[스크랩] 일반화학 요점정리
제 1장. 일반화학
1. 물질과 에너지
A. 물질과 물체
가. 정의
⑴ 물체(body)
⑵ 물질(substance)
나. 물질의 성질
⑴ 화학적 성질 : 반응성
⑵ 물리적 성질 : 고유의 성질
다. 물질의 변화
⑴ 물리적 변화
물질의 본질에는 변화가 없고, 상태만 변하는 것
① 기체 → 고체 (기화)
② 고체 → 기체 (기화)
③ 고체 → 액체 (용해)
④ 액체 → 고체 (응고)
⑤ 액체 → 기체 (기화)
⑥ 기체 → 액체 (액화)
⑵ 화학적 변화
물질의 본질이 변하여 전혀 다른 물질로 변화되는 본질적인 변화
① 화합(combination) : A + B → AB
C + O2 → CO2
② 분해(decomposition) : AB → A + B
2H2O → 2H2 + O2
③ 치환(subsituation) : A + BC → AC + B
Zn + H2SO4 → ZnSO4 + H2
④ 복분해(double decomposition) AB + CD → AC + BD
HCl + NaOH → NaCl + H2O
B. 순물질과 혼합물
가. 정의
⑴ 순물질 : 단일 물질로 구성
① 단체 : 단일 원소로 존재
② 화합물 : 두 가지 이상의 원소로 존재
⑵ 혼합물 : 두 가지 이상의 순물질이 섞여 있는 것
① 균일 혼합물 : 성분이 고르게 분포
② 불균일 혼합물 : 성분이 고르지 않게 분포
나. 순물질과 혼합물의 구별 방법
⑴ 융점(melting point)과 비등점(boiling point)을 측정
⑵ 성분비를 조사
⑶ 분리하는 방법으로 조사
① 순물질 : 화학적 방법으로 분리 가능
② 혼합물 : 물리적 방법으로 분리 가능
C. 혼합물의 분리 방법
가. 기체의 혼합물의 분리법
⑴ 액화 분류법 : 비등점의 차이를 이용해 분리
⑵ 흡수법 : 혼합 기체를 흡수제로 통과시켜 분리
나. 액체 혼합물의 분리법
⑴ 여과법
⑵ 분액 깔대기법 : 비중차이를 이용해서 분리
⑶ 증류법 : 비등점의 차이를 이용해서 분리
다. 고체 혼합물의 분리법
⑴ 재결정법 : 용해도의 차이를 이용해서 분리
⑵ 추출법 : 특정 용매에 녹여서 분리
⑶ 승화법
D. 단체와 동소체
가. 원소
물질을 구성하는 가장 기본 성분. 더 이상 나누어져 다른 물질로 만들 수 없다.
나. 단체(홑원소 물질)
다른 물질로 분해할 수 없는 한 종류의 원소로 이루어진 순물질
다. 동소체
같은 원소로 되어 있으나, 성질이 다른 단체
2. 원자, 분자, 이온
A. 원자, 분자, 이온
가. 원자 : 물질을 구성하고 있는 가장 작은 입자
⑴ 원자의 구조
① 원자핵
1) 양성자(+)
2) 중성자
② 전자(-)
⑵ 원자번호와 질량수
① 원자번호 = 양성자수 = 전자수
② 질량수 = 양성자수 + 중성자수
⑶ 원자량 : 탄소원자 C의 질량을 12로 하고 이에 비교한 상대적인 질량의 비
⑷ g원자 : 원자량에 g을 붙여 표시
⑸ 원자량을 구하는 방법
① 듀롱 프티(Dulong-Petit)의 법칙
원자량 × 비열 ≒ 6.4
② 당량과 원자가로 원자량을 구하는 방법
당량 × 원자가 = 원자량
나. 분자
순물질을 띠고 있는 가장 작은 입자로서 1개 또는 그 이상의 원자가 모여 형성
된 것
⑴ 분자의 종류
① 단원자 분자
② 이원자 분자
③ 삼원자 분자
④ 고분자
다. 이온
⑴ 이온의 종류
① 양이온(anion) : 전자를 잃어 (+)를 띠는 것
② 음이온(cation) : 전자를 얻어 (-)를 띠는 것
③ 라디칼(radical) : 원자단이 전하를 띠는 것
B. 원자 및 분자에 관한 법칙
가. 원자에 관한 법칙
⑴ 질량보존의 법칙
화학 반응에서 반응 물질의 총합과 생성된 물질의 총합은 같다.
