Chemistry 수업

11 개 수업

• 공기의 성분 – 공기는 여러 기체가 섞인 혼합물이에요. 부피로 보면 건조한 공기는 질소 약 78%, 산소 약 21%, 아르곤 0.93%, 이산화 탄소 0.04%이고, 다른 비활성 기체가 아주 조금 들어 있어요. 수증기의 양은 0%에서 약 4%까지 바뀌어요. 닫힌 관 안에서 철이 녹슬게 하거나 인을 태우면 물이 약 5분의 1만큼 올라와요. 이것으로 공기가 혼합물임을 보이고 산소의 양을 잴 수 있어요. 연기, 이산화 황, 질소 산화물, 일산화 탄소 같은 오염 물질은 공기를 해롭게 만들지만, 우리는 이것을 줄일 수 있어요.
• 산, 염기, 염과 적정 – 무기 화합물은 크게 산화물, 산, 염기, 염의 네 부류로 나뉩니다. 이들은 서로 이어져 있어요. 금속은 염기성 산화물이 되고, 그것이 염기가 되며, 염기와 산이 만나면 염과 물이 생깁니다. 적정은 이 중화 반응으로 모르는 농도를 재는 방법입니다. 농도를 아는 염기를 뷰렛에서 조금씩 넣어 산이 모두 쓰일 때까지(당량점) 기다리지요. 그러면 반응 비율에 따라 산의 몰수 = 염기의 몰수이고, 1 : 1 반응에서는 C₁V₁ = C₂V₂ 입니다.
• 산과 염기: 성질, 지시약, 그리고 반응 – 산은 물에서 H⁺ 이온을 내놓고, 염기는 물에서 OH⁻ 이온을 내놓는다. 지시약은 색이나 냄새가 변해서 둘을 구별해 주고, H⁺와 OH⁻가 만나면 물이 되고 염이 남는다.
• 심화 화학: 구조, 성질, 에너지, 그리고 화학 평형 – 심화 화학은 네 가지 큰 생각을 하나로 이어 줍니다. 구조: 원자는 정해진 모양으로 결합합니다. 성질: 모양과 전하의 치우침이 녹는점과 용해도 등을 정합니다. 에너지: 반응이 시작되려면 힘(활성화 에너지)이 필요하고, 열을 내놓거나 흡수합니다. 평형: 가역 반응은 정반응 속도와 역반응 속도가 같아지는 지점에서 안정됩니다.
• 알칼리 금속과 나트륨 화합물 – 알칼리 금속(리튬, 나트륨, 칼륨, 루비듐, 세슘)은 주기율표의 1족 원소입니다. 원자마다 바깥 전자가 1개 있고, 이 전자를 쉽게 잃어 M⁺ 이온이 됩니다. 알칼리 금속은 무르고 가벼우며 반응성이 매우 큽니다. 물과 반응하면 수소와 알칼리가 생기고, 공기 중에서 타기도 합니다. 아래로 내려갈수록 반응성이 커집니다. 나트륨은 Na₂O, Na₂O₂, Na₂CO₃(세탁소다), NaHCO₃(베이킹소다)를 만들고, 금속마다 불꽃의 색이 다릅니다.
• 알코올 – 알코올은 단일 결합만 가진 탄소(sp³ 탄소)에 –OH 기가 붙은 탄소 화합물이에요(R–OH). C–OH 탄소에 붙은 탄소의 개수를 세면 1차(1°), 2차(2°), 3차(3°)로 나눌 수 있어요. 이름은 '알칸-n-올'로 쓰고, –OH에 가장 작은 번호를 줘요. 알코올은 알켄(산 촉매 수화, 하이드로보레이션–산화), 알데히드·케톤·카복실산의 환원, 그리냐르 시약으로 만들어요. 수소 결합 때문에 끓는점이 높고 물에 잘 녹아요. 반응에서는 O–H 결합이 끊기거나(산성: Na, 에스터화) C–O 결합이 끊겨요(HX, 탈수). 1차·2차 알코올은 산화될 수도 있어요. 메탄올과 에탄올은 가장 중요한 상업용 알코올이에요.
• 온도, 활성화 에너지, 촉매, 그리고 충돌 이론 – 반응물 분자가 생성물이 되려면 에너지 언덕, 즉 활성화 에너지 Ea를 넘어야 해요. 아레니우스 식 k = A e^(−Ea/RT)은 온도가 조금만 올라도 언덕을 넘는 분자가 훨씬 많아져서 k가 빠르게 커진다는 것을 보여 줘요. 촉매는 ΔH는 그대로 두고 더 낮은 언덕을 만들어 줘요. 충돌 이론에 따르면 분자는 충분한 에너지를 가지고 알맞은 방향으로 부딪힐 때만 반응해요.
• 원자의 구조 – 원자는 가운데에 작고 무거운 양전하의 원자핵이 있고, 원자핵은 양성자와 중성자로 이루어져 있어요. 전자는 K, L, M, N 같은 정해진 껍질을 따라 움직여요. 양성자 수(Z)가 원소의 종류를 정하고, 양성자 수와 중성자 수를 더하면 질량수(A)가 돼요. 가장 바깥 전자가 원자가를 정해요. 동위원소는 Z가 같고, 동중원소는 A가 같아요.
• 탄소 화합물의 화학적 성질, 에탄올과 에탄산 – 탄소 화합물은 산소와 만나 타면서 CO₂, 물, 열, 빛을 내요(연소). 강한 산화제는 알코올을 산으로 바꿔요(산화). 불포화 화합물은 니켈 촉매 아래에서 수소를 붙잡아요(첨가). 포화 화합물은 햇빛 아래에서 수소 대신 염소가 들어가요(치환). 에탄올은 나트륨과 반응해 수소를 내고, 탈수되면 에텐이 돼요. 에탄산은 약한 산이라서 알코올과 에스터를, 탄산염과 CO₂를 만들어요.
• 화학 반응과 화학 반응식의 균형 맞추기 – 화학 반응에서 원자는 새로 생기거나 사라지지 않고, 짝만 바꿔요. 그래서 화학 반응식은 양쪽에서 원자의 종류별 개수가 같아야 해요. 균형은 화학식 앞의 숫자(계수)를 바꿔서 맞추고, 화학식 자체는 절대 바꾸지 않아요.
• 화학 평형: Kc, Kp, Q 그리고 깁스 에너지 – 닫힌 용기에서 가역 반응은 양쪽으로 모두 일어납니다. 시간이 지나면 정반응 속도와 역반응 속도가 같아져서 양은 더 이상 변하지 않지만, 반응이 멈추는 것은 아닙니다. 이것이 동적 평형입니다. 평형에서는 생성물과 반응물의 비(각각 계수만큼 거듭제곱)가 일정한 수가 되는데, 이것이 평형 상수 K입니다. Kc는 농도로, Kp는 부분 압력으로 나타내며 Kp = Kc(RT)^Δn 입니다. 순수한 고체와 액체는 K에 넣지 않습니다. 반응 지수 Q는 반응이 가는 방향을 알려 줍니다. Q < K이면 정반응, Q > K이면 역반응, Q = K이면 평형입니다. K와 깁스 에너지도 이어져 있습니다. ΔG = ΔG° + RT ln Q, ΔG° = −RT ln K.