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과학/화학70

이온화 에너지와 전자 친화도 이온화 에너지 (Ionization energy)이온화 에너지는 원자나 분자에서 전자를 떼어내는데 필요한 에너지이다. 1번째 전자를 떼어낼 때를 1차 이온화 에너지라고 하고 2번째 전자를 떼어낼 때를 2차 이온화 에너지라고 한다. 계속해서 전자를 떼어내면 n차 이온화 에너지라고 한다. 보통 차수가 올라갈수록 이온화 에너지는 커진다. 원소의 이온화 에너지는 원자 1몰에서 전자 1몰을 떼어내는데 필요한 에너지이다. 단위는 kJ/mol를 사용한다. 전자 친화도 (Electron affinity)전자 친화도는 원자나 분자가 전자를 얻을 때 방출되는 에너지이다. 전자 친화도의 단위는 kJ/mol를 사용한다. 이온화 에너지와는 반대의 관계이다. 하지만, 중성의 원자에서 전자를 떼어낼 때 필요한 에너지가 이온화 에너.. 2020. 5. 19.
비활성 기체의 전기음성도가 없는 이유 비활성 기체인 헬륨, 네온, 아르곤은 전기음성도 자료가 없다. 전기음성도는 공유결합을 했을 때 전자를 당기는 정도를 나타낸다. 하지만 위의 비활성 기체는 다른 원자와 결합을 하지 않기 때문에 전기음성도를 알 수가 없다. ☞ 전기음성도표 2020. 5. 18.
이온결합과 공유결합의 차이 이온결합 (Ionic bond) 주기율표의 1족과 2족 원소는 전자를 잃기 쉽고 15~17족 원소는 전자를 얻으려고 한다. 이 2종류의 원자가 접근하면 한쪽에서 다른 쪽으로 전자가 이동하게 된다. 전자가 이동하면 양쪽에서 전기력이 작용하여 당겨 결합하게 되는데 이것을 이온결합이라고 한다. 이온결합은 주로 금속 원소과 비금속 원소 사이에서 일어난다. 이온결합을 한 NaCl에서 Na의 최외각전자는 1개이고 Cl의 최외각전자는 7개이다. 옥텟 규칙으로 최외각전자를 8개 만들려는 성질이 있기 때문에 Na의 전자 1개가 Cl로 이동하여 Na과 Cl 모두 최외각전가가 8개가 된다. 이온결합을 한 물질은 성분 구성비만 나타내는 실험식을 사용한다. 왜냐하면, NaCl은 NaClNaClNaClNaClNaCl ... 으로.. 2020. 5. 18.
열역학 제1법칙 물질의 이동은 없고 에너지 이동만 있는 닫힌 계에서 열역학 제1법칙 (The first law of thermodynamics)은 다음 식과 같다. 여기서 U : 내부 에너지 Q : 계에 들어오거나 나간 열 W : 계에 들어오거나 나간 일 즉, 다음과 같이 쓸 수 있다. 내부 에너지 증가 = 외부에서 계에 들어온 열 - 계가 외부에 한 일 내부 에너지 증가 = 외부에서 계에게 한 일 - 계에서 외부로 나간 열 내부 에너지 증가 = 외부에서 계에 들어온 열 + 외부에서 계에게 한 일 열역학 제1법칙은 에너지 보존법칙을 표현한 것이다. 계에 들오거나 나간 일의 부호를 반대로 하여 다음과 같이 표현하는 경우도 많다. 2020. 5. 16.
수소 산소 결합 폭발 조건 수소와 산소가 만났을 때 스파크와 같은 점화가 있어야지 폭발하지 가만히 있다고 폭발하지는 않는다. 수소가 누출되어 공기 중의 산소와 만나도 점화 조건이 되지 않으면 폭발하지 않고 그대로 공중으로 날아간다. 수소와 산소가 결합하기 위해서는 먼저 수소분자와 산소분자가 분해되어야 한다. 분해되는 화학식은 다음과 같다. 위와 같이 원자 결합을 깨고 분자가 분해되기 위해서는 외부에서 에너지를 공급해야 한다. 위의 화학식에서 필요한 에너지는 1370 kJ이다. 분해된 수소분자와 산소분자는 다음과 같이 결합하여 물이 되면서 에너지를 방출한다. 여기서 방출되는 에너지는 1804 kJ이다. 따라서, 방출 에너지에서 공급 에너지를 뺀 순 방출 에너지는 470 kJ이다. 수소와 산소를 결합시키기 위해서는 수소분자와 산소분자.. 2020. 5. 15.