⑵ 일정성분비의 법칙
순수한 화합물에서 성분 원소의 중량비는 항상 일정하다.
⑶ 배수비례의 법칙
두 가지 원소가 두 가지 이상의 화합물을 만들 때 한 원소의 일정한 중량에
대해서 결합하는 다른 원소의 중량간에 간단한 정수비가 성립한다.
나. 분자에 관한 법칙
⑴ 기체반응의 법칙
화학 반응을 하는 물질이 기체일 때 반응 물질과 생성 물질의 부피 사이에는 간단한 정수비가 성립한다.
⑵ 아보가드로의 법칙
1STP에서 6.02×1023개의 분자가 있다.
C. 화학식과 화학 반응식
가. 원자가
⑴ 원자가
어떤 원소 1개가 수소 원자를 치환할 수 있는 정도
⑵ 당량
수소 1g 또는 산소 8g과 결합하거나 치환되는 다른 원소의 양
당량 = 원자량 / 원자가
원자량 = 당량 × 원자가
나. 화학식
⑴ 실험식 : 가장 간단한 정수의 비
⑵ 분자식 : 원자 종류를 그대로 도식
⑶ 시성식 : 분자 내에서 라디칼 등의 결합 상태를 식으로 도식
⑷ 구조식
3. 기체, 액체, 고체의 성질
A. 기체(gas)
가. 기체 분자 운동론
⑴ 계속적이고 불규칙적인 직선 운동
⑵ 운동 에너지는 온도에 따라 변화
⑶ 부피는 무시, 온도와 압력에 의해 부피가 결정
⑷ 완전 탄성체
나. 보일의 법칙(Boyle's law) : 부피는 압력에 반비례
다. 샤를의 법칙(Charle's law) : 부피는 온도에 반비례
라. 보일-샤를의 법칙(Boyle-Charles's law)
마. 이상 기체 상태 방정식
바. 실제 기체 상태 방정식
사. 돌턴(Dalton)의 분압 법칙
아. 그레이엄(Graham)의 기체 확산 속도 법칙
일정한 온도에서 기체의 확산 속도는 그 기체의 밀도(분자량)의 제곱에 비례
자. 기체 상수(gas constant)
R = 0.082 atm․L/g-mol․K
R = 82.06 atm․cm3/g-mol․K
R = 62.83 mmHg․L/g-mol․K
R = 1.314 atm․ft3/lb-mol․K
R = 998.9 mmHg․ft3/lb-mol․K
R = 554.9 mmHg․ft3/lb-mol․R
R = 0.7303 atm․ft3/lb-mol․R
R = 1.986 BTU/lb-mol․R
R = 1.986 cal/lb-mol․K
B. 액체(liquid)
가. 액체상태
⑴ 모양이 일정치 않다.
⑵ 비교적 느린 병진 운동과 회전 및 진동 운동을 한다.
⑶ 온도와 압력 변화에 의한 부피의 변화가 크지 않다.
나. 증발과 증기압
⑴ 증발
액체를 가열시 액체 표면의 분자 중 운동 에너지가 큰 것이 분자 간 인력을 이겨내어 떨어져 나가는 현상
⑵ 증발열
액체 1g이 기체 1g으로 될 때 필요한 열량 (물의 증발열 539cal/g)
⑶ 증기압
기체-액체 평형 상태에 이르렀을 때의 압력
다. 비등점(boiling point)
⑴ 액체의 증기압이 대기압과 같아지는 온도
⑵ 휘발성 물질일수록 증기압이 크고, 비증점은 낮아진다.
C. 고체(solid)
가. 고체상태
⑴ 진동운동
⑵ 일정한 모양과 부피를 가진다.
나. 융해열
고체 1g이 액체 1g으로 될 때 필요한 열량 (얼음의 융해열 80cal/g)
D. 물질의 상태도
가. 물의 삼중점(T)
⑴ 고체(얼음), 액체(물), 기체(수증기)가 존재하는 점 0.01℃, 4.58mmHg이다.
