구에서방출하는지구복사에너지를흡수하여생물이살아갈수있도록적당한온도를유지시키는것이다. 런던형스모그 1 원인 : 석탄과중유등의연소로발생한황산화물과일산화탄소가주요오염물질 2 생성과정 : 이산화황이공기중의산소와반응하여삼산화황이생성되고, 삼산화황이공기중의수증기와반응하여황산이생성되기때문에나타난다. 이렇게만들어진황산은심한호흡기자극제로, 작은황산입자가폐속까지흡입되어피해를준다. 2SO 2(g)+ O 2(g) 2SO 3(g), SO 3(g)+ H 2O(l) H 2SO 4(aq) 로스엔젤레스형스모그 ( 광화학스모그 ) 공기중 N 2 + O 2 자동차배기가스에의해배출된질소산화물과연료가불완전연소될때생성되 는탄화수소가원인이되어생성 ( 자동차와자외선이함께있을때생성 ) N 2 + O 2 NO NO 2 O O 3 옥시던트 - 61 -
LA 형스모그의기체농도변화 NO의농도는자동차의수와밀접하여출근시간과퇴근시간에농도가증가한다. 생성된일산화질소 (NO) 는불안정하여이산화질소로산화된다. 안정한이산화질소는햇빛을받아야만일산화질소로환원될수있고이때생성된산소원자가산소분자와결합하여오존을만든다. 광화학스모그생성과정정리 2NO(g)+O 2(g) 2NO 2(g) NO 2(g) NO(g) + O(g) O 2(g) + O(g) O 3(g) O 3 + 탄화수소 광화학스모그 일산화질소가공기중의산소와빠르게반응하여이산화질소생성이산화질소가자외선을흡수하여일산화질소와산소원자로분해산소원자가공기중의산소분자와반응하여오존생성오존과공기중의탄화수소가반응하여다양한옥시던트를만들어광화학스모그를일으킨다. 광화학스모그의생성그림 1 피해 : 강력한산화작용으로눈, 기관지, 폐등의기능을약화시키고식물을말려죽이며, 고무, 옷감, 목재등을손상시킨다. 2 대책 : 자동차의운행을자제하거나촉매변환기를사용하면감소시킬수있다. - 62 -
대기오염의대책 황과이산화황의제거 1. 저유황연료의사용 : 황이거의포함되어있지않은천연가스를사용하거나황성분이적게포함된석탄을이용한다. 2. 탈황장치 : 정유공장에서탈황장치를이용하여석유속에포함된황을제거하고, 부유선광법을이용하여석탄속에포함된황산화물을제거한다. 3. 이산화황제거장치 : 발전소나공장에서연료의연소과정에서발생한배기가스를굴뚝을통해공기중으로배출시키기전에제거한다. 이산화항제거장치에서는이산화황이들어있는배기가스를석회석 (CaCO 3) 가루나석회수로처리하여아황산칼슘 (CaSO 3 ) 이나황산칼슘 (CaSO 4 ) 으로만들어제거한다. CaCO 3(s) CaO(s) + CO 2(g) CaO(s) + SO 2(g) CaSO 3(s) CaO(s) + SO 3 (g) CaSO 4 (s) Ca(OH) 2(aq) + SO 2(g) CaSO 3(s) + H 2O(l) 질소산화물의제거 ( 촉매변환장치 ) 질소산화물의환원반응을일으키는환원제인일산화탄소의산화반응이일어난다. 자동차촉매변환기를설치하여질소산화물을줄인다. 촉매변환장치에서는자동차엔진에서생성되는 NO는냉각될때다음의반응을통해 N 2 와 O 2 로분해된다. 이반응은보통조건에서는진행이느리므로그안에백금 (Pt) 이나팔라듐 (Pd) 과같은촉매를사용하여반응을잘일어나도록한다. 2NO(g) N 2(g) + O 2(g) - 63 -
대표유형문제 1 그림 ( 가 ) 는어떤대도시에서스모그가발생한날의시간에따른 NO 2 의농도를, ( 나 ) 는스모그생성과정의일부를나타낸것이다. 이자료에대한설명으로옳은것은? 1 대기중에서 NO는 NO2로변하지않는다. 2 7시경에광화학스모그가가장심하다. 3 O2가많아지면산소원자 (O) 의발생량이증가한다. 4 탄화수소의발생량을줄이면스모그를감소시킬수있다. 5 일조량이증가하면 NO2의농도가증가할것이다. 대표유형문제 2 그림 ( 가 ) 는날숨속의어떤기체를확인하는것을나타낸것이고, 그림 ( 나 ) 는어떤공기오염물질의배출을줄이기위한장치를나타낸것이다. 이에대한설명으로옳은것을 < 보기 > 에서모두고른것은? < 보기 > ᄀ. ( 가 ) 와 ( 나 ) 에서모두중화반응이일어난다. ᄂ. 수산화칼슘수용액으로이산화황을검출할수있다. ᄃ. 탄산칼슘과황산칼슘의물에대한용해도는매우작다. 1 ᄂ 2 ᄃ 3 ᄀ, ᄂ 4 ᄀ, ᄃ 5 ᄀ, ᄂ, ᄃ - 64 -
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수능개념 Chem is Try! - with TOTO 14 강주기율과금속, 비금속 1 화학의체계적완성김철준 원자의구성입자와원자의규칙성은화합물의성질결정하는중요한요인이므로원자의내부를더철저 하게알면알수록자연계에일어나는현상을해석할수있게한다. 주기율표의역사 원자의구성 원자번호 = 양성자수 = 전자수 He의양성자수 = 전자수 = 2 질량수 = 양성자수 + 중성 톰슨이발견한전자와러더퍼드가발견한원자핵으로원자의기초가 만들어졌다. 자수 He 의중성자수 = 2 세쌍의원소 원소 Ca( 칼슘 ) Sr( 스트론튬 ) Ba( 바륨 ) 원자량 40 88 137 밀도 (g/ml) 1.54 2.60 3.66 녹는점 ( ) 845 778 710 두원소의성질로부터다른원소의성질을예측하는것으로중간값의원리를이용한다. 의원자량 의원자량 1 Sr의원자량 = = = 88.5 의밀도 의밀도 2 Sr의밀도 (g/ml)= = = 2.60 의녹는점 의녹는점 3 Sr의녹는점 ( )= = = 777.5 옥타브설 ( 옥텟규칙 ) 1863 년영국의뉴렌즈는당시알려진 62 개의원소들을원자량의순서로배 열할때물리적, 화학적성질이비슷한원소가 8 번째마다나타나는것을발견 하고이를 옥타브의법칙 (Law of Octaves) 을발표하였다. - 66 -
멘델레예프의주기율표 원자량순서배열 ( 멘델레예프 ) 모순점은 K의원자량은 39이고 Ar의원자량은 40정도이다. 순서대로나열하면 18 번이 K으로 19번이 Ar이되어 K은비활성기체, Ar은알칼리금속에속하게된다. 원소들을원자번호순으로배열하면원자번호가증가할때마다원소들의물리적, 화학적성질이주기적으로비슷한성질을나타내며, 이러한경향을주기율 (periodic law) 이라고한다. 원소들을원자번호순으로배열하여물리적화학적성질이비슷한원소가주기적으로나타나도록정리한원소의분류표를주기율표 (periodic table) 라고한다. 모즐리의현대의주기율표 주기율표의규칙성왼쪽아래로갈수록 = 금속성증가 = 전자를버려 (+) 이온되기쉽다. = 산화되기쉽다. = 환원력이증가. = 물에녹아염기성 = 전기전도성, 열전도성좋음 = 퍼짐성, 뽑힘성좋음 주기와족 1 주기 (period) 주기율표의가로줄을주기라고하며, 1주기부터 7주기까지존재한다. 같은주기에속한원소들은모두같은전자껍질을갖는다. 2 족 (family) 주기율표의세로줄을족이라고하며, 1족부터18개의족이있다. 같은족의원소들은최외각전자수가같아화학적성질이비슷하다. - 67 -
수능개념 Chem is Try! - with TOTO 14 강주기율과금속, 비금속 1 화학의체계적완성김철준 금속성이가장큰원소들은주기율표에서왼쪽끝에있는알칼리금속족이며, 비금속성이가장큰원소 들은주기율표에서오른쪽끝에서두번째에있는할로겐족이다. 오른쪽끝의비활성기체들비금속이지 만반응성은매우작다. 알칼리금속 알칼리금속 (1 족 ) 1) 알칼리금속은다른금속에비해녹는점과끓는점이매우낮다. : 같은족에서는원자번호가증가할수록녹는점이낮아지는데. 이것은원자번호가증가할수록금속원자의크기가커져정전기적인인력이감소하기때문이다. 2) 알칼리금속은밀도가매우작다. : 특히 Li, Na, K의경우에는물보다밀도가작기때문에물위에뜬다. 3) 알칼리금속은철과같은다른금속과다르게매우무르고연한금속이다. 4) 알칼리금속 (M) 은물과격렬하게반응하여수산화물 ( 염기성 ) 과수소기체를생성한다. 2M(s) + 2H 2O(l) 2M + (aq) + 2OH - (aq) + H 2(g) : 알칼리금속이물과반응하는정도로반응성을비교할수있는데 Li < Na < K 순이다. 5) 알칼리금속을자르면자른순간단면은은백색을나타내지만잠시후은백색이사라지게된다. 이것은알칼리금속이공기중의산소와반응하여산화물을만들기때문이다. 4M + O 2 2M 2O - 68 -
보관방법과불꽃반응색 Li Na K Rb Cs 빨간색노란색보라색빨간색파란색 알칼리금속보관액의조건으로 1 무극성용매로물이없어야하며 2 1족보다밀도가작아가라앉아야한다. 알칼리금속은물이나산소와의반응성이매우크기때문에보관할때물이나산소와의접촉을피해야한다. 따라서알칼리금속은석유나벤젠또는액체파라핀속에보관한다. 알칼리금속과그화합물의성질 1) 리튬 (lithium) : 금속중가장밀도가작은가벼운금속으로노트북컴퓨터의전원이나경량화를필요로하는휴대폰의배터리로이용된다. 2) 나트륨 (sodium) : 나트륨은지각을구성하는 8대원소중 6번째로많은원소로, 1807년 NaOH 을전기분해하여처음으로분리되었다. Na은원자로의냉각제로이용되며나트륨증기가방전에의해내는노란색의빛은안개등에흡수되지않기때문에나트륨은가로등이나자동차의안개등에이용된다. 3) 칼륨 (potassium) : 칼륨은지각을구성하는 8대원소중 7번째로많은원소로 1807년에탄산칼륨 (K 2 CO 3 ) 을전기분해하여처음으로분리되었다. 칼륨은식물의비료로많이이용되는성분이다. 4) 수산화나트륨 (NaOH) : 진한소금물을전기분해하여얻으며, 흰색의조해성이있는고체로수용액은강한염기성을나타낸다. 5) 탄산나트륨 (Na 2CO 3) : 소금의포화수용액에암모니아를충분히용해한후여기에이산화탄소를통과시켜얻으며, 결정을공기중에방치하면풍해현상으로흰가루가된다. 6) 탄산수소나트륨 (NaHCO 3) : 흔히소다라고부르며, 가열하거나산과반응하면이산화탄소를발생하므로빵을부풀게하는베이킹파우더의원료나청량음료의이산화탄소발생제, 제산제등으로사용한다. - 69 -
대표유형문제 1 다음은주기율표의일부를나타낸것이다. 원소 A~F 와관련된설명으로옳지않은것은? ( 단, A~F 는 임의의원소기호이다.) 1 E가 B보다반응성이크다. 2 A는심해잠수부용산소탱크에이용된다. 3 EF 수용액에 D 2 를넣으면반응이일어난다. 4 BF와 EF 수용액은불꽃반응으로구별할수있다. 5 C 2 는물을전기분해할때 (-) 극에서얻을수있다. 대표유형문제 2 알칼리금속 (Li, Na, K) 의성질을알아보기위해다음과같이실험하였다. 위실험에대한설명으로옳은것을 < 보기 > 에서모두고른것은? 1 ㄱ, ㄴ 2 ㄱ, ㄹ 3 ㄷ, ㄹ 4 ㄱ, ㄴ, ㄷ 5 ㄴ, ㄷ, ㄹ - 70 -
