연소
탄소와 탄소 화합물은 산소 속에서 타서 이산화 탄소, 물, 열, 빛을 내요: CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O + 열 + 빛; C₂H₅OH + 3O₂ → 2CO₂ + 3H₂O + 열 + 빛.
- 포화 탄화수소는 보통 깨끗한 파란 불꽃으로 타요.
- 불포화 탄화수소는 노랗고 그을음이 많은 불꽃으로 타요(탄소가 많아서 불완전하게 타요).
- 공기가 부족하면 포화 연료도 그을음을 내요. 그래서 공기구멍이 막힌 버너는 냄비 바닥을 까맣게 만들어요.
석탄과 석유에는 질소와 황이 들어 있어서 태우면 황 산화물과 질소 산화물이 나오고, 이것이 산성비의 원인이 돼요.
산화
연소도 산화의 한 종류지만, 알코올은 조절된 방식으로도 산화시킬 수 있어요. 염기성 과망가니즈산 칼륨(KMnO₄)이나 산성 다이크로뮴산 칼륨(K₂Cr₂O₇)은 산화제예요. 다른 물질에 산소를 주는 물질이라는 뜻이에요.
CH₃CH₂OH + 2[O] → CH₃COOH + H₂O (염기성 KMnO₄와 함께 가열할 때).
과망가니즈산 칼륨의 분홍색은 쓰이는 동안 사라져요. 에탄올이 모두 산화되고 나면 남는 KMnO₄ 때문에 분홍색이 그대로 남아요.
첨가 반응
불포화 화합물은 이중 결합이나 삼중 결합에 원자를 붙여요. 수소와 촉매(니켈 또는 팔라듐)가 있으면 에텐이 에테인이 돼요: CH₂=CH₂ + H₂ → CH₃–CH₃.
촉매는 자신은 소모되지 않으면서 반응 속도만 바꾸는 물질이에요.
기름의 수소 첨가
식물성 기름에는 불포화 결합이 있는 긴 사슬이 있어요. 니켈 촉매로 수소를 붙이면 단단한 포화 지방(마가린, 쇼트닝)이 돼요. 불포화 기름이 더 건강에 좋다고 하고, 포화 지방을 너무 많이 먹으면 심장 질환과 관련이 있어요.
치환 반응
포화 탄화수소는 반응성이 낮지만, 햇빛 아래에서는 염소가 수소 원자를 하나씩 바꿔 넣어요: CH₄ + Cl₂ → CH₃Cl + HCl. 염소가 더 많으면 CH₂Cl₂, CHCl₃, CCl₄도 만들어질 수 있어요.
첨가와 치환의 차이: 첨가는 이중/삼중 결합이 필요하고 생성물이 하나예요. 치환은 원자를 서로 바꾸고 생성물이 둘이에요.
에탄올 (에틸 알코올)
에탄올 C₂H₅OH는 실온에서 색이 없는 액체이고, 물과 어떤 비율로도 섞이며, 좋은 용매예요(팅크제, 기침 시럽). 술의 효과를 내는 성분이기도 해요. 적은 양도 몸과 뇌에 영향을 주고, (불법으로 섞이기도 하는) 메탄올은 실명과 죽음을 일으킬 수 있어요. 공업용 알코올은 마시지 못하도록 메탄올과 파란 색소를 넣어 변성시켜요.
에탄올의 반응
- 나트륨과: 2CH₃CH₂OH + 2Na → 2CH₃CH₂ONa + H₂↑ (나트륨 에톡사이드 + 수소).
- 탈수: 443 K에서 진한 H₂SO₄를 넉넉히 넣고 가열하면 물이 빠져요: CH₃CH₂OH → CH₂=CH₂ + H₂O.
에탄올을 휘발유에 섞어 더 깨끗한 연료로 써요(사탕수수로 만든 에탄올 혼합).
에탄산 (아세트산)
에탄산 CH₃COOH는 약한 산이에요(일부만 이온화해요). 순수한 에탄산은 약 290 K(17 °C)에서 얼어서 추운 날씨에는 얼음처럼 보여요. 그래서 빙초산이라고 불러요. 식초는 물에 5~8% 녹인 용액이에요.
- 에스터화: CH₃COOH + C₂H₅OH ⇌ CH₃COOC₂H₅ + H₂O (진한 H₂SO₄와 함께). 에스터인 에틸 에탄오에이트는 달콤한 과일 향이 나요.