⑵ 고체(얼음) : 0℃, 760mmHg
⑶ 기체(수증기) : 100℃, 760mmHg
4. 용액과 용액의 농도
A. 용액과 용해도
가. 용액(solution)의 성질
⑴ 정의
① 두 종류의 순물질이 균일하게 섞여있는 것
② 용매(녹이는 물질) + 용질(녹는 물질)로 이루어짐
⑵ 용액의 분류
① 포화 용액 : 용해속도 = 속출속도
② 불포화 용액 : 용해속도 > 석출속도
③ 과포화 용액 : 용해속도 < 석출속도
나. 용해도(solubility)와 용해도 곡선
⑴ 용해도
일정 온도에서 용매 100g에 녹을 수 있는 용질의 최대 g수
⑵ 용해도 곡선
온도 변화에 따른 용해도의 변화를 나타낸 것
다. 고체, 액체, 기체의 용해도
⑴ 고체의 용해도
대부분이 온도 상승에 따라 용해도가 증가하며, 압력의 영향을 받지 않는다.
① NaCl : 온도의 영향을 받지 않음
② Ca(OH)2 : 발열 반응. 온도 상승시 용해도는 감소
⑵ 액체의 용해도
극성 물질은 극성 용매에 무극성 물질은 무극성 용매에 잘 녹는다.
① 극성 용매 : H2O, CH3COCH3, HF, HCl, NH3, H2S 등
② 무극성 용매 : C6H6, CCl4, CH4 등
⑶ 기체의 용해도
온도 상승시 용해도는 감소하나, 압력 상승시 용해도는 증가한다.
B. 용액의 농도
가. 중량 백분율(% 농도)
용액 속에 녹아 있는 용질의 g수를 나타낸 농도
나. 몰 농도(M 농도, mole 농도)
용액 1L 속에 녹아 있는 용질의 몰 수를 나타낸 농도
다. 몰랄 농도(m 농도)
용매 1000g에 녹아 있는 용질의 몰수를 나타낸 농도
라. 규정 농도(N 농도)
용액 1L 속에 녹아 있는 용질의 g 당량수를 나타낸 농도
마. 몰 농도와 규정 농도와의 관계
N 농도 = mole 농도 × 산도수(염기도수)
바. % 농도와 몰 농도와의 관계
사. % 농도와 규정 농도와의 관계
C. 묽은 용액과 콜로이드 용액의 성질
가. 묽은 용액
⑴ 묽은 용액의 비등점 상승과 빙점 강하
비휘발성 물질이 녹여 있는 용액의 비등점은 순수한 용매일 때 보다 높고, 빙점은 낮아진다.
⑵ 비등점 상승도(△Tb)와 빙점 승승도(△Tf)
① 비등점 상승도(△Tb) = 용액의 비등점 - 순용매의 비등점
② 빙점 승승도(△Tf) = 순용매의 빙점 - 용액의 빙점
⑶ 라울의 법칙(Raoult's law)
묽은 용액에서 비등점 상승도(△Tb)와 빙점 상승도(△Tf)는 그 물질의 몰랄 농도(m)에 비례한다.
① 비등점 상승도(△Tb) = m × Kb(몰오름)
② 빙점 승승도(△Tf) = m × Kf(몰내림)
③ Kb(몰오름) : 1몰랄 농도 용액의 비등점 상승도(Kb․H2O=0.52℃)
④ Kf(몰내림) : 1몰랄 농도 용액의 비등점 강하도(Kf․H2O=1.86℃)
⑷ 삼투압과 반트 호프의 법칙(Van't Hoff's law)
① 삼투압
반투막을 사이에 두고 용매와 용액을 접촉시킬 경우 양쪽의 농도가 같게 되려고 용매가 용액쪽으로 침투하는 현상을 삼투라고 하고, 이때 생기는 압력을 삼투압이라고 한다.
② 반트 호프의 법칙(Van't Hoff's law)
비전해질의 묽은 용액의 삼투압(P)은 용매와 용질의 종류에 관계없이 용액의 몰 농도와 절대 온도에 비례한다.
나. 콜로이드 용액
⑴ 콜로이드 용액
진용액(용존물질)과 현탁액(부유물질)의 중간 크기(10-7~10-5cm) 정도의 입자를 콜로이드라고 하는데 이 입자가 용해되어 있는 용액을 콜로이드 용액이라고 한다.
⑵ 콜로이드의 종류
① 소수 콜로이드
주로 무기물질로서 물과의 친화력이 작고, 소량의 전해질에 의해 응석이 잘 일어난다.
② 친수 콜로이드
주로 유기물질로서 물과의 친화력이 크고, 다량의 전해질에 의해 염석이 잘 일어난다.