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수능개념 Chem is Try! - with TOTO 15 강주기율과금속, 비금속 2 화학의체계적완성김철준 할로겐원소 (17 족 ) 할로겐족의일반적성질 할로겐이라는이름은그리스어의염을뜻하는 alos 와만든다는뜻의 gennan 에서 유래한다. 지구상에가장많은이온이 Cl - 이온이다 1 할로겐은상온에서 2개의원자가결합하여이원자분자 (X 2) 로존재하며, 특유의색깔과독성을가진다. 2 할로겐은다른원자로부터전자 1개를받아 -1의음이온이되려는성질 ( 산화력 ) 이강하다. 산화력의세기 : F 2 > Cl 2 > Br 2 > I 2 3 할로겐은알칼리금속과반응하여염을생성한다. 할로겐원소는반응성이커서대부분과금속과반응하여소금과비슷한염을만든다. 2Na(s) + Cl 2(g) 2NaCl(s) 4 할로겐은수소와반응하여무색의자극성기체인할로겐화수소를만든다. 할로겐화수소의산성은 HF HCl < HBr < HI 이다. H 2 + F 2 2HF 암실에서도폭발적으로반응 H 2 + Cl 2 2HCl 햇빛존재하에폭발적으로반응 H 2 + Br 2 2HBr 가열하면서서히반응 H 2 + I 2 2HI 촉매를넣고가열하면서서히반응 염소의제법 물과진한황산의위치가바뀌면수증기가탈수되지못해염소기체가수증기와함께나온다. - 72 -
할로겐의반응성비교 1 할로겐분자 > 할로겐화합물 ( 할로겐화이온 ) : 반응성이자은할로겐의화합물과반응성이큰할로겐분자가반응하여반응 성이큰할로겐분자가전자를빼앗아환원되어음이온으로되고, 반응성이작 은할로겐의분자가생성된다. Cl 2 (g) + 2KBr(aq) 2KCl(aq) + Br 2 (l) Br 2(l) + 2I - (aq) 2Br - (aq) + l 2(s) 할로겐 할로겐화합물 반응성립 ( 할로겐화이온 ) 2 반응성이큰할로겐화합물과반응성이작은할로겐분자는반응하지않는다. Br 2 + 2KCl 3 할로겐의반응성으로해석하는산화, 환원 1 반응성 : Cl > Br 2 산화 : Br - 3 환원 : Cl 2 4 산화제 : Cl 2 5 환원제 : Br - 6 산화력 : Cl > Br 7 환원력 : Br > Cl - 73 -
할로겐이온의검출 F - 를제외한할로겐화이온들은은이온 (Ag + ) 과만나물에녹지않는앙금을생성한다. Ag + (aq) + Cl - (aq) AgCl(s) ( 흰색앙금 ) Ag + (aq) + Br - (aq) AgBr(s) ( 연한노란색앙금 ) Ag + (aq) + I - (aq) AgI(s) ( 노란색앙금 ) 원자번호가증가할수록분자의색도진해지고앙금의색도진해진다. 할로겐의성질과용도 종류 성질 이용 플루오르 (F 2) 치약, 구강세정제의성분으로사용담황색기체이며, 매우 플루오르화합물인테플론은주방용기유독하다. 의코팅제 염소 (Cl 2) 황록색의자극성기체이다. 수돗물과수영장에서물의소독을위해사용 표백제의성분으로이용 브롬 ((Br 2) 적갈색액체이고, 자극적인 AgBr은감광성이있어서사진필름에기체가발생된다. 이용 요오드 (I 2) 흑자색의승화성고체이며, 녹말의검출에사용갑상선호르몬의생성에 소독약인요오드팅크의성분으로사용필요한성분이다. 금속원소와비금속원소금속원소는전자를잃고양이온으로되기쉬운원소이고, 비금속원소는전자를얻어음이온으로되기쉬운원소이다. 자연계에존재하는 100여종의원소중에서헬륨 (He), 네온 (Ne) 과같은비활성기체원소와플루오르 (F), 염소 (Cl) 와같은할로겐원소그리고수소 (H), 산소 (O), 황 (S) 등을제외한나머지 80여종은대개금속원소이다. Al, Zn, Pb, Sn 은양쪽성원소라고한다. - 74 -
대표유형문제 1 그림은할로겐원소 A~D 로구성된이원자분자 A ~ D 의녹는점과끓는점을나타낸것이다. 이에대한설명으로옳은것만을 < 보기 > 에서있는대로고른것은? < 보기 > ㄱ. 25 에서분자간의인력은 A > D 이다. ㄴ. 25 에서액체로존재하는것은 C 이다. ㄷ. B 기체가들어있는용기에 NaD 수용액을적신솜을넣으면 D 가생 성된다. 1 ㄱ 2 ㄷ 3 ㄱ, ㄴ 4 ㄴ, ㄷ 5 ㄱ, ㄴ, ㄷ 다음은 대표유형문제 2 할로겐원소의반응성을알아보기위한실험이다. [ 실험 ] ( 가 ) 염소 (Cl 2 ) 기체가들어있는용기에 NaX 수용액을적신솜 A 를넣었더니, 염소는모두반응하였고 A 의색이옅은갈색으로변하였다. ( 나 ) 과정 ( 가 ) 의용기에 NaY 수용액을적신솜 B 를넣었더니, A 의옅은갈색이없어졌고 B 의색이변하였다. 이에대한설명으로옳은것을 < 보기 > 에서모두고른것은? ( 단, X 와 Y 는임의의할로겐원 소이다.) ㄱ. ( 가 ) 에서 X 이온이산화된다. ㄴ. ( 나 ) 에서 Y 이온이환원된다. < 보기 > ㄷ. 반응성의크기는 Cl 2 > Y 2 이다. 1 ㄱ 2 ㄴ 3 ㄱ, ㄷ 4 ㄴ, ㄷ 5 ㄱ, ㄴ, ㄷ - 75 -
수능개념 Chem is Try! - with TOTO 16 강금속의반응성 1 화학의체계적완성김철준 금속의반응성은금속과금속이온의반응유무를결정한다. 금속이산과반응하거나금속이온과반응하 기위해서는반응성이큰금속이산화가되어야한다. 이때용액의색이변하거나용액의밀도나금속판 의질량이변할수있다. 산화와환원 산화와환원 산화제와환원제 산화 CuSO 4 + Zn Cu + ZnSO 4 산화제환원제환원산화 환원은항상동시에일어나므로산화되는물질이다른물질을환원시키는역할을한다. 1. 산화제 : 자신은환원되면서다른물질을산화시키는물질 2. 환원제 : 자신은산화되면서다른물질을환원시키는물질. 여러가지산화 환원반응 1. 금속과산소와의반응 : 2Mg + O 2 2MgO 2. 금속과물과의반응 : 2K + 2H 2O 2KOH + H 2 3. 금속과산과의반응 : Mg + H 2SO 4 MgSO 4 + H 2 4. 연소반응 : CH 4 + 2O 2 CO 2 + 2H 2 O + 빛과열 5. 금속의부식 : 4Fe + 3O 2 + 6H 2O 2Fe 2O 3 6H 2O 6. 금속의제련 : Fe 2O 3 + 3CO 2Fe + 3CO 2-76 -
금속의반응성 금속의반응성 ( 이온화경향 ) 왼쪽으로갈수록이온화경향이크다. = (+) 이온이되기쉽다. = 전자버리기쉽다. = 금속성이크다. = 산화되기쉽다. 산, 물과의반응으로금속의반응성비교 * 금속의반응성측정실험 반응성의크기와반응유무 1. 반응성이작은금속의이온 (P + ) 이포함된수용액과반응성이큰금속 (E): 산화 환원반응이일어난다. 반응성 : P > E P + (aq) + E(s) P(s) + E + (aq) Zn > Cu Cu 2+ (aq) + Zn(s) Cu(s) + Zn 2+ (aq) 2. 반응성이큰금속의이온 (N + ) 이포함된수용액과반응성이작은금속 (T): 반응이일어나지않는다. 반응성 : N > T N + (aq) + T(s) 반응이일어나지않는다. Zn > Cu Zn 2+ (aq) + Cu(s) 반응이일어나지않는다. - 77 -
반응의유무확인법반응의유무를확인하면금속의반응성의크기를비교할수있다. 1. 용액의색변화일반적으로이온은무색이다. 일부이온들이색을갖는데대표적으로 Cu 2+ 는푸른색, MnO - 4 는보라색 Fe 3+ 는황갈색을띤다. 2. 용액의밀도변화용액의밀도는성분금속이온의상대적질량 ( 원자량 ) 에따라달라진다. 이온의원자량이커지는경우에는용액의밀도가증가하고작아지는경우에는용액의밀도가감소한다. 3. 금속판의질량변화반응하는금속과이온의차수가같은경우, 금속판의질량이증가하면석출되어나오는금속의상대적질량이이온으로들어가는금속의상대적질량보다크다. 금속판의질량이변한것으로반응이일어났음을확인할수있다. 4. 용액의이온수변화반응후에용액의이온수변화를통해반응의유무를확인할수있다. 반응후용액의이온수가감소했다면석출되어나오는금속보다이온으로들어가는금속의차수가더크다. 아연과구리이온의반응 위반응해석하기 1 Zn이산화되어 Zn 2+ 의농도가증가한다. 2 Cu 2+ 이온의농도가감소하여용액의푸른색이옅어진다. 3 Cu가석출되어아연판의끝이붉게변한다. 4 염화이온은구경꾼이온으로거의반응하지않는다. 5 아연의원자량이구리보다약간크므로금속판의질량이조금감소한다. 6 상대적질량은구리이온 (Cu 2+ ) 이아연이온 (Zn 2+ ) 보다작으므로용액의밀도는증가한다. - 78 -
대표유형문제 1 그림은질량이같은금속판 A 와 B 를일정량의 CSO 를녹인수용액 에각각넣었을때, 시간에따른금속판의질량을나타낸것이다. ( 단, 임의의금속 A, B, C 의양이온은모두 2 가이고, 금속판 A, B 는반응하기에충분한양이다.) 이에대한설명으로옳은것만을 < 보기 > 에서있는대로고른것은? < 보기 > ㄱ. 반응성의크기는 A > C 이다. ㄴ. 원자의상대질량은 B > A 이다. ㄷ. 수용액의밀도는모두감소한다. 1 ㄱ 2 ㄷ 3 ㄱ, ㄴ 4 ㄱ, ㄷ 5 ㄴ, ㄷ 대표유형문제 2 다음은어떤금속 A, B 의반응성을알아보는실험이다. [ 실험 ] Ⅰ. 금속 A를묽은염산에담갔더니기체가발생하였다. Ⅱ. 금속 A를황산구리 (Ⅱ) 수용액에담갔더니수용액의밀도가감소하였다. Ⅲ. A 이온수용액에금속 B를담갔더니수용액의밀도가감소하였다. 이에대한설명으로옳은것만을 < 보기 > 에서있는대로고른것은? ( 단, 금속 A 의이온은 +2 가이다.) < 보기 > ㄱ. 실험 Ⅰ 에서기체가발생하는동안용액의 ㄴ. 원자의상대질량은구리가 A 보다작다. ㄷ. B 는구리보다산화되기쉽다. 양이온수음이온수는감소한다. 1 ㄱ 2 ㄴ 3 ㄱ, ㄷ 4 ㄴ, ㄷ 5 ㄱ, ㄴ, ㄷ - 79 -