엔탈피 정의 어떤 계의 엔탈피 (Enthalpy)는 그 계가 가지고 있는 전체 에너지이다. 엔탈피의 정의는 다음과 같다. 여기서, H : 엔탈피 U : 계의 내부 에너지 P : 계의 압력 V : 계의 부피 산소와 수소로 이루어진 계에서 산소와 수소가 결합하면 에너지를 방출한다. 이때 산소와 수소가 결합하기 전에는 이러한 에너지를 계가 가지고 있는데 이것이 내부 에너지 (Internal energy)이다. 엔탈피는 절대적인 양을 정확하게 알기 어렵기 때문에 엔탈피의 변화량을 주로 사용한다. 엔탈피의 변화량은 다음 식과 같다. (미분의 곱의 법칙) 압력이 일정할 때는 압력의 변화량 ΔP가 0 이므로 다음 식과 같아진다. 압력의 변화량이 0 일때 계에 유입 또는 유출되는 열량은 엔탈피의 변화량과 같다. 메탄의 엔탈피 1몰.. 2020. 5. 15.
화학 공부 많은 사람들이 화학을 암기과목으로 생각하는 경향이 있다. 그래서 많은 것을 무조건 외울려고 한다. 하지만 화학은 수학과 같이 이해를 하며 공부해야 하는 학문이다. 수학은 몇개의 기본개념이 있고 그 개념을 응용하여 다양한 문제를 푼다. 수학 공부에서 가장 중요한 것은 기본 개념이다. 모든 문제는 기본개념으로 풀 수 있다. 화학에서 수학의 기본개념에 해당하는 것은 원자와 전자이다. 모든 화학 현상은 원자와 전자의 동작에 따라 일어나고 해석할 수 있다. 원자와 전자를 벗어난 화학 현상은 존재하지 않는다. 그래서, 화학을 공부할 때는 공부하는 화학 현상이 원자와 전자 수준에서 어떤 일이 일어나는지를 항상 따져봐야 한다. 원자와 전자는 화학에서 가장 중요하기 때문에 화학 교과서에 가장 앞에 나온다. 원자와 전자가.. 2020. 5. 15.
수소결합 전기음성도가 큰 F, O, N 원자와 H 원자가 결합하여 이룬 분자들 사이에서 작용하는 정전기 인력을 수소결합 (Hydrogen bond, H-bond)이라고 한다. 전기음성도가 큰 물질은 전자를 강하게 당기기 때문에 이러한 물질은 극성의 세기가 크다. 수소결합은 분자간 작용하는 힘으로 분자내 결합인 공유결합이나, 이온결합 등과는 다르다. 분자간 작용하는 힘에는 분산력, 쌍극자-쌍극자 힘 등이 있는데 그 중 수소결합이 가장 강하다. 수소결합을 하는 분자는 분자간 결합력이 강하여 다른 물질에 비해 녹는점과 끊는점이 높다. 다음 그림과 같이 물분자는 극성을 가지는데 수소원자와 산소원자 사이에 작용하는 힘이 수소결합이다.물분자의 수소결합은 다음에 영향을 준다.● 높은 끊는점과 어는점● 얼었을 때 부피 증가● .. 2020. 5. 13.
화학 세부 분야 화학은 크게 물리화학, 유기화학, 무기화학, 분석화학이 있다. 물리화학은 물리학의 관점에서 화학을 이해하는 분야이다. 양자역학, 통계열역학 등의 물리법칙을 화학에 적용한다. 물리화학에는 고체화학, 광화학, 계산화학, 분광학, 양자화학, 이론화학, 열화학, 전기화학, 표면화학 등이 있다. 유기화학은 탄소를 포함한 분자를 다루는 분야이다. 유기화학에는 고분자화학, 물리유기화학, 생화학, 신경화학, 약학, 유기금속화학, 화학생물학 등이 있다. 무기화학은 유기화학에서 다루는 물질을 제외한 모든 물질을 다루는 분야이다. 무기화학에는 재료과학, 핵화학 등이 있다. 분석화학은 물질의 성분을 분석하는 분야이다. 위의 분야 이외에 생화학, 지구화학, 나노화학 등이 있다. 2020. 5. 13.