③ 보호 콜로이드
불안정한 소수 콜로이드에 안정한 친수 콜로이드를 가하면 친수 콜로이드가 소수 콜로이드를 둘러써서 안정하게 하여 응석이 잘 일어나지 않게 하는 콜로이드
예) 먹물 속의 아교, 잉크속의 아라비아 고무
⑶ 콜로이드 용액의 성질
① 틴들(tyndall) 현상
콜로이드 입자가 입자의 산란성에 의해 빛의 진로가 보이는 현상
② 브라운 운동
콜로이드 입자가 용매 분자의 불균일한 충돌을 받아서 불규칙한 운동을 보이는 현상
③ 투석(dialysis)
반투막을 이용하여 분자, 이온, 콜로이드 입자를 분리시키려는 방법
④ 흡착
콜로이드 입자는 흡착력이 강하므로 그 흡착력을 이용하여 수질 오염의 정제에 사용
⑤ 전기영동
콜로이드 용액에 (+)(-)의 전극을 넣고, 직류 전압을 걸어주면 콜로이드 입자가 한쪽 극으로 쏠리는 현상
⑥ 응석과 염석
콜로이드 용액에 전해질을 넣었을때 생기는 현상
제 2장. 원자의 구조 및 화학결합
1. 원자구조
A. 원자의 구성 입자
가. 원자의 구조
⑴ 원자핵
① 양성자 (+)
② 중성자
⑵ 전자 (-)
나. 원자번호와 질량수
⑴ 원자번호 = 양성자수 = 중성자수
⑵ 질량수 = 양성자수 + 중성자수
다. 동위원소(동위체)와 동중원소(동소체)
⑴ 동위원소(동위체)
양성자수는 같으나 질량수(중성자수)가 다른 원소
⑵ 동중원소(동소체)
원자번호가 달라 서로 다른 원소이나, 질량수가 같은 원소
B. 전자껍질과 전자배열
가. 전자껍질
|
전자껍질 |
K(n=1) |
L(n=2) |
M(n=3) |
N(n4) |
|
최대전자수(2n2) |
2 |
8 |
18 |
32 |
|
부전자껍질 |
1s2 |
2s32p6 |
3s23p63d10 |
4s24p64d104f14 |
나. 전자의 에너지 준위
전자의 에너지 준위 크기는 K<L<M<N … 순이다.
다. 최외각 전자
라. 이온
마. 궤도함수(orbital)
바. 오비탈의 전자 배열
원자의 전자 배열 순서는 다음과 같다.
1s<2s<2p<3s<3p<4s<3d<ap<5s<4d<5p<… 의 순서이다.
2. 원소의 주기율
A. 원소의 주기율
가. 원소의 주기율
⑴ 멘델레프의 주기율표
⑵ 모즐리의 주기율표
나. 주기율표
⑴ 족(group)
⑵ 주기(period)
다. 전형원소와 전이원소
⑴ 전형원소
① 전자배열에서 s나 p오비탈에서 전자가 채워지는 원소
② 동족의 원자들은 화학적 성질이 비슷
⑵ 전이원소
① 전자배열에서 s오비탈을 채우고 d나 f오비탈에 전자가 채워지는 원소
② 전이원소의 특징
1) 착염을 만들어 색이 있는 화합물을 만든다.
2) 활성이 적어서 공업적으로 촉매로 많이 사용된다.
3) 두 종류 이상의 이온 원자가를 만든다.
B. 주기표에 의한 원소의 주기성
가. 금속성과 비금속성
나. 원자 반지름과 이온 반지름
다. 이온화 에너지
중성인 원자로부터 전자 1개를 떼어 양이온으로 만드는데 필요한 에너지
라. 전기음성도
⑴ 중성인 원자가 전자 1개를 잡아당기는 상대적인 수치
⑵ 비금속성이 커질수록 강하다.
⑶ 전기음성도가 클수록 산화성이 큰 산화제가 된다.
C. 원자핵 화학
가. 방사성 원소의 종류와 성질
|
방사선 |
본 체 |
전기량 |
질 량 |
투 과 핵 |
감광,전리,형광 |
|
α선 |
렘륨의 원자핵 He+ |
+1 |
4 |
가장 약하다 |
가장 강하다 |
|
β선 |
전자의 흐름e- |
-1 |
H의 1/1840 |
중간 |
중간 |
|
γ선 |
극초단파의 전자기파 |
0 |
0 |
가장 강하다 |
가장 약하다 |
나. 방사성 원소의 붕괴
⑴ α선
방사성 원소에서 α선을 방출하고, 다른 원소로 되는 현상으로 원자번호가 2 감소되며, 질량수는 4 감소한다. 붕괴 원인은 He 원자핵의 방출 때문이다.