수능개념 Chem is Try! - with TOTO 17 강금속의반응성 2 화학의체계적완성김철준 금속은양이온과자유전자의결합으로이루어진물질로자유전자로인한여러가지특징을가지고있다. 금속이보여 주는여러가지특징에대해정리해본다. 금속의성질 1. 금속결합 금속결합 금속은금속의양이온과자유전자로이루어져있으며, 전기적인인력으로결합되어있다. 1 금속의양이온 : 금속원자의원자가전자들은쉽게금속에서떨어져나가므로금속원자는금속양이온으로존재한다. 2 자유전자 : 금속원자에서떨어져나온전자는한원자에속박되어있지않고자유롭게이동이가능하다. 2. 금속의결합력금속의결합력은금속의녹는점과비례한다. 1 금속의차수 : 금속의차수가클수록자유전자와의인력이강해지므로금속결합력이강해진다. ex) Mg > Na 2 금속의크기 ( 주기 ) : 금속의차수가같은경우주기가클수록 ( 원자의크기가클수록 ) 양이온과자유전자사이의거리가멀어져인력이작아지므로결합력이작아진다. ex) Na > K 금속의성질 금속의성질로는연성 전성, 열 전기전도성, 은백색의광택이있으며, 금속의성질이나타나는이유는자유전자때문이다. 1. 연성 전성 2. 열 전기전도성 3. 은백색의광택자유전자가모든파장의빛을흡수한후에, 다시모든파장의빛을방출하기때문에은백색의광택이난다. 하지만예외적으로선별적인반사를해서특유의색을나타내는금속도있다. 금-노란색, 구리-붉은색이대표적인예이다. - 80 -
금속의발견과이용 금속의사용 ( 가 ) 지각의존재비율 ( 나 ) 금속의사용순서 1. 금 (Au) 1) 발견 : 매장량은적지만반응성이작아순수한금을얻기쉬워가장오래전부터이용됨 2) 성질과이용 : 아름다운광택, 변하지않는성질 ( 장신구, 귀금속 ) 전성과연성이큼 ( 금박, 금사 ) 높은전기전도성 ( 전자회로 ) 변하지않는성질 ( 치과재료 ) 2. 구리 (Cu) 1) 발견 : 반응성이작고광석의녹는점도낮아가장먼저제련되어사용함 2) 제련 : 황동석 (CuFeS 2) 에코크스 (C) 와규사 (SiO 2) 를넣고가열하여얻은황화구리 (Ⅰ)(Cu 2S) 에공기를불어넣어구리를얻는다. (Cu 2S +O 2 2Cu + SO 2) 철의제련철은적철석 (Fe 2 O 3 ), 자철석 (Fe 3 O 4 ) 등의산화철형태의광석으로존재한다. 반응성이크고, 광석의녹는점이높아제련하기어렵기때문에구리보가존재량은많지만제련하여이용하는시기는늦었다. 철의제련은용광로에철광석인적철광 (Fe 2 O 3 ) 과자철광 (Fe 3 O 4 ) 을코크스 (C), 석회석 (CaCO 3) 과함께넣고가열한다. 2C + O 2 2CO Fe 2 O 3 + 3CO 2Fe + 3CO 2 Fe 3 O 4 + 4CO 3Fe + 4CO 2 CaCO 3 CaO + CO 2 CaO + SiO 2 CaSiO 3 ( 슬래그 ) 철의제련과정에서쓰이는물질들의역할 1 코크스 (C) 의역할코크스는본래환원력을가지고있으며, 용광로에서불완전연소하면일산화탄소 (CO) 가된다. 생성된일산화탄소는코코스보다환원력이세므로철을환원시키는역할을한다. 2 석회석 (CaCO 3) 의역할열분해되어생성된산화칼슘 (CaO) 이철광석에포함된불순물인이산화규소 (SiO 2) 와반응하여슬래그를만든다. 따라서석회석은불순물을제거하는역할을한다. CaCO 3 CaO + CO 2 + SiO 2 CaSiO 3 ( 슬래그 ) - 81 -
알루미늄의용융전기분해 알루미늄광석인보크사이트에서산화알루미늄 (Al 2 O 3 ) 을얻은후빙정석 (Na 3 AlF 6 ) 과함께용융전기분해한다. (+) 극 : 3O 2- O2 + 6e - ( 산화 ) (-) 극 : 2Al 3+ + 6e - 2Al ( 환원 ) 알루미늄 (Al) 의이용시기와성질지각중매장량이가장많지만반응성이매우커제련하기어려워이용시기가가장늦다. 알루미늄은높은전기전도성을가지고있으며밀도가작아고압송전선에사용된다. 또한쉽게산화되어산화알루미늄피막형성하므로건축자재로쓰이며, 알루미늄의합금인두랄루민은가볍고단단하여비행기동체로사용된다. 빙정석을넣는이유산화알루미늄의녹는점은 2054 이지만빙정석을넣으면 900 정도까지녹는점이낮아져용융시키기쉽기때문이다. 금속의반응성이용 금속의은도금 1. 도금을하기위해서는도금할물체를직류전원의 (-) 극에연결하고, 표면에입히고싶은금속을 (+) 극에연결한후, 표면에입히고싶은금속이온을포함하는전해질수용액속에담궈전기분해를해야한다. 이때약한전류로천천히전기분해해야치밀하고튼튼한도금을할수있다. 2. 전기도금과전자의이동 : 전자는전원장치의 (-) 극에서나와 (+) 극으로이동한다. 따라서 (+) 극에연결된금속은전자를내놓는반응 ( 산화 ) 이일어나고, (-) 극에연결된금속은전자를얻는반응 ( 환원 ) 이일어난다. - 82 -
구리의순도를높이는정제 1. 제련된구리에는불순물이많으므로전기분해하여순수한구리를얻는다. 이때불 순물이포함된구리를 (+) 극으로하고, 순수한구리를 (-) 극으로하여황산구리수 용액에넣고전기분해한다. 2. (+) 극에서는전자를잃는산화반응이일어나며, 구리와구리보다반응성이큰금속들 ( 철, 아연, 니켈 ) 이산화되어이온으로나온다. 구리보다반응성이작은금속들 ( 금, 은, 백금 ) 은산화되지않고원자상태그대로 (+) 극의바닥에찌꺼지로떨어진다. (-) 극으로는구리만환원되어나가고반응성이큰금속들은이온상태로용액속에존재한다. - 83 -
대표유형문제 1 그림에서 ( 가 ) 는금속에전압을걸어줄때의변화를, ( 나 ) 는힘을가할때의변화를모형으로 나타낸것이다. 이모형에대한설명으로옳은것을 < 보기 > 에서모두고른것은? < 보기 > ㄱ. A 는금속의양이온이고, B 는음이온이다. ㄴ. ( 가 ) 에서 A 는 (-) 극, B 는 (+) 극으로이동한다. ㄷ. 금속의연성과전성은 ( 나 ) 로설명할수있다. 1 ㄱ 2 ㄷ 3 ㄱ, ㄴ 4 ㄴ, ㄷ 5 ㄱ, ㄴ, ㄷ 대표유형문제 2 그림은철의제련과대기중에서부식과정의일부를나타낸것이다. 이에대한설명으로옳은것은? 1 CO는철의제련과정에서촉매로사용된다. 2 화합물 A는철과탄소로구성된화합물이다. 3 과정 ( 가 ) 는상온에서진행된다. 4 과정 ( 가 ), ( 나 ) 에서산화 환원반응이일어난다. 5 철에주석조각을부착하면과정 ( 나 ) 가억제된다. - 84 -
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수능개념 Chem is Try! - with TOTO 18 강금속과우리생활 1 화학의체계적완성김철준 철에녹이생기는것과같은금속의산화는철을오랫동안사용할수없게하는이유가된다. 산화가잘 일어나는조건의실험은산화를방지하는방법을알수있게한다. 금속의부식 공기중철의부식 철의산화과정 철이산화되어전자를잃고 Fe 2+ 가된다. 철이내놓은전자와물, 산소가반응하여 OH - 가된다. 2Fe 2Fe 2+ + 4e - ( 산화 ) O 2 + 2H 2O + 4e - 4OH - ( 환원 ) 2Fe(s) + O 2(g) + 2H 2O(l) 2Fe 2+ (aq) + 4OH - (aq) 철의산화실험 1. O 2 의영향비교 : A와 C 2. H 2O의영향비교 : A와 D 3. O 2 와 H 2O의영향비교 : A와 E, F 4. 다른금속의영향 : 1반응성이큰금속 - A와 G, 2 반응성이작은금속 - A와 H 5. 전해질의영향비교 : A와 I - 86 -
전자를공급하는음극화보호 철보다반응성이큰금속을부착하거나도선으로연결하여철대신산화시켜철의부식을막는방법 음극화보호의원리 1 반응성이큰마그네슘이산화되어전자를내놓는다. 전지의음극 (-극) 과같은역할이다. 따라서음극화보호라고한다. 2 마그네슘이모두산화되면교체한다. 이렇게마그네슘이희생되어철이녹스는것을막는다는뜻에서마그네슘을 희생금속 이라고부르기도한다. 3 전자는마그네슘막대에서철 (Fe) 쪽으로이동하여철의부식반응을억제한다. 4 토양은전해질과같은역할을하여생성된 Mg 2+ 은토양이흡수한다. 금속의반응성과산화방지 K>Ca>Na>Mg>Al>Zn> Fe >Ni>Sn>Pb>(H)>Cu>Hg>Ag>Pt>Au 음극화보호의예 주유소의기름탱크나철재가스관의부식방지, 그리고배밑에아연덩어리등을부 착하여철의부식을방지한다. 모두반응성이큰금속이먼저산화되어철의부식을 방지하는형태이다. - 87 -
물과산소를차단하는산화방지 1 철의표면에페인트칠, 기름칠을한다. 2 도금 : 철의표면에다른금속을입힌다. 이름 양철 ( 주석도금 ) 함석 ( 아연도금 ) 방법 철보다반응성이작은주석으로도금 철보다반응성이큰아연으로도금 원리 아연이먼저산화되어탄산아연의주석은반응성이작고산에강하므로치밀한피막을만들어내부의철을내부의철을보호한다. 보호한다. 손상 표면에흠집이생기면반응성이큰철이주석보다먼저산화되므로철의부식이빨라짐 표면에흠집이생겨도반응성이큰아연이철보다먼저산화되므로철이보호됨 Fe Fe 2+ + 2e - 산화 Zn Zn 2+ + 2e - 산화 O 2 + 2H 2O + 4e - 4OH - 환원 O 2 + 2H 2O + 4e - 4OH - 환원 모형 부동태형성과합금 1 부동태알루미늄은공기중에서산화하여단단한산화물의피막을형성하여스스로내부를보호한다. 이에비해철은산화되면내부까지계속부식된다. 2 합금철과다른금속을섞어철의성질을변화시키는방법이다. 철에크롬이나니켈을섞어만든스테인리스강은녹이잘슬지않고광택이유지되며, 열이나산에강한성질을가진다. 스테인리스강은파이프, 수술기구나조리기구, 식기등여러용도로사용된다. - 88 -
대표유형문제 1 소금물과물이담긴비커에흠집이생긴양철과함석을넣고관찰하였더 니, 그림과같이철의부식이물보다소금물에서, 함석보다양철에서심하게일어났다. 이에대한옳은설명을 < 보기 > 에서모두고른것은? < 보기 > ㄱ. 반응성의크기는아연 > 철 > 주석순이다. ㄴ. 전해질수용액에서는부식이더빠르게진행된다. ㄷ. 양철에흠집이생기면철보다주석의부식이심하다. ㄹ. 함석에흠집이생기면아연보다철의산화가빠르게진행된다. 1 ㄱ, ㄴ 2 ㄱ, ㄷ 3 ㄴ, ㄷ 4 ㄴ, ㄹ 5 ㄷ, ㄹ 대표유형문제 2 그림 ( 가 ) 는아연판을 ASO 수용액에넣은것을, 그림 ( 나 ) 는아연과금속 A 를 도선으로연결하여 H SO 수용액에넣은것을나타낸것이다. ( 가 ) 에서아연판표면에금속 A가석출되었다면, ( 가 ) 와 ( 나 ) 에대한옳은설명을 < 보기 > 에서모두고른것은? ( 단, A는임의의원소기호이다.) < 보기 > ㄱ. 금속 A는 Zn 보다반응성이작다. ㄴ. ( 나 ) 에서아연판의질량은감소한다. ㄷ. ( 가 ) 와 ( 나 ) 에서 SO 의수는변하지않는다. 1 ㄱ 2 ㄱ, ㄴ 3 ㄱ, ㄷ 4 ㄴ, ㄷ 5 ㄱ, ㄴ, ㄷ - 89 -