삼투압 원리 다음 그림과 같은 U자 관의 가운데에 반투막을 설치한다. 반투막에는 매우 작은 구멍이 있다. 그 구멍에는 물분자는 통과하지만 설탕분자는 통과하지 못한다. U자 관 왼쪽에는 순수한 물을 넣고 오른 쪽에는 설탕물을 넣는다. 시간이 지나면 다음 그림과 같이 왼쪽의 물 분자가 오른쪽으로 이동하여 왼쪽의 수위가 낮아지고 오른쪽의 수위는 높아진다. 이와 같이 농도가 낮은 쪽에서 농도가 높은 쪽으로 용매 (여기서는 물)가 이동하는 현상을 삼투 현상 (Osmosis)이라고 한다. 위 U자 관에서 오른쪽 설탕물에 압력을 가하면 수위가 같아지는데 이 압력을 삼투압 (Osmotic pressure)이라고 한다. 삼투 현상은 용매나 용질의 종류에 상관 없이 다음과 같은 삼투압 공식이 성립한다. 여기서, C는 몰 농도, R은 .. 2020. 5. 12.
반데르발스 힘 무극성 분자의 전자가 한쪽으로 쏠리면 순간적으로 전기장을 가지는 순간 쌍극자를 형성한다. 이것을 편극 (Polarization)이라고 한다. 순간 쌍극자 (Instantaneous dipole)의 전기장은 주위의 무극성 분자에 영향을 주어 무극성 분자를 유발 쌍극자 (Induced dipole)로 만든다. 아래 그림과 같이 순간 쌍극자와 순간 쌍극자의 영향을 받은 유발 쌍극자는 서로 당기는 힘이 생긴다. 이 힘을 분산력 (Dispersion force) 또는 런던 힘 (London force)이라고 한다. 반데르발스 힘 (Van der waals force)는 사람마다 조금씩 다르게 정의한다. 위의 분산력을 반데르발스 힘이라고도 하고 또는 모든 분자간의 힘을 반데르발스 힘이라고도 한다. 원자의 전자 분포.. 2020. 5. 12.
기체상수 구하기 이상기체 방정식은 다음과 같다.여기서, P는 압력, V는 부피, n은 몰수, T는 온도, R은 기체상수 이다. 기체상수 (Gas constant)는 다음과 같다. 기체 1몰, 0도, 1atm, 22.4L의 기체상수 R은 다음과 같다. 2020. 5. 11.
보일의 법칙 보일의 법칙은 다음 식과 같이 기체에서 온도가 일정할 때 압력과 부피의 곱은 항상 일정하다는 것이다. 다른 말로 하면 기체의 온도가 일정할 때 압력을 증가 시키면 부피가 감속하고 압력을 줄이면 부피가 증가한다는 것이다. 어떤 기체를 갑자기 압축하면 온도가 올라간다. 그래서 압축하는 순간에는 온도가 달라 보일의 법칙이 성립하지 않는다. 압축 후 일정 시간이 흘려 온도가 외부와 같아 졌을 때 보일의 법칙이 성립한다. 2020. 5. 9.
비누 성분 비누는 지방산과 알칼리 금속염을 주성분으로 만들어진다. 알칼리 금속염은 수산화나트륨이나 수산화칼륨을 사용한다. 집에서 비누를 만들기 위해서는 폐식용유에 수산화나트륨을 넣고 잘 저은 후 1주일 정도 건조하면 된다. 폐식용유는 트랜스 지방으로 새 식용유보다 비누가 더 잘 만들어 진다. 올리브유를 사용한 비누도 있다. 비누에 사용되는 알칼리 금속염은 염기성이다. 염기는 단백질을 녹이는 성질이 있기 때문에 비누를 많이 사용하면 피부의 단백질이 녹아 따끔거린다. 2020. 5. 8.
산화 환원 반응 산화 (Oxidation)는 산소를 얻거나 수소 또는 전자를 잃는 것을 의미한다. 반대로 환원 (Reduction)은 산소를 잃거나 수소 또는 전자를 얻는 것을 의미한다. 환원 (Reduction)과 산화 (Oxidation)를 합쳐 Redox 이라고 한다. 산화와 환원은 원래 산소를 얻거나 잃는 것을 의미했다. 하지만, 산소를 얻고 잃는 것과 전자를 잃고 얻는 것은 같은 작용을 한다. 왜냐하면 산소의 전기음성도는 3.44로 매우 높기 때문에 산소를 얻으면 산소에게 전자를 빼앗기기 때문이다. 산소보다 전기음성도가 높은 플루오린은 산소의 전자를 뺏어 산소를 산화시킨다. 산소를 얻고 잃음메탄의 연소 반응식은 다음과 같다.CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O메탄의 탄소는 산소를 얻어 이산화탄소로 산화된다... 2020. 5. 8.