- 비누화: 에스터 + NaOH → 알코올 + 산의 나트륨염. 이렇게 비누를 만들어요.
- 염기와: CH₃COOH + NaOH → CH₃COONa + H₂O.
- 탄산염, 탄산수소염과: 2CH₃COOH + Na₂CO₃ → 2CH₃COONa + H₂O + CO₂; CH₃COOH + NaHCO₃ → CH₃COONa + H₂O + CO₂ (석회수를 뿌옇게 해요).
핵심 공식과 정의
- 연소: CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O + 열 + 빛
- 산화: CH₃CH₂OH → CH₃COOH (염기성 KMnO₄ 또는 산성 K₂Cr₂O₇, 가열)
- 첨가: CH₂=CH₂ + H₂ → CH₃CH₃ (Ni 촉매)
- 치환: CH₄ + Cl₂ → CH₃Cl + HCl (햇빛)
- 2C₂H₅OH + 2Na → 2C₂H₅ONa + H₂
- C₂H₅OH → C₂H₄ + H₂O (뜨거운 진한 H₂SO₄, 443 K)
- CH₃COOH + C₂H₅OH ⇌ CH₃COOC₂H₅ + H₂O (산 촉매)
- CH₃COOC₂H₅ + NaOH → C₂H₅OH + CH₃COONa (비누화)
- CH₃COOH + NaHCO₃ → CH₃COONa + H₂O + CO₂
풀이 예제
1. 에테인의 완전 연소 반응식을 균형 맞춰 써 보세요.
2C₂H₆ + 7O₂ → 4CO₂ + 6H₂O + 열 + 빛. (먼저 C를 맞춰 4, 그다음 H: 12 → 6H₂O, 마지막으로 O: 8 + 6 = 14개 = 7O₂.)
2. 포화 탄화수소는 깨끗한 불꽃을 내는데 나프탈렌은 왜 그을음이 나는 불꽃을 낼까요?
나프탈렌은 불포화이고 탄소가 많아요. 탄소를 모두 태울 만큼 산소가 충분하지 않아서, 타지 않은 탄소 입자가 노랗고 그을음이 많은 불꽃을 만들어요.
3. 에텐 + H₂와 메테인 + Cl₂ 중 첨가 반응은 어느 것일까요? 왜 그런가요?
에텐 + H₂가 첨가 반응이에요. H 원자 두 개가 C=C에 붙고 생성물은 하나(에테인)예요. 메테인 + Cl₂는 치환 반응이에요. Cl이 H와 자리를 바꾸고 생성물이 둘(CH₃Cl + HCl)이에요.
4. C₂H₆O인 화합물 X가 나트륨과 반응해 '펑' 소리를 내며 타는 기체를 냅니다. 염기성 KMnO₄로 산화하면 C₂H₄O₂인 Y가 됩니다. X, Y와 그 기체를 찾으세요.
X는 에탄올(C₂H₅OH), 기체는 수소('펑' 소리 시험), Y는 에탄산(CH₃COOH)이에요.
5. 베이킹 소다로 에탄올과 에탄산을 어떻게 구별할까요?
NaHCO₃를 넣어요. 에탄산은 거품이 나며 CO₂가 나오고(석회수가 뿌옇게 돼요), 에탄올은 거품이 나지 않아요.
6. Y(C₂H₄O₂)를 X(C₂H₆O)와 진한 H₂SO₄ 몇 방울과 함께 데웠더니 달콤한 냄새가 났어요. 반응 이름과 생성물을 말하고, 그 생성물에서 X를 다시 얻는 방법을 보이세요.
에스터화: CH₃COOH + C₂H₅OH ⇌ CH₃COOC₂H₅ + H₂O; 생성물은 에틸 에탄오에이트예요. 이것을 NaOH와 가열하면(비누화) 에탄올 + 나트륨 에탄오에이트가 나와요.
자주 하는 실수
- 포화 탄화수소가 첨가 반응을 한다고 말하는 것. 첨가는 불포화 화합물(C=C 또는 C≡C)만 하고, 포화 화합물은 치환을 해요.
- 조건을 잊는 것. 첨가는 Ni/Pd 촉매, 치환은 햇빛, 에스터화는 산 촉매가 필요해요.
- 에탄올 + Na에서 나오는 기체를 산소라고 쓰는 것. 정답은 수소이고, '펑' 소리를 내며 타요.
- 에탄산을 강한 산이라고 부르는 것. 약한 산이에요. 물에서 아주 일부만 이온화해요.