수능개념 Chem is Try! - with TOTO 19 강금속과우리생활 2 화학의체계적완성김철준 금속의혼합물을만들어성질을변화시키는것을합금이라고한다. 혼합하는비율에따라새로운성질 이생기므로활용폭이넓다. 금속중일부중금속은생물체내에물질대사에참여하지않아생물농축 되므로최상위영양단계인인류에큰위협이된다. 합금과금속의이용 일반적인합금의특성과용도 합금특성용도 청동 (Cu+Sn) 순수한구리보다단단하다. 종, 동상, 톱니바퀴 황동 (Cu+Zn) 백동 (Cu+Ni) 두랄루민 (Al+Cu+Mg) 스테인리스강 (Fe+Ni+Cr+C) 땜납 (Sn+Pb) 아말감 (Hg+Ag+Sn) 광택이있고색상이아름답다은빛을내며녹이슬지않는다가볍고강하다. 녹이슬지않고약품에강하다. 녹는점이납과주석보다낮고단단하다. 다루기쉽고부식에강하다. 금관악기, 동전, 놋그릇은화, 장식품, 화장품자동차, 항공기부품주방용기, 산업용기용접치과치료용 실생활에서의금속의이용 1. 녹는점이낮아지는합금을이용 땜납 2. 저항이커지는합금의이용 니크롬 3. 밀도가작은성질을이용 두랄루민 4. 가공이쉬운성질을이용 아말감 5. 강하고녹슬지않는성질을이용 스테인레스 6. 저항이작아지는성질을이용 초전도합금 - 90 -
신소재합금 형상기억합금 특정온도에서형상을기억하고있어형태가변형되더라도그온도가되면본래의 모양으로되돌아오는성질을가진합금. 용도 : 치열교정용와이어, 파이프의이음매, 안경테, 화재경보기, 파라볼라안테나 형상기억합금의원리일반적인금속들은힘을가하면모양이바뀌며, 원래상태로되돌아가지않는다. 이것은금속의내부에서원자사이의결합이끊어져처음과는다른원자와결합을하기때문이다. 그러나형상기억합금이일종인니티놀의경우원하는모양을만들어고정한채 400~500 의고온에 30분간방치한후냉각시키는데, 합금은그모양을기억한다. 그리고원자들의결합에여유가있어힘을가해도원자의결합을유지한채변형이되므로일정한온도이상으로가열하면원래의모양으로되돌아갈수있다. 수소저장합금금속원자들사이에수소를원자상태로저장하는합금으로고압의수소탱크보다안전하게많은양의수소를저장한다. 대표적인수소저장합금에는철-티타늄 (Fe-Ti), 란탄-니켈 (La-Ni) 등이있다. 용도 : 수소의저장과운반, 연료전지, 냉 난방장치 ( 저장, 흡수할때 ( 난방 ), 사용, 방출할때 ( 냉방 )) 수소저장합금의원리수소저장합금 (M) 이수소 (H 2) 와결합한상태를금속수소화물 (MH) 이라고한다. 수소저장합금은수소를흡수하여금속수소화물이되는과정에서열이방출되며반대로온도를높여주면금속수소화물이분해하여수소를방출한다. 즉수소를흡수하는과정은발열과정이고, 수소를방출하는과정은흡열과정이다. 작은수소원자가합금틈에들어가결합할수있으므로수소저장합금은자신의 1000배정도의수소를흡수하여저장할수있다. - 91 -
저항이 0인초전도합금보통금속은온도가내려가면저항이줄어들지만저항이 0이되지는않는다. 초전도합금은어떤온도이하에서저항이 0이되는초전도현상을나타내는합금이다. 용도 : 자기부상열차, 자기공명장치, 슈퍼컴퓨터등 초전도현상원리어떤종류의금속이나합금을일정온도이하로냉각시켰을때전기저항이갑자기소멸하는현상이다. 초전도현상이일어나는온도는금속에따라다른데, 수은은 4.2K에서주석 (Sn) 과니오브 (Nb) 의어떤종류의합금에서는 18K에서초전도현상이나타난다. 중금속 중금속의생물농축중금속 : 밀도가 4.0g/cm 3 이상인금속으로, 인체에영향을미치는중금속으로는수은 (Hg), 카드뮴 (Cd), 납 (Pb), 크롬 (Cr) 등이있다. 중금속의축적 인체에흡수된중금속은지방세포또는단백질세포등과강하게결합되어잘배설되지 않고축적되며, 먹이사슬에서상위단계로갈수록축적량이많아진다. - 92 -
여러가지중금속과그피해 중금속용도피해 수은카드뮴납크롬 온도계, 기압계, 전지, 형광등, 치과용품전지, 색소, 도금플라스틱페인트, 땜납, 가솔린의첨가제, 자동차배터리잉크, 페인트, 복사기의토너, 고무및가죽제품 뇌, 신장, 임신에나쁜영향을주며, 특히수은증가는뇌에심한피해를주어심각한신경장애를유발한다 ( 미나마타병 ) 위장장애, 신장질환, 골연화증및골다공증, 심하면심한통증과함께뼈의붕괴를일으킴 ( 이타이이타이병 ) 뼈와치와에축적, 유산이나저체중아출산, 지능저하, 신경및신장장애유발높은농도에단기간노출되면피부궤양및코점막자극, 암유발, 신장과간기능장애유발 - 93 -
대표유형문제 1 그림은실생활에서사용되고있는세가지금속소재 A~C 의특성을나타낸것이다. 이금속의이용에대한설명으로옳은것만을 < 보기 > 에서있는대로고른것은? < 보기 > ㄱ. 항공기동체와같은경량소재로는 C보다 A가적합하다. ㄴ. 전열기발열소재로는 B가가장적합하다. ㄷ. 가정용전선재료로는 C가가장적합하다. 1 ㄱ 2 ㄷ 3 ㄱ, ㄴ 4 ㄴ, ㄷ 5 ㄱ, ㄴ, ㄷ 대표유형문제 2 다음은어느과학잡지의내용중일부이다. 연료전지는연료와산소를전기화학적으로반응시켜에너지를생산하는시스템이다. 화석연료의고갈및환경오염문제가심화되면서무공해청정에너지를생산할수있는연료전지가에너지문제를해결할수있는대안으로전망된다. 그러나연료전지에사용하는연료를안전하고효율적으로보관하기위한장치가미흡하여산업및가정에서의활용도가낮은실정이다. 이자료에제시된연료전지의문제점을해결하기위한금속재료로가장적당한것은? 1 수소저장합금 2 초전도합금 3 열전재료 4 초경량합금 5 형상기억합금 - 94 -
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수능개념 Chem is Try! - with TOTO 20 강탄화수소 1 화학의체계적완성김철준 원유의분리와이용 탄화수소와석유탄소화합물이란탄소 (C) 와수소 (H) 를기본으로하여 O, N 등의원소로이루어진유기 ( 有機 ) 화합물이다. 이중탄소와수소로만이루어진물질을탄화수소라하며유기물이란탄소를포함하는물질로 CO 2, CO, CN-등의화합물은제외하고말한다. 원유 ( 유기화합물 ) 촉매분해 나프타 ( 단순화합물 ) 화학반응 가솔린, 윤활유, 플 라스틱, 합성고무, 합성섬유등 탄화수소의기본성질 1) 탄소는결합을형성하는결합선이 4개이다. 1 한개의탄소 (C) 원자는주변에 4개의결합선을가지며결합선이이중이나삼중으로결합이가능하므로다양한모양의화합물을만들수있다. 2 사슬모양, 가지모양등으로복잡한모양이가능하며고리를형성하여같은탄소수를갖아도전혀다른모양을만들수있다. 2) 분자간인력이작아녹는점끓는점이낮다. : 탄소와수소로만이루어진탄화수소는무극성물질이라분자간인력이작으나탄소수가많아지면분자의상대적질량이커져서녹는점, 끓는점이높아진다. 3) 분자간인력은작으나원자간의공유결합이강하여반응성은작다. : 탄소는비교적안정한원소이고원자간결합이강하여반응성이작다. 4) 탄소와수소로만이루어진탄화수소는모두무극성화합물이다. : 무극성인탄화수소는물에잘용해되지않는다. 5) 완전연소하면이산화탄소와수증기가발생한다. : 탄소는연소하면이산화탄소로수소는연소하면물이된다. - 96 -
원유의분별증류원유는액체탄화수소들이섞인혼합물로그대로이용할수없다. 따라서물질의특성중끓는점의차이를이용하여혼합물들을분리하여필요한용도에맞게사용하고있다. 아래로갈수록 = 나중에분리 = 끓는점이높다 = 분자간의인력 = C수가증가 = 연소시그을음多 = 불완전연소 크래킹 (cracking = 열분해 ( 熱分解 )) 분자의질량이큰분자 (C-C 사슬이긴 ) 에열을가해 C-C 결합을끊어질량이작은 (C-C 사슬이짧은 ) 분자를얻는공정을크래킹 (cracking) 이라한다. 원유로부터얻은물질중석유화학공업의기초가되는나프타를크래킹하여에텐 (C 2 H 4 ), 프로펜 (C 3 H 6 ), 부타디엔 (C 4 H 6 ) 등과같은탄소수가적은분자를얻어석유화학공업의원료로이용한다. 리포밍 (reforming = 개질 ( 改質 ) 사슬모양의탄화수소를같은탄소수를가지는고리모양의탄화수소로전환시키는고정 을리포밍 (reforming) 이라고한다. 나프타를리포밍하여양질의가솔린 ( 휘발유 ) 을얻을수 있다. - 97 -
탄화수소의분류 탄화수소의분류 탄화수소의분류기준 1. 모양에따른분류 1 사슬모양탄소원자들이쭉이어져사슬모양으로기다랗게결합한것. 직선형처럼보이지만지그재그형이된다. 2 고리모양탄소원자들이고리모양으로둥글게결합한것 2. 결합종류에따른분류 1 포화탄화수소탄소의주결합선이모두단일결합이고다른결합선에모두수소가포화되어있는형태, C n H 2n+2 2 불포화탄화수소탄소의주결합선에이중결합이나삼중결합이있는탄화수소, 결합선이 1개증가하면수소의수가 2개적어진다. 3. 벤젠고리의유무에따른분류 1 지방족탄화수소벤젠고리를가지고있지않는탄화수소 2 방향족탄화수소벤젠고리를가지고있는탄화수소 - 98 -
탄화수소의분류 분류의기준 3 가지 1) 모양에따른분류 사슬모양 & 고리모양 C 5H 12 C 6H 12 C 6H 6 2) 결합의종류에따른분류 포화 & 불포화 C 3H 8 C 3H 6 3) 벤젠고리의유무 방향족 & 지방족 1) 탄소수에따른어미읽기 탄화수소의명명법 2) 탄화수소명명법 - 99 -
대표유형문제 1 그림은원유를분리하는분별증류탑의구조와분리되는물질 A ~ F 의끓는점을나 타낸것이다. 이에대한설명으로옳지않은것은? 1 A ~ F는모두혼합물이다. 2 A는기체상태로분리된다. 3 E를크래킹하여 B를얻을수있다. 4 증류탑 ( 가 ) 부분의온도는 300 보다높다. 5 원유는물리적변화를이용하여분리된다. 대표유형문제 2 그림은탄소수가 5 개인서로다른탄화수소를주어진기준에따라분류한것이다. 이에대한설명으로옳은것을 < 보기 > 에서모두고른것은? ( 단, A~E는각각제시된 5개의탄화수소중하나이다.) < 보기 > ㄱ. B와 C는분자식이같다. ㄴ. D는첨가반응을한다. ㄷ. E는지방족포화탄화수소이다. 1 ㄱ 2 ㄴ 3 ㄱ, ㄷ 4 ㄴ, ㄷ 5 ㄱ, ㄴ, ㄷ - 100 -