⑵ β선
방사성 원소에서 β선을 방출하고, 다른 원소로 되는 현상으로서 원자번호는 1 증가하며, 질량수는 변화하지 않는다. 붕괴 원인은 전자 방출 때문이다.
⑶ γ선
방사성 원소에서 γ선을 방출하나 원자번호나 질량수가 변하지 않는 현상
다. 반감기
방사성 원소가 붕괴하여 다른 원소로 될 때 그 질량이 처음 양의 1/2이 되는데 걸리는 시간
m = t시간 후 남은 질량
M = 처음 질량
t = 경과된 시간
T = 반감기
라. 원자핵 반응
⑴ 원자핵 에너지 (아인슈타인의 상대성 이론)
c = 광속도(3×103cm/sec)
⑵ 핵반응
⑶ 인공변환
⑷ 핵분열
⑸ 핵융합
3. 화학 결합
A. 화학 결합의 종류
가. 이온 결합(ionic bond)
⑴ 정의
양이온과 음이온이 정전기적 인력(쿨롱의 힘)에 의해 결합하는 화학 결합
⑵ 특성
① 결합되는 물질은 분자가 존재하지 않는 이온성 결합으로 전기 전도성 등이 없으나, 용융이나 수용액 상태에서는 전지기 전도성이 있다.
② m.p와 b.p가 높다.
③ 극성 용매에 잘 녹는다.
나. 공유 결합(covalent bond)
⑴ 정의
안정된 물질 형태인 비활성 기체의 전자 배열을 이루기 위하여 결합되는 두 원자가 서로 전자 1개 또는 그 이상을 제공하여 전자쌍을 서로 공유함으로써 이루어지는 결합
⑵ 종류
① 극성 공유 결합
② 비극성 공유 결합
⑶ 특성
① m.p와 b.p가 낮다.
② 부도체이다.
③ 극성 공유 결합 물질은 극성 용매에, 비극성 공유 결합 물질은 비극성 용매에 잘 녹는다.
④ 반응 속도가 느리다.
다. 배위 (공유) 결합(coordinate covalent bond)
⑴ 정의
공유할 전자쌍을 한쪽 원자에서만 일방적으로 제공하는 형식의 공유 결합으로 주로 착이온을 형성하는 물질이다.
라. 금속 결합(metallic bond)
⑴ 정의
금속의 양이온들이 자유 전자(free radical)에 의해 원자를 결합시키는 결합. 모든 금속은 금속 결합을 한다.
⑵ 특성
① 자유 전자에 의해 열, 전기 전도성이 크다.
② m.p와 b.p가 높다.
③ 금속 광택이 있고, 전성, 연성은 크나, 방향성이 없다.
마. 수소 결합
⑴ 정의
전기 음성도가 매우 큰 F, O, N와 전기 음성도가 작은 H원자가 결합된 HF, OH, NH와 같은 원자단을 포함한 분자와 분자 사이의 결합
⑵ 특성
전기 음성도의 차이가 클수록 극성이 커지며, 수소 결합이 강해진다.
바. 반데르 발스 결합
⑴ 정의
분자와 분자 사이에 약한 전기적 쌍극자에 의해 생기는 반데르 발스 힘으로 액체나 고체를 이루는 분자간의 결합
⑵ 특성
결합력이 약해 m,p와 b.p가 낮다.
사. 결합력의 세기
공유 결합 > 이온 결합 > 금속 결합 > 수소 결합 > 반데르 발스 결합
B. 분자궤도 함수와 분자 구조
|
분자궤도함수 |
S결합 |
SP결합 |
SP2결합 |
SP3결합 |
P결합 |
P2결합 |
P3결합 |
|
분자모형 |
직선형 |
직선형 |
평면정삼각형 |
정사면체형 |
피라밋형 |
굽은형 (V자형) |
직선형 |
|
결 합 각 |
180° |
180° |
120° |
109.28° |
90~93° |
90~92° |
180° |
|
화 합 물 |
H2
|
BeF3 BeH2 C2H2
|
BF3 BH3 C2H4 NO3 |
CH4 CCl4 SiH4 NH4 |
PH3(93.3) AsH3(91.8) SbH3(91.3)
|
H2S(92.2) H2Se(90.0) H2Te(90)
|
HF HCl HBr HI |
4. 화학 반응
A. 화학 반응과 에너지
가. 열화학 반응식
⑴ 화학 반응 중에 발생되는 열을 반응열(Q)이라고 한다. 이와 같은 반응열을 포함시켜 나타낸 화학 반응식을 열화학 반응식이라고 한다.