pH 농도 계산 물 H2O는 H3O+와 OH-로 이온화 되는데 이것을 물의 자동 이온화라고 한다. 25도 순수한 물의 H3O+ 또는 OH-의 몰 농도는 1×10-7M 이다. M은 mol/l 로 1리터에 들어 있는 용질의 몰이다. pH의 정의는 다음과 같다.pH = -log [H3O+]여기서 [ ]는 몰 농도이고 단위는 M이다. 25도 순수한 물의 pH는 7이다.pH = -log [H3O+] = -log(1×10-7) = 7 pH가 7일 때 순수한 물로 중성이고, 7보다 작으면 산성이고, 7보다 크면 염기성이다. pOH는 다음과 같다.pOH = -log [OH-] pH는 로그값이기 때문에 pH가 1만큼 변할 때 농도는 10배만큼 변한다. 2020. 5. 7.
물분자 구조 물분자의 구조는 다음 그림과 같다.수소원자의 반지름은 1.2Å이고 산소원자의 반지름은 1.4Å이다. 2020. 5. 7.
금속 결합 금속 결합 (Metallic bonding)은 화학결합의 한 종류로 금속 원자들이 결합하는 방식이다. 금속의 원자가전자는 원자에서 쉽게 떨어진다. 이와 같이 원자에서 풀려난 전자를 자유전자라고 한다. 금속은 원자 주위를 자유전자들이 자유롭게 이동하면서 결합을 한다. 전자가 원자에 묶여 있는 이온결합이나 공유결합과 다르다. 금속은 자유전자로 인해 전기전도성과 열전도성이 높고 연성과 전성이 높다. 결합력은 공유결합이 가장 높다. 그래서, 공유결합을 한 물질의 녹는점이 더 높고 더 단단하다. 2020. 5. 7.
루이스 구조 루이스 구조 (Lewis structures, Lewis dot structures)는 화학 결합 구조를 나타내는 방법이다. 물 H2O의 분자 구조는 다음과 같다. 2개의 전자는 한쌍으로 공유결합을 한다. 이와 같은 표현을 루이스 전자점식이라고 한다.위 그림의 전자쌍을 선분으로 나타내면 다음과 같다.공유결합에 사용되지 않는 전자를 생략하면 다음과 같다. 이것을 루이스 구조식이라고 한다.에텐의 루이스 구조는 다음과 같다. C 사이에 선분이 2개인 것은 전자쌍이 2개라는 의미이다. 2020. 5. 7.
전기음성도 전기음성도 (Electronegativity)는 공유결합을 하는 원자가 전자를 당기는 정도를 나타낸 값이다. 전기음성도는 상대적인 값으로 값이 클수록 전자를 더 강하게 당긴다. 고등학교 교과서에는 플루오린의 전기음성도가 4이고 그 값이 기준이라고 나오는데 실제 플루오린의 전기음성도는 3.98이고 기준도 아니다. 수소의 전기음성도는 2.20이다. HCI에서 H의 전기음성도는 2.20이고 Cl의 전기음성도는 3.16이다. Cl의 전기음성도가 더 크기 때문에 Cl에서 전자를 더 강하게 당긴다. 따라서, Cl는 음전하를 띄고 H는 양전하를 띈다. 전기음성도 테이블 2020. 5. 6.
공유결합 공유결합 (Covalent bond)은 원자결합 중에서 원자의 전자들이 서로 공유함으로써 결합하는 것이다.다음 그림의 수소 원자 2개는 전자를 공유하여 결합되어 수소 분자 H2가 된다.수소원자의 거리에 따라 에너지는 다음 그림과 같다.수소원자가 떨어져 있을 때는 서로 인력이 작용하여 당긴다. 원자 사이 거리가 74pm보다 가까워지면 서로 척력이 작용하여 원자를 밀어낸다. 따라서 74pm 거리를 유지하여 서로 결합하게 된다. 원자에 작용하여 인력이나 척력은 원자핵에 있는 양성자와 전자에 의해서 일어난다. 양성자는 상대편의 전자를 당기지만 원자가 너무 가까이 접근하면 양성자는 상대편의 양성자를 밀어내게 된다. 수소원자가 결합하여 수소분자가 될 때 1몰당 426kJ의 에너지를 방출한다. 수소분자에 426kJ을.. 2020. 5. 6.