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. 수능개념 포화탄화수소 Chem is Try! - with TOTO 21 강탄화수소 2 알칸 (alkane) 화학의체계적완성김철준 탄소원자사이에모두단일결합만으로이루어진사슬모양의탄화수소를통틀어알칸이라고한다. C n H 2n+2 의일반식을갖고, 탄소수의어미에 -안 을붙여명명한다. 알칸 (alkane) 의성질 1) 알칸은화학적으로안정하여반응성이매우작다. 2) 알칸은무극성물질로물에녹지않고, 벤젠이나기름과같은유기용매에잘녹는다. 3) 탄소수가 4개이상인알칸은분자식은같으나화학적, 물리적으로성질이다른구조이성질체가존재한다. 4) 알칸의동족체는화학적성질과물리적성질이유사하며탄소원자수가많아질수록분자사이의인력이커져서녹는점과끓는점은높아진다. 탄소원자수가 5~15개까지는상온에서액체로존재하며 16개이상의탄소를가지는알칸은고체상태로존재한다. 5) 알칸은결합각 109.5 의입체구조를가지고있다. - 102 -
메탄의구조와성질 1) 메탄은천연가스 (LNG) 의주성분으로색, 맛, 냄새가없으며, 극성이작아물에거의녹지않는다. 공기보다가벼운기체이며, 연소하면많은열이발생하므로도시가스로이용되고있다. 2) 탄소원자가중심에있는정사면체구조로결합과결합사이의각도는 109.5 를이룬다. 알칸의반응 알칸은화학적으로매우안정하여상온에서는쉽게반응하지않는다. 또한극성이작아물에녹지않고, 다른극성물질이나산 염기, 산화제등과도반응하지않는다. 알칸은햇빛존재하에서결합선은그대로유지한채수소원자가다른원자로바뀌는반응을치환반응이라고한다. 연소시이산화탄소 (CO 2 ) 와물 (H 2 O) 이생성된다. 이때많은열에너지가방출되므로탄소 수가적은알칸은연료로사용된다 - 103 -
시클로알칸 (cycloalkane) 고리모양의모두단일결합으로구성되어있는포화탄화수소이고, 탄소원자한개에결합하는수소원자는 2개이다. 시클로알칸은탄소원자수 3개이상부터존재한다. 시클로알칸의화학적성질은탄소수가같은알칸의성질과비슷하다. 따라서시클로알칸은밀도가작아물위에뜨며, 물에는거의녹지않고무극성용매에잘녹는다. 시클로알칸의반응 탄소수가 5개이상의시클로알칸은결합각이 109.5 에가까워지므로안정하여치환반응을한다. 탄소수가 3개와 4개인시클로알칸 (C 3H 6, C 4H 10) 은결합각이 109.5 보다크게작아불안정하여결합선이끊어지면서첨가반응을한다. - 104 -
불포화탄화수소 알켄 (Alkene) 탄소원자사이에이중결합 (C=C) 한개를가지는사슬모양의불포화탄화수소이다. 일반식은 CnH 2n(n 2) 이며, 탄소수의어미에 -엔 을붙여명명한다. 그러나현재에는관용명을많이사용하고있다. 분자내에존재하는모든원자들이동일평면상에존재하며 ( 평면삼각형구조 ), 결합 각은 120 이다. 에텐 ( 에틸렌 ) 의구조와성질 에탄올, 아세트알데히드, 폴리에틸렌의합성원료로쓰이며, 토마토와바나나같은과 일의숙성을빠르게해주는식물호르몬으로도이용된다. 공업적으로는나프타의크래킹으로생성되고, 실험실에서는에탄올을진한황산과함께 160-170 로가열하여얻는다. 에텐 ( 에틸렌 ) 의제법 진한H 2SO 4 C 2 H 5 OH C 2 H 4 + H 2 O 160-170 - 105 -
에텐 ( 에틸렌 ) 의반응 1) 브롬수첨가반응 ( 브롬수탈색반응 ): 적갈색의브롬수에알켄을통과시키면첨가반응이일어나브롬수가탈색된다. 브롬수탈색반응은상온에서도쉽게일어나므로불포화탄화수소 ( 알켄 & 알킨 ) 을확인하는간단한방법이다. 2) 수소첨가반응 : 알켄에수소를첨가하면알칸이생성된다. 3) 물첨가반응 : 에텐에물을첨가하면에탄올이생성되는데, 이반응을이용하여 공업적으로에탄올을합성한다 4) 치환반응 5) 중합반응 알켄분자의 C=C 이중결합이끊어지면서다른알켄분자와결합하여긴탄소사슬을 가진화합물 ( 고분자 ) 이생성되는반응을첨가중합반응이라고한다. - 106 -
알킨 (Alkyne) 탄소원자사이에삼중결합 (C C)1 개를가지는사슬모양의불포화탄화수소이다. C nh 2n-2(n 2) 의일반식을갖고탄소수의어미에 - 인 을붙여서명명한다. 관용명 이많이쓰인다. 에틴 ( 아세틸렌 ) 의구조와성질 탄소원자사이에삼중결합이존재하며분자내에존재하는모든원자들이평면상에 서존재하며결합각은 180 이다. 에틴은탄소에대한수소의비율이작기때문에공기중에서점화시키면불완전연 소를일으켜많은그을음이생긴다. 그러나충분한산소를공급하면서완전연소시 키면 3000 이상의불꽃을내기때문에금속의절단이나용접에이용된다. 에틴 ( 아세틸렌 ) 의제법에틴은에텐과더불어석유화학공업에서매우유용한원료로, 공업적으로메탄이나나프타의열분해에의해대량으로생산된다. 실험실에서는칼슘카바이드 ( 탄화칼슘 : CaC 2 ) 에물을가하여얻는다. CaC 2 + 2H 2 O Ca(OH) 2 + C 2 H 2-107 -
에틴 ( 아세틸렌 ) 의첨가반응 불포화탄화수소로에틴 ( 에틸렌 ) 과거의비슷한반응을한다. 1) 브롬첨가반응 : 두번첨가반응하므로알켄보다첨가량이많다. 2) 수소첨가반응 : 알킨은탄소원자사이에삼중결합이존재하므로첨가반응이일어나 기쉽다. 에틴의경우백금등의촉매하에수소를첨가사키면에텐을거쳐에탄이 만들어진다. 3) 물첨가반응 : 산촉매하에서에틴에물을첨가하면아세트알데히드가생성된다. 4) 중합반응 : 에틴의중합반응을통해벤젠이생성된다. 탄소의결합과반응성 - 108 -
대표유형문제 1 대표유형문제 2-109 -
수능개념 Chem is Try! - with TOTO 22 강탄화수소 3 화학의체계적완성김철준 방향족탄화수소 벤젠 (Benzene) 6 개의탄소와 6 개의수소로이루어진고리모양의불포화탄화수소로, 정육각 형의평면구조이며결합각은 120 이다. 벤젠의공명증거 1 포화가아니지만안정 3 평면정육각형구조 2 치환반응이첨가보다우세 4 결합길이가 1.5 중결합 ( 단일과이중의중간길이 ) 벤젠 (Benzene) 의제법과성질 방향족탄화수소는석탄의건류에의해얻어지는콜타르를분류하여얻었지만, 오 늘날에는석유의분별증류에서얻어지는나프타를리포밍하여대량으로생산된다. 1 독특한냄새가나는휘발성액체로, 인화성은강하지만연소시그을음이많이난다. 2 물에녹지않고알코올, 에테르, 아세톤에잘녹는다. 3 독성이매우큰발암물질로알려져있다. 벤젠의첨가반응벤젠은안정하여상온에서첨가반응이잘일어나지않으나특수한촉매나조건하에서는첨가반응이일어날수도있다. 금속 Ni 촉매조건에서 300 로가열하면다음과같이벤젠에수소첨가반응이일어나서시클로헥산이생성된다. H 2 첨가 Cl 2 첨가 - 110 -
벤젠의치환반응 여러가지방향족탄화수소 1) 톨루엔벤젠의수소원자 1 개가메틸기 (-CH 3) 로치환된탄화수소로, 무색의향기가있는액체이다. 염료의원료, 페인트의용매, 항공휘발유의첨가제등으로이용된다. 톨루엔은벤젠에염화메틸을반응시켜얻는다. 2) 크실렌 벤젠의수소원자 2개가메틸기 (-CH 3) 로치환된탄화수소로, 콜타르를분류할때얻어지는무색의방향성액체이다. 메틸기가치환된위치에따라오르토 (O-), 메타 (m-), 파라 (p-) 의 3가지이성질체가존재한다. 3) 나프탈렌두개의벤젠고리가붙어있는방향족탄화수소이다. 두벤젠고리가연결되어있는탄소에는수소원자가결합되어있지않다. 특유한냄새가나는흰색의승화성고체로, 방충제나염료의원료로많이이용된다. - 111 -
이성질체 이성질체의분류 구조이성질체 탄소주변에결합한수소와탄소의골격의차이에의해생기는이성질체 CHCl=CHCl 의탄소와탄소의이중결합때문에회전이불가능해서생기는비대칭과 대칭형이성질체 기하이성질체 광학이성질체 탄소주변에모두다른작용기가단일결합한비대칭탄소때문에생기는이성질체 - 112 -
대표유형문제 1 대표유형문제 2 다음은탄화수소 A ~ C 의구조식을나타낸것이다. A B C 이에대한설명으로옳은것만을 < 보기 > 에서있는대로고른것은? < 보기 > ㄱ. A에 Br 을첨가반응시키면 2가지화합물이생성된다. ㄴ. B를구성하는모든원자들은같은평면에존재한다. ㄷ. 탄소원자간의결합길이는 B > C > A 순이다. 1 ㄱ 2 ㄷ 3 ㄱ, ㄴ 4 ㄴ, ㄷ 5 ㄱ, ㄴ, ㄷ - 113 -
수능개념 Chem is Try! - with TOTO 23 강탄화수소유도체 1 화학의체계적완성김철준 지방족탄화수소유도체 1 지방족유도체와알킬기 (R-) 란유도체란탄화수소로부터일부분이치환되어만들어진물질로지방족탄화수소유도체란벤젠고리를갖지않은탄화수소의수소원자가다른원자나원자단 ( 작용기 ) 으로치환된화합물로 R( 알킬기 )-작용기로표시한다. 여기서알킬기란알칸 (CnH 2n+2) 에서수소원자 1개가떨어진형태인 CnH 2n+1-을알킬기라고한다. CH 3- C 2H 5- C 3H 7- 지방족탄화수소유도체의종류 시험에잘나오는순서대로 6 가지지방족유도체 - 114 -
알코올의성질 1) 물에대한용해도가크다.( 극성분자 ) 알코올은극성분자로분자내에친수성기인히드록시기 (-OH) 와친유성기인알킬기 (R-) 를모두가지고있다. 따라서탄소수가적은알코올인경우에는분자의히드록시기 (-OH) 와물분자사이에수소결합이형성되어물에잘녹는다. 하지만친유성기인알킬기의탄소수가증가할수록물에대한용해도가감소하여부탄올부터는물에잘녹지않는다. 2) 녹는점, 끓는점이높다.( 분자간수소결합을한다.) 3) 중성이다.( 이온화가되지않는비전해질이다.) 1) -OH 수에따른분류 알코올의분류 2) 알킬기수에따른분류 - 115 -
알코올의반응 1) 알칼리금속 (Li, Na, K, Rb, Cs) 과반응하여수소기체를발생한다. 2) 산화반응 2Na + 2CH 3OH 2CH 3ONa + H 2 3) 에스테르화반응 진한 H 2SO 4 촉매하에 R-COOH( 카르복시산 ) 과반응하면알코올의 -H 와카르복시산의 -OH 가물이되어빠져나오면서에스테르가생성된다. 4) 탈수반응 1 160~170 가열 : 알코올한분자에서물이빠져나오면서알켄이생성된다.( 분자 내탈수 ) 2 130~140 가열 : 알코올두분자에서물이빠져나오면서에테르가생성된다.( 분자 간탈수 ) - 116 -
대표유형문제 1 그림은메탄올을출발물질로하는일련의반응을나타낸것이다. 이에대한설명으로옳은것을 < 보기 > 에서모두고른것은? < 보기 > ㄱ. ( 가 ) 와 ( 나 ) 는산화반응이다. ㄴ. ( 다 ) 는축합반응이다. ㄷ. 화합물 A 는 Na 과반응하여수소기체가발생한다. 1 ㄱ 2 ㄴ 3 ㄱ, ㄷ 4 ㄴ, ㄷ 5 ㄱ, ㄴ, ㄷ 대표유형문제 2 다음은에탄올과관련된여러가지반응을나타낸것이다. 이에대한설명으로옳지않은것은? 1 반응 ( 가 ) 에서 가발생한다. 2 반응 ( 나 ) 에서첨가반응이일어난다. 3 반응 ( 다 ) 에서 가발생한다. 4 반응 ( 라 ) 에서 가생성된다. 5 반응 ( 마 ) 에서과일향이나는물질이생성된다. - 117 -
수능개념 Chem is Try! - with TOTO 24 강탄화수소유도체 2 화학의체계적완성김철준 지방족탄화수소유도체 2 카르복시산의성질 카르복시산이란탄화수소의수소원자가카르복시기 (-COOH) 로치환된구조의탄소화합물로, RCOOH(C nh 2n+2O 2) 의일반식을갖는다. 1) 카르복시산의성질 1 물에잘녹아일부가 H + 을내놓으므로약한산성을띤다. (RCOOH RCOO - + H + ) 2 카르복시산은수소결합을할수있다. 녹는점, 끓는점이높다. 2) 카르복시산의명칭과구조식 3) 카르복시산의반응 1 금속과반응하여수소기체를발생한다. (2CH 3 COOH + 2Na 2CH 3 COONa +H 2 ) 2 염기와중화반응을한다. (CH 3COOH + NaOH CH 3COONa +H 2O) 3 진한황산촉매하에서알코올과에스테르화반응을한다. RCOOH + R'OH RCOOR' + H 2 O 대표적인카르복시산 1) 포름산 (HCOOH) 1 자극적인냄새가나는무색액체로, 물, 에탄올, 에테르등에잘녹으며, 카르복시산중에서가장산성이강하다. 2 포름산은분자내에카르복시기 (-COOH) 와포르밀기 (-CHO) 를함께가지므로환원성이있어은거울반과펠링반응을한다. 2) 아세트산 (CH 3COOH) 1 자극적인냄새가나는무색액체로, 물에잘녹으며 3~6% 수용액을식초로사용한다. 2 식초는식물속의에탄올을발효시켜얻으며공업적으로는에탄올을산화시켜만든아세트알데히드를산화시켜얻는다. - 118 -
알데히드의성질알데히드란알칸의수소원자 1개가포르밀기 (-CHO) 로치환된화합물로, RCHO(C nh 2nO) 의일반식을갖는다. 1) 알데히드의성질 1 수소결합을할수없기때문에끓는점이낮다. 2 물에잘녹으며, 환원성이있다. ( 은거울반응과펠링용액정색반응을통해확인할수있다. 2) 알데히드의명칭과구조식 알데히드의제법과환원성실험 1) 알데히드의제법 : 1 차알코올을산화시켜만든다. 가열한구리줄을메탄올에넣어메탄올을산화시키면포름알데히드가생성된다. 2) 환원성실험 1 은거울반응 2 펠링용액정색반응 - 119 -
에스테르의성질카르복시산에있는카르복시기 (-COOH) 의수소원자가알킬기 (R') 로치환된화합물로 RCOOR'(C nh 2n+2O 2) 의일반식을갖는다. 1) 에스테르의성질 1 일반적으로물에잘녹지않고, 유기용매에잘녹는다. 2 에스테르는탄소수가작은카르복시산과이성질체관계이다. 에스테르는수소결합을할수없으므로이성질체인카르복시산에비해끓는점이낮다. 2) 에스테르와카르복시산의성질비교 1) 에스테르의제법 에스테르의제법과반응 2) 에스테르의반응 1 가수분해반응산촉매하에서에스테르에물을가한후가열하면카르복시산과알코올로분해된다. 2 비누화반응 ( 비누합성반응 ) 에스테르에 NaOH 와같은강한염기를넣고가열하면카르복시산의나트륨염 ( 비누 ) 과 알코올을얻는데, 이와같은반응을비누화반응이라고한다. - 120 -
에테르의성질에테르는알코올 (ROH) 에서 -OH의 H가다른알킬기 (R') 로치환된화합물로, ROR'(C nh 2n+2O) 의일반식을갖는다. 1) 에테르의성질 1 에테르는무극성분자로끓는점이낮고반응성이작아금속등과반응하지않는다. 2 탄소수가같은알코올과이성질체관계이다. 3 디에틸에테르 (C 2 H 5 OC 2 H 5 ) 는마취제로사용한다 케톤의성질과제법 케톤은알데히드 (RCHO) 의수소원자가다른알킬기 (R') 로치환된화합물로, RCOR' 의일반식을갖는다. 1) 케톤의성질 1 탄소수가같은알데히드와이성질체관계이다. 2 케톤은더이상산화되지않으므로환원성을가지않는다. 따라서환원성여부로이성질체관계에있는알데히드와구별할수있다. 2) 케톤의제법 : 케톤은 2차알코올을산화시켜얻는다. - 121 -
대표유형문제 1 다음은세가지에스테르화합물의구조식이다. 위화합물과각각을가수분해시켜얻은생성물에대한설명으로옳은것을 < 보기 > 에서모두고른것은? < 보기 > ㄱ. 에스테르화합물의분자식은모두같다. ㄴ. 다섯가지화합물이생성된다. ㄷ. 생성된화합물을나트륨과반응시키면모두수소기체가발생한다. 1 ㄱ 2 ㄷ 3 ㄱ, ㄴ 4 ㄱ, ㄷ 5 ㄱ, ㄴ, ㄷ 대표유형문제 2 다음은메탄올을이용한실험이다. [ 실험 ] ( 가 ) 메탄올이들어있는시험관에구리선을불꽃으로빨갛게달구어넣는과정을반복하였더니자극성냄새의물질 A 가만들어졌다. ( 나 ) 암모니아성질산은수용액을과정 ( 가 ) 의시험관에소량첨가하고가열하였더니물질 A 가카르복시산 B 로변하였다. 이에대한설명으로옳은것을 < 보기 > 에서모두고른것은? < 보기 > ㄱ. A 는펠링반응을하면산이된다. ㄴ. B 는은거울반응을할수있다. ㄷ. 구리선의달구어진부분은메탄올과반응하여산화된다. 1 ㄱ 2 ㄷ 3 ㄱ, ㄴ 4 ㄴ, ㄷ 5 ㄱ, ㄴ, ㄷ - 122 -
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수능개념 Chem is Try! - with TOTO 25 강탄화수소유도체 3 화학의체계적완성김철준 방향족탄화수소유도체 페놀류 (C 6H 5OH) 특이한냄새가나며에탄올이나에테르에매우잘녹고물에는조금녹아산성을띤다. 페놀은페놀수지, 의약품, 염료등다양한화학물질의원료로사용된다. 또한피부를약간상하게하는독성이있으며, 살균력이있어소독용으로도이용된다. 벤젠고리에있는수소원자가히드록시기 (-OH) 로치환된화합물총칭하여페놀류라고하며페놀류는알코올과는성질이다르다. 페놀의성질과반응 1) 물에잘녹지는않으나일부녹은수용액은약한산성을띤다. 1 금속과반응하여수소기체를발생한다. 2 염기와중화반응하여수용성염을생성한다. 2) 카르복시산과에스테르화반응을한다. 3) 염화철 (FeCl 3 ) 수용액을가하면적자색을나타내는정색반응을한다. 이반응은 페놀류검출에사용된다. - 124 -
여러가지페놀류 1) 크레졸벤젠고리의수소원자 2개가메틸기 (-CH 3) 와히드록시기 (-OH) 로치환된화합물이며, 오르토, 메타, 파라의세가지이성질체가존재한다. 독성이작고살균력이강하므로소독약으로쓰인다. 2) 살리실산 (C 6H 4(OH)COOH) 분자내에히드록시기와카르복시기를모두가지고있어서알코올과도카르복시산과도에스테르화반응을한다. 살리실산의에스테르화반응에의해생성된아세틸살리실산 ( 아스피린 ) 은진통 해열제로, 살리실산메틸은소염 진통제로이용된다. 페놀류와알코올의성질비교 - 125 -
방향족카르복시산 ( 벤조산 ) 벤조산 (C 6H 5COOH) 은톨루엔을두번연속산화시켜얻으며무색의판산결정으로, 물에녹아소량녹아약한산성을나타낸다. 벤조산은살균작용이있어의약품이나식품에이용되는데, 특히방부제로많이이용되고있다. 방향족니트로화합물 ( 니트로벤젠 ) 니트로벤젠은 (C 6H 5NO 2) 벤젠고리의수소원자 1개가니트로기 (-NO 2) 로치환된화합물로, 벤젠에진한질산과진한황산을가하여만들며니트로벤젠을이용하여아닐린을합성한다.( 벤젠의니트로화치환반응 ) 트리니트로톨루엔 (TNT) - C 6H 2(CH 3)(NO 2) 3 폭약에쓰이는노란색결정으로톨루엔에진한질산과진한황산을반응시켜만든다. ( 벤젠의니트로화치환반응 ) 방향족아민 ( 아닐린 ) 아닐린 (C 6H 5NH 2) 은가장간단한방향족아민으로, 독특한냄새를가진유독한액체 로니트로벤젠 (C 6H 5NO 2) 을환원시켜얻는다. 1) 물에잘녹지않으나조금녹은수용액은염기성을나타내므로산과반응하여 물에잘녹는염 ( 염산아닐린 (C 6H 5NH 3 + Cl - )) 을생성한다. 2) 아닐린은표백분 (CaOCl 2) 과반응하면보라색으로변한다. 따라서이반응을이 용하여아닐린을검출할수있다. - 126 -
대표유형문제 1 그림 ( 가 )~( 다 ) 는방향족화합물의구조식을나타낸것이다. ( 가 ) ( 나 ) ( 다 ) 이에대한옳은설명을 < 보기 > 에서모두고른것은? 보기ㄱ. ( 가 ) 는물에잘녹는다. ㄴ. ( 나 ) 는아세트산과에스테르화반응을한다. ㄷ. ( 다 ) 는염화철 (Ⅲ) 수용액과정색반응을한다. 1 ㄱ 2 ㄴ 3 ㄱ, ㄴ 4 ㄱ, ㄷ 5 ㄴ, ㄷ 대표유형문제 2 다음은재스민향의구성성분으로알려진화합물의구조식이다. 이에대한설명으로옳은것만을 < 보기 > 에서있는대로고른것은? < 보기 > ㄱ. ( 가 ) 와 ( 나 ) 는브롬과첨가반응한다. ㄴ. ( 가 ) 와 ( 다 ) 를가수분해하면모두아세트산이생성된다. ㄷ. ( 가 ), ( 나 ), ( 다 ) 는모두방향족화합물이다. 1 ㄱ 2 ㄷ 3 ㄱ, ㄴ 4 ㄴ, ㄷ 5 ㄱ, ㄴ, ㄷ - 127 -
수능개념 Chem is Try! - with TOTO 26 강탄화수소유도체 4 화학의체계적완성김철준 1. Na 과반응하여수소기체를발생시키는것은? 2. A(CH 3 OH) 와탈수축합하여에스테르를생성시키는것은? 3. G(CH 3 COOH) 와에스테르화반응을하는것은? 4. NaOH 와중화반응을하는것은? 5. A 를산화시키면 ( ) 가되고, 다시산화시키면 ( ) 가된다. 6. B 를산화시키면 ( ) 가되고, 다시산화시키면 ( ) 가된다. - 128 -
7. 은거울반응이나펠링용액환원반응을하는것은? 8. I 를가수분해하면 ( ) 와 ( ) 가생성된다. 9. A 두분자를탈수축합하면 ( ) 가생성된다. 10. B 두분자를황산과함께 130 ~140 로가열하면 ( ) 가생성된다. 11. A 와 G 모두와에스테르화반응을하는것은? 12. 물에잘용해되지않는것은? 13. 수소결합을형성 ( 끓는점이비교적높은 ) 하는것은? 14. G 와중화반응을하는것은? 15. 염화철 III(FeCl 3 ) 수용액과정색반응하는것은? - 129 -
대표유형문제 1 대표유형문제 2-130 -