옥텟 규칙 옥텟 규칙 (Octet rule)은 보통 원자의 최외각 껍질에 전자가 8개 들어갈 때 가장 안정된 상태라는 규칙이다. 옥텟 규칙은 보통 2주기 원소에 맞고 예외가 다수 존재한다. 옥텟 규칙은 과학적으로 엄밀한 이론이 아니고 대략적으로 적용되는 규칙이다. 예를 들면, Na의 최외각 껍질에는 전자가 1개이고 그 안쪽 껍질에는 전자가 8개이다. Cl의 최외각 껍질에는 전자가 7개이다. 그래서, Na는 전자를 1개 잃어 최외각 껍질 전자가 8개가 되고 Cl는 전자를 1개 얻어 최외각 껍질 전자가 8개가 되려고 한다. 2020. 5. 6.
원자 반지름 원자를 구성하는 전자는 확률 분포로 넓게 펴져 있기 때문에 원자의 반지름을 정확하게 알기가 어렵다. 그래서, 원자가 결합할 때 원자핵 사이 거리의 절반을 원자 반지름으로 정의한다. 다음 그림과 같은 H2 분자에서 원자핵 사이 거리는 74pm이고 원자 반지름은 그 절반인 37pm이다. 원자 반지름은 주기율표를 따라 주기성을 가진다. 2020. 5. 6.
오비탈 전자는 원자핵 주위의 일정한 궤도를 돌지 않는다. 전자는 원자핵 주위에 발견될 확률을 가지고 분포되어 있다. 하나의 전자가 발견된 확률 분포는 다음 그림과 같다. 이와 같이 1개의 전자가 가지는 확률 분포를 오비탈 (Orbital)이라고 한다.위의 확률 분포에서 발견된 확률이 90% 이상인 지점들을 그리면 다음과 같은 구가 된다.위 그림과 같이 전자가 발견될 확률 분포가 구일 때를 s 오비탈이라고 한다.전자가 발견될 확률 분포가 아래와 같은 모양일 때를 p 오비탈이라고 한다.전자가 1개인 수소 전자가 바닥상태일 때는 s1 오비탈 1개로 구성된다. 전자가 증가하면 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s 등과 같은 오비탈이 형성된다. 2020. 5. 5.
원자 표기법 원자 표기법은 다음과 같다. 질량수 = 양성자수 + 중성자수 원자번호 = 양성자수 13C는 질량수 13으로 양성자 6개와 중성자 7로된 탄소 동위원소이다. 2020. 5. 5.
옥탄의 연소 반응식 가솔린의 주성분인 옥탄 (C8H18)의 연소 반응식은 다음과 같다.2C8H18 + 25O2 → 16CO2 + 18H2O 옥탄은 1몰당 5,460KJ의 에너지를 낸다. 2020. 5. 5.
기체 1몰의 부피 1몰은 6.02214129×1023개 이다. (몰은 갯수의 단위이다) 온도가 0℃이고 압력이 1atm일 때 기체 1몰의 부피는 22.414 L 이다. 이와 같은 기체 1몰의 부피를 몰부피(Molar volume)라고 한다. 기체 부피가 기체 분자의 종류에 관계없고 부피가 분자개수와 온도와 압력에 의해서만 결정된다는 것을 아보가드로 법칙이라고 한다. ※ 온도가 0℃이고 압력이 1atm일 때를 STP(Standard Temperature and Pressure)라고 한다. 2020. 5. 5.
중화반응과 염 염 (Salt)이란 산의 음이온과 염기의 양이온이 결합하여 만들어진 물질이다. 예를 들면, 다음과 같이 HCI과 NaOH이 반응하면 H2O과 NaCl이 된다. 여기서 NaCl을 염이라고 한다.HCI + NaOH → NaCl + H2O(H+ + Cl-)+ (Na+ + OH-) → NaCl + H2O 다음과 같은 염들이 있다.HNO3 + KOH → KNO3 + H2OH2CO3 + Ca(OH)2 → CaCO3 + 2H2O 2020. 5. 5.
리트머스 종이 리트머스 종이(Litmus paper)는 리트머스 수용액을 종이에 적셔 말린 종이로 산 또는 염기를 판별하는데 사용된다. 청색 리트머스 종이에 산을 적시면 붉은색으로 변하고, 붉은색 리트머스 종이에 염기를 적시면 청색으로 변한다. 리트머스 종이는 판별 구간이 좁아서 정확한 pH를 위해서는 pH 미터를 사용해야 한다. 2020. 5. 5.
우리 몸의 pH 우리 몸의 부위별 pH는 다음과 같다. 신체 pH 침 7 위 2 소장 8 혈액 7.4 피부 5.5 눈물 7.4 오줌 5~6 pH 7은 중성이고 7보다 낮으면 산성이고 7보다 높으면 염기성이다. 2020. 5. 5.
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