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수능개념 Chem is Try! - with TOTO 27 강연료와고분자 1 화학의체계적완성김철준 연료 연료의종류와상태 1) 고체연료 : 석탄, 숯등과같은고체상태의연료 1 장점 : 값이싸고석탄과같은경우에는자원부족의문제가별로없다 2 단점 : 발화와연소조절이어렵다. 연소시연기와유해가스가많고, 연소후재가남음 2) 액체연료 : 석유, 알코올등과같이상온에서액체상태로존재하는연료 1 장점 : 수송과저장이용이하고연소의조절이쉬우며, 연소후재가없다. 2 단점 : 냄새, 공급이불안정, 비싸다. 3) 기체연료 : 천연가스, 석유가스, 부탄가스등과같은기체상태의연료 1 장점 : 값이싸다. 연소의조절이쉽다. 재가없고, 자동공급으로사용이편리 2 단점 : 저장이어렵고, 누출시폭발위험이크다. LNG 와 LPG 부피당발열량 (kj / L) = g 당발열량 (kj/g) 밀도 (g/l) 원당발열량 (kj / L) = g 당발열량 (kj/g) 밀도 (g/l) - 132 -
연료의연소 1. 연소와소화의 3 요소 연소의 3 요소소화의방법 ( 연소요소의제거 ) 1 연료제거 : 밸브를잠근다. 맞불을놓아불은끈다. 촛불을불어끈다 2 산소제거 : 분말, 이산화탄소소화기모래, 담요등을덮는다. 3 온도감소 : 물을뿌려끈다. 성냥불을불어끈다. 1) 완전연소반응 화석연료 + 산소 물 + 이산화탄소 + 빛 열 : 산소의공급이충분하여물과이산화탄소가생성되는반응이다. ex) 메탄의연소반응 : CH 4 + 2O 2 CO 2 + 2H 2O 2) 불완전연소반응 : 산소의공급이불충분하여물과이산화탄소외에일산화탄소나그을음이생성 수되는반응이다. 가작을때불완전연소가되기쉽다. 수 ex) 화석연료 + 불충분한산소 CO 2+ H 2O+ CO+ C( 그을음 ) 3) 연소생성물의확인 1 이산화탄소 (CO 2): 석회수에통과시켰을때석회수가뿌옇게흐려진다. CO 2 + Ca(OH) 2 CaCO 3 + H 2O 2 물 (H 2 O): 푸른색염화코발트종이에대었을때붉게변화시키거나흰색의무 수황산구리를푸른색으로변화시킨다. - 133 -
대표유형문제 1 표는탄소와수소로구성된화석연료 A, B, C 의성질을나타낸것이다. 이에대한설명으로옳은것은? ( 단, 밀도는 25, 1기압에서측정한것이다.) 1 한분자당탄소의수는 A 가가장많다. 2 단위부피당발열량이가장작은것은 A이다. 3 C는상온에서액체상태이다. 4 A는 C보다저장과운반이용이하다. 5 밀도가증가할수록분자간인력이감소한다. 대표유형문제 2 그림은탄화수소 A~C 의성질을나타낸것이다. 이자료에대한설명으로옳은것만을 < 보기 > 에서있는대로고른것은? ( 단, 밀도는 25, 1 기압에서측정한것이다.) - < 보기 > ㄱ. 단위부피당연소열은 A 가가장크다. ㄴ. 한분자당탄소의수는 C 가가장많다. ㄷ. 밀도가증가할수록분자간인력이감소한다. 1 ㄱ 2 ㄴ 3 ㄷ 4 ㄱ, ㄴ 5 ㄱ, ㄷ - 134 -
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수능개념 Chem is Try! - with TOTO 28 강고분자 2 화학의체계적완성김철준 고분자화합물 고분자의정의와특성 분자의상대적질량이 10000이상인거대한분자를고분자화합물이라고하며, 고분자화합물은천연에서산출되는천연고분자와합성한합성고분자로나누어진다. 고분자의특성 1 고분자화합물은일반적으로분자의상대적질량이정해져있지않고그범위가넓다. 2 고분자화합물은분자전체가규칙적으로배열을하지않으므로결정으로되기어렵고녹는점이일정하지않다. 3 고분자화합물을가열하면어느온도에서부드러워져서변형이일어나기시작하다가녹아액체가되고, 계속해서가열해도기체가되기전에분자내결합이끊어져분해된다. 따라서고분자는기체상태로존재하지않는다. 4 반응성이작아화학약품에안정하며열과전기에도안정하다. mer는 많은부분 이라는뜻이다. 첨가중합 (Addition polymerization) 의원리 첨가중합의예 첨가중합이란단위체에존재하는이중결합중하나가끊어지면서다른단위체와결합하는과정을반복하면서단위체가계속해서첨가되어고분자화합물을생성한다. - 136 -
축합중합 (condensation polymerization) 의원리단위체분자내에있는작용기들이반응하여물과같은간단한분자 (H 2O) 들이빠져나가면서고분자화합물을생성한다. 축합중합의원리 1. 첨가중합인가? 축합중합인가? 고분자에관한문제해법 축합중합은 -COO-, -CONH-, -O- 가있다. 2. 단위체가 1 개인가? 2 개인가? 단위체는고분자를분해해봐야한다. 3. 열가소성수지인가? 경화성수지인가? 대부분은가소성수지이다. 4. 천연고분자인가? 합성고분자인가? 합성고분자가대부분이고, 단백질, 녹말, 셀룰로오스, 라텍스는천연 5. 고분자의용도? 용도를구분하기에는상당한공부내공이필요하다. - 137 -
합성수지 ( 플라스틱 ) 열가소성수지의성질 열가소성수지 1 합성반응 2 가열 3 구조 첨가중합과축합중합반응모두 가열하면쉽게부드러워져다른모양으로바꿀수있다 사슬모양구조 4 단위체에틸렌프로필렌염화비닐스티렌 5 종류 폴리에틸렌 (PE) 폴리프로필렌 (PP) 폴리염화비닐 (PVC) 폴리스티렌 (PS) 6 용도 식품포장재, 전선단열재 섬유, 상자, 밧줄 PVC 관, 벽지 단열재, 스티로폼용기 7 재활용방법 플라스틱제품 낮은온도에서가열 녹이거나부드럽게 재생 열경화성수지의성질 열경화성수지 1 합성반응 대부분축합중합반응 2 가열가열하더라도그모양이쉽게변하지않고딱딱해진다. 3 구조 그물모양구조 4 단위체페놀 + 포름알데히드요소 + 포름알데히드멜라민 + 포름알데히드 5 종류페놀수지요소수지멜라민수지 6 용도전기소켓, 누전차단기전기기구, 식기, 접착제주방용기, 도료 7 재활용방법 1 플라스틱제품 공기를차단하고높은온도에서가열 단위체나그밖의제품 재중합 2 플라스틱제품 잘게부수어건축자재나토목자재로사용 플러스노트 페놀수지의구조 플러스노트 포름알데히드열경화성수지에는단위체로포름알데히드가많이사용된다. 포름알데히드는새집증후군의원인이된다. 중합의방법과합성수지증합의방법으로열가소성과열경화성을나누지않는다. 첨가중합에서도열경화성이생성되며, 축합중합에서도열가소성이생성된다. - 138 -
합성섬유 나일론 1935년미국의화학자캐러더스는헥사메틸렌디아민과아디프산의축합중합반응으로나일론을합성하였다. 나일론분자에서와같이 - CONH - 의결합을펩티드결합 ( 아미드결합 ) 이라고하며, 이러한결합에의해생성된섬유를폴리아미드계섬유라고한다. 폴리아미드계섬유는열에약한특징이있다. 나일론은강도가매우큰섬유로, 밧줄이나그물, 전선절연재등에많이이용되고있다. 그러나흡습성이작아땀을잘흡수하지못하고, 마찰에의해정전기가잘발생하는단점이있다. 폴리에스테르 ( 테릴렌 ) 테레프탈산과에틸렌글리콜을축합중합반응시키면테릴렌이만들어지는데, 유는세계에서가장많이생산되는합성섬유이다. 이섬 폴리에스테르계합성섬유는강하고잘구겨지지않는성질이있어와이셔츠나블라 우스등많은의류의소재로이용되며, 사진필름이나녹음테이프등을만드는데에도 사용된다. - 139 -
고무 천연고무 ( 라텍스 ) 와네오프렌고무 1. 천연고무 이소프렌을단위체로첨가 중합반응하여생성된다 2. 네오프렌고무네오프렌고무는이소프렌의메틸기 (-CH 3 ) 를염소원자 (Cl) 로치환한클로로프렌을첨가중합하여생성된첨가중합체이다 부나-S (SBR) 와부나-N(NBR) 1. 부나 - S 고무부타디엔과스티렌의혼성중합으로생성된중합체로강도와탄력성이좋고쉽게마모되지않아자동차타이어나구두창등에이용되고있다. 2. 부나 - N 고무부타디엔과아크릴로니트릴의혼성중합으로생성된중합체로극성이강한니트릴기 (-C N) 를가지므로무극성인기름분자의침투를방지하는성질이뛰어나기름에매우강하다. 석유용고무호스, 인쇄기의롤등에사용된다. - 140 -
대표유형문제 1 대표유형문제 2-141 -
수능개념 Chem is Try! - with TOTO 29 강고분자 3 화학의체계적완성김철준 탄수화물 탄수화물의정의와분류 탄수화물은탄소, 수소및산소로이루어진천연고분자화합물로서, 탄소와물이결합한형태인 C m(h 2O) n 로표시할수있다. 탄수화물의종류에는녹말, 포도당, 글리코겐, 셀룰로오스등이있다. 탄수화물을나누어보면더이상가수분해되지않는탄수화물을이루는기본단위 ( 단위체 ) 를단당류라고한다. 맥아당과같이 2개의단당류가결합하여이루어진물질을이당류, 녹말이나셀룰로오스처럼여러개의단당류가결합하여만들어진화합물을다당류라고하며녹말과셀룰로오스가천연고분자화합물에해당한다. 종류분자식이름가수분해생성물수용성환원작용 단당류 C 6H 12O 6 포도당과당 갈락토오스 설탕 포도당과과당 이당류 C 12H 22O 11 다당류 (C 6H 10O 5)n 맥아당 포도당과포도당 젖당 포도당과갈락토오스 녹말 셀룰로오스 포도당 글리코겐 포도당의성질포도당은히드록시기 (-OH) 가많이존재하므로물과수소결합을형성할수있으므로물에잘녹으며, 물에녹으면수용액에서다음과같은 3가지의형태가평형을이루어존재한다. - 142 -
녹말녹말은 α-포도당이축합중합하여생성된천연고분자화합물이다. 식물의광합성에의해만들어져식물의뿌리나땅속줄기, 씨앗등에녹말덩어리형태로저장되어있다. 주로쌀, 감자, 옥수수등에많이포함되어있다. 1) 녹말의합성반응 2) 녹말의특성 1 녹말은물에거의녹지않으나뜨거운물에는조금녹으며, 산을넣고가열하거나효소를작용시키면 α-포도당으로분해된다. 2 녹말용액과요오드용액이만나면요오드분자가녹말의구조에끼어들어가청남색으로변하는반응을하는데, 이러한반응을요오드-녹말반응이라고한다. ( 요오드나녹말의검출반응 ) 셀룰로오스 셀룰로오스는 β-포도당의축합중합반응으로생성된천연고분자화합물이다. 섬유소라고도하며, 식물세포막의주성분으로식물체의 30~50% 를차지한다. 셀룰로오스는나선형구조인녹말과는달리긴직선형구조이며솜이나마, 펄프등에많이포함되어있다. 1) 셀룰로오스의합성반응 2) 셀룰로오스의특성 1 요오드용액에의해정색반응을하지않는다. 2 뜨거운물이나유기용매에녹지않고화학적으로안정한물질로, 매우강한섬유가될수있다. 이러한성질에의해천연섬유 ( 면 ) 나종이 ( 펄프 ) 의원료로이용된다. 셀룰로오스는 -OH를많이가지므로물을잘흡수한다. 따라서순면으로만들어진속옷은땀을잘흡수한다. 3 우리몸에는셀룰로오스를분해할수있는효소 ( 셀룰라아제 ) 가들어있지않다. 따라서우리는셀룰로오스를소화시킬수없다. - 143 -
단백질 아미노산카르복시기한분자안에염기성을나타내는아미노기 (-NH 2) 와산성을나타내는카르복시기 (-COOH) 를모두가지고있는양쪽성물질이다. 아미노산의성질은산과염기모두와반응을하여염을만든다. 아미노산은물에잘녹으며용액의액성에따라다른형태로존재하게된다. 중성용액에서산성용액에서염기성용액에서 단백질 C, H, O, N, S 등의원소로구성되어있으며, 탄수화물, 지방과함께 3대필수영양소로모든생물에존재하는거대한생체분자로서, 아미노산의축합반응으로얻어진다. 1) 단백질의합성반응한아미노산의아미노기 (-NH 2 ) 와다른아미노산의카르복시기 (-COOH) 가반응하여한분자의물이빠지면서두아미노산이결합하여 -CONH-결합이생성되는데, 이결합을펩티드결합 ( 아미드결합 ) 이라고한다. 2) 단백질의구조 같은종류의단백질을구성하는아미노산의종류나수및배열순서까지일정하다. 또한펩티드결합은극성이강한와결합을함께가지고있으므로 단백질은한개의분자안에서수소결합을형성할수있다. 단백질은같은분자내에가능한많은수소결합이형성될수있도록나선형구조를이룬다. - 144 -
대표유형문제 1 그림은녹말과셀룰로오스의가수분해전체과정을개략적으로나타낸것이다. 이에대한설명으로옳지않은것은? 1 A 는단당류인포도당이다. 2 녹말은물과수소결합을한다. 3 A 는펠링용액과정색반응을한다. 4 녹말은염화철 (Ⅲ) 수용액과정색반응을한다. 5 셀룰로오스는축합중합으로이루어진고분자화합물이다. 대표유형문제 2 그림 ( 가 )~( 다 ) 는포도당을물에녹였을때의 3 가지구조를나타낸것이다. ( 가 ) ( 나 ) ( 다 ) ( 가 )~( 다 ) 에대한설명으로옳은것을 < 보기 > 에서고르면? 보기ㄱ. ( 가 ) 의중합체는옷감이나종이의원료로사용된다. ㄴ. ( 나 ) 는펠링용액반응을한다. ㄷ. ( 다 ) 가중합되면녹말이생성된다. ㄹ. ( 가 )~( 다 ) 는수소결합을할수있다. 1 ㄱ, ㄴ 2 ㄱ, ㄷ 3 ㄴ, ㄷ 4 ㄴ, ㄹ 5 ㄷ, ㄹ - 145 -
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수능개념 Chem is Try! - with TOTO 30 강세제와의약품 화학의체계적완성김철준 비누 비누의제법 유지는에스테르의일종으로, 일반적으로탄소수가많은고급지방산과글리세롤 의에스테르화반응으로생성된다. 유지를수산화나트륨 (NaOH) 이나수산화칼륨 (KOH) 등의강한염기로비누화반응 시키면고급지방산의염인비누와글리세롤이만들어진다. 비누의구조와수용액에서의배열비누의구조는탄소와수소가결합하여생긴긴사슬모양의지방산인꼬리부분 ( 친유성 ) 과카르복시기와나트륨이결합한머리부분 ( 친수성 ) 으로나누어진다. 1 친유성기 ( 소수성기 ): 기름과의친화력이큰탄화수소 (R-: 보통 10~16개의탄소수 ) 부분이다. 2 친수성기 : 물과친화력이큰이온성부분 (-COO - ) 이다. 수용액에서비누의배열은물표면과물속에서다른모습을보인다. 1 물표면 : 친수성기인머리부분이물안쪽으로향하고, 친유성기인꼬리부분이물바깥쪽으로향하여배열된다. 2 물속 : 물속에서는비누의친유성 ( 소수성 ) 기부분들은안쪽을향하고, 친수성기부분은바깥쪽으로향하여공모양의입자를형성하는데이입자를미셀 (micelle) 이라고한다. - 148 -
비누의세척작용 1 침투, 흡착 2 팽윤 3 분리 4 유화, 분산 비누의성질 1) 용해성이크다. 비누는친수성기와친유성기를모두가지고있으므로물에도잘용해되고기름에도잘용해된다. 2) 염기성을띤다비누는카르복시산의나트륨염으로물속에서이온화되면가수분해되어 OH - 이생성되므로수용액을염기성을나타낸다. 3) 노란색불꽃반응 나트륨을포함하고있으므로불꽃반응시노란색이나타난다. 비누의단점 1) 센물에서의앙금생성 Ca 2+ 이나 Mg 2+ 등이많이녹아있는센물의경우에는비누와반응하여불용성염 ( 앙금 ) 을형성하기때문에세척력이크게떨어진다. 이때, 생성된불용성염은오염물과함께세탁물에붙어세탁효과를떨어뜨리고옷감의변색을일으킨다. 2RCOONa + Ca 2+ (RCOO) 2 Ca + 2Na + 2RCOONa + Mg 2+ (RCOO) 2Mg + 2Na + 2) 동물성섬유의손상비누는물에녹아염기성을나타내는데, 염기는단백질을녹이는성질이있기때문에단백질이주성분인비단이나모직과같은동물성섬유는비누세탁이적당하지않다. 3) 산성용액속에서비누의세척력이떨어진다. 산성용액속의비누는 H + 를얻어서카르복시산분자를형성하므로친수성부분이약해져서세척력이떨어진다. RCOO - Na + + HCl RCOOH + Na + + Cl - - 149 -
합성세제 합성세제의성질 1물에대한용해성이좋아서찬물에서도빨리용해되고헹구기쉽다. 2 제올라이트와같은경수연화제를사용하여비누와달리 Ca 2+, Mg 2+ 와앙금을만들지않으므로센물에서도세척력이유지된다. 3 비누와달리합성세제는석유속의물질들을합성시켜만든것으로액성은중성이다. 따라서견이나양모와같은동물성섬유도세탁할수있다. 대표적인합성세제 ABS( 알킬벤젠술폰산나트륨 ) 세제 LAS( 선형알킬벤젠술폰나트륨 ) 세제 초기에생산된합성세제로석유제품을기초원료로하여만들었다. 가격이싸고세척능력이우수하였으나가지가많이달린분자구조를이루고있어쉽게분해되지않아심각한환경오염을일으켰다. ABS 세제의판매가금지되었고생분해성세제인 LAS 세제가개발되었다. LAS 세제는선형구조를이루고있어미생물에의해쉽게분해된다. 비누와합성세제의비교 센물에서금속이온과결합하여앙 금을만들므로세척력이떨어진다. 여러용도의합성세제 세탁용세제모발용세제주방용세제청소용세제 세탁능력향상을위해탄산나트륨이나제올라이트를사용하며, 표백제, 광택제, 형광제등을첨가한다. 거품이잘생기도록음이온계계면활성제나비이온계계면활성제를이용한다. 계면활성제외에 피부보호제를첨 가한다. 산성또는알칼리성이강한세제이며, 가정에서는알칼리성세제를사용하고, 염소계표백제등이첨가되었다. - 150 -
천연의약품 ( 생약 ) 천연의약품 ( 생약 ) 자연에서얻은식물이나동물, 광물의특정성분을천연그대로이용하거나간단한가공을거쳐사용하는것을생약이라고한다. 1) 약용식물의약품의원료로사용되는식물로, 식물에서약리작용이있는물질을적당한용매로추출하여이용한다. 1홍차에서카페인의추출 : 메틸렌클로라이드를용매로이용한다. 2 여러가지약용식물약용식물인삼구기자도라지작약감초오가피 효능 강장, 항암작용 이뇨, 해열작용 진해, 거담, 해열 진통제 해독제 자양, 빈혈치료 2) 알칼로이드 질소원자를포함하는고리모양의화합물로염기성을나타내며, 식물염기라고도한 다. 식물 알칼로이드 용도 키나나무 퀴닌 말라리아의치료 코카나무 코카인 국부마취제 커피나무 카페인 각성제, 진정제 살구나무 아미그달린 기침약 인도사목 레세르핀 신경안정제 양귀비 모르핀 진통제 합성의약품 소화제 소화효소제 소화가되지않아통증을느끼는경우소화효 소를복용하여소화를돕는다. 제산제 약염기성물질로위산을중화시켜소화를돕 고위벽이상하는것을막아준다. - 151 -
진통제중추신경계에작용하여두통이나치통과같은통증의경로를차단하여통증을줄여주는의약품 1) 아세틸살리실산 ( 아스피린 ) 살리실산과아세트산을반응시켜만든아세틸살리실산의상품명이다. 1 가벼운몸살이나통증을감소시키고염증을가라앉히는해열진통제이다. 2 프로스타글란딘이라는뇌에통증을전달하는물질의생성을막아준다. 3 최근에는심장질환에도효과가있다는것이밝혀졌다. 4 어린이에게독성을나타내며, 알레르기반응을일으키기도한다. 5 위점막에자극을주어위장장애가생기기쉬우므로아스피린을복용하기전음식을약간먹는것이좋다. 2) 살리실산메틸 ( 파스 ) 살리실산과메탄올의에스테르화반응으로합성하며근육통이나어깨결림등에바르는의약품이다. 아스피린은복용하지만파스는먹으면안되는이유 아스피린의가수분해되면아세트산이생성되지만파스는가수분해되면메탄올이생성되어 다시산화되면치명적인포름알데히드가된다. 3) 아세트아미노펜 ( 타이레놀 ) 아스피린에부작용이있는사람들을위해대체약품으로개발된약품으로독성이작은해열진통제이지만다량복용하면간에해롭다. 4) 마약성진통제 진통효과가크지만습관성, 중독성등의부작용이심하다. - 152 -
항생제와기타의약품 1) 항셍제미생물의발육과기능을억제하거나죽이는물질로서세균또는바이러스성질병을치료할때사용하는의약품이다. 1 페니실린최초의항생제로서 1929년영국의플레밍이푸른곰팡이가포도상구균의성장을방해하는것을발견하고푸른곰팡이의추출물로부터최초의항생제인페니실린을발견하였다. 2 기타항생제항생제에는그페니실린, 설파제외에도테라마이신, 스트렙토마이신, 테트라시클린, 에리스로마이신등이있다. 이들항생제는박테리아의세포내에서단백질의합성을차단함으로써박테리아의성질을방해하거나박테리아를죽인다. 4 항셍제의부작용과문제점설사, 메스꺼움, 구토등의부작용을일으킬수있으며, 박테리아가항생제에내성을갖게되거나변형균이생기기때문에항생제를계속복용하는경우에는복용량을늘려야하는문제가발생한다. 2) 항암제암세포를죽이거나성장을억제시키는약품으로, 암세포의 DNA구조를변화시켜암세포가 DNA 복제를못하게하여더이상성장하지못하게한다. 1 항암제의부작용 : 항암제는암세포뿐만아니라세포분열이활발한정상세포에도해를입힌다. 따라서항암제를투약하면위장장애, 탈모증등의부작용이나타난다. 또한대부분의항암제는척수나혈액에피해를입혀빈혈을유발하거나면역기능을저하시키는부작용이있다. 3) 스테로이드약품모든동식물에서생성되며오른쪽그림과같이 4개의고리구조를갖는스테로이드를포함하는약품이다. 스테로이드의부작용근육형성을촉진하는효과 ( 아나볼릭효과 ) 를지닌테스토스테론등이포함된합성스테로이드약품은장기간복용하면간장과생식기에피해를주며, 정신장애를유발하고여성을남성화시킨다. 약물중독과오 남용 1) 약물중독 : 중독성의약품이나향정신성물질을과도하게반복적으로사용하여약물에대한신체적, 정신적의존성을갖게되는현상이며, 심각한사회문제가되고있다. 사용하다가중지하면정신적육체적으로불안정한금단증상을나타낸다. 2) 약물의오 남용의약품을질병을예방하고치료하는효과가있지만잘못사용하면역효과와부작용을일으키며사회와국가에도피해를준다. - 153 -