⑵ 어떤 물질의 생성되는 동안 그 물질속에 축적된 에너지로서의 열함량을 엔탈피(H)라고 한다.
⑶ 화학 반응의 종류
① 발열 반응
② 흡열 반응
③ 반응열과 안정성
화학반응에서 방출하는 반응열이 클수록, 생성 물질은 안정하다. 즉 엔탈피(H)가 적어질수록 안정하다.
나. 반응열의 종류
화학 변화에 수반되어 발생 또는 흡수되는 에너지의 양을 반응열(Q)이라 하며, 일정량의 물질이 25℃, 1atm에서 반응할 때 발생 또는 흡수되는 열량으로 표시
⑴ 생성열(heat of formation)
물질 1mol이 그 성분 원소의 단체로부터 생성될 때 발생 또는 흡수되는 에너지(열량)
⑵ 분해열(heat of decomposition)
물질 1mol을 그 성분 원소로 분해하는데 발생 또는 흡수되는 에너지(열량)
⑶ 연소열(heat of combustion)
물질 1moldmf 완전히 연소시킬 때 발생하는 에너지(열량)
⑷ 융해열(heat of solution)
물질 1mol이 물(aq)애 녹을 때 수반되는 에너지(열량)
⑸ 중합열(heat of neutralization)
산 1g당량과 염기 1g당량이 중화할 때 발생하는 에너지(열량)
다. 총열량 불변의 법칙(=에너지 보존의 법칙, Hess's law)
B. 반응 속도
가. 정의
단위 시간에 감소된 물질의 양(mol수) 또는 생성된 물질의 증가량(mol수)이다.
나. 영향 인자
⑴ 반응 속도와 농도
⑵ 반응 속도와 온도
⑶ 반응 속도와 촉매
5. 화학 평행
A. 화학 평행
가. 정의
정반응 속도와 역반응 속도가 같아서 외관상 반응이 정지된 것처럼 보이는 것
나. 평행 상수(K)
⑴ 화학 편행 상태에서 반응 물질의 농도의 곱과 생성 물질의 농도의 곱의 비는 일정하며 이 일정한 값을 형형 상수(K)라고 한다.
⑵ 평형 상수는 반응의 종류와 온도에 의해서만 결정되는 상수이다.
V1
aA + bB → cC + dD
←
V2
∴
∴
B. 평형 이동의 법칙
가. 정의
평형 상태에 있는 어떤 물질계의 온도, 압력, 농도의 조건을 변화시키면 이 조건의 변화를 없애려고, 반응이 진행되어 새로운 평형 상태로 도달하는 것을 말한다.
나. 평형 이동에 영향을 주는 인자
⑴ 농도의 영향
① 농도를 증가시키면 : 농도가 감소하는 방향
② 농도를 감소시키면 : 농도가 증가하는 방향
⑵ 온도의 영향
① 온도를 올리면 : 농도가 내려가는 방향(흡열반응쪽)
② 온도를 내리면 : 농도가 올라가는 방향(발열뱐응쪽)
⑶ 압력의 영향
① 압력을 높이면 : 분자수가 감소하는 방향(몰수가 적은 쪽)
② 압력을 내리면 : 븐자수가 증가하는 방향(몰수가 큰 쪽)
⑷ 촉매의 영향
① 화학편행시간을 단축시키지만 화학평형에는 아무런 영향이 없다.
6. 산화와 환원
A. 산화와 환원
가. 산화
낮은 산화 상태의 원자가 전자를 잃어 높은 산화 상태로 되는 화학 변화
나. 환원
높은 산화 상태의 원자가 전자를 얻어 낮은 산화 상태로 되는 화학 변화
|
구 분 |
산 화 (oxidation) |
환 원 (reduction) |
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산소관계 |
∘산소와 결합하는 현상 C+O2→CO2 |
∘산소를 잃는 현상 CuO+H2→Cu+H2O |
|
수소관계 |
∘수소를 잃는 현상 2H2S+O2→2S+2H2O |
∘수소와 결합하는 현상 H2+S→H2S |
|
전자관계 |
∘전자를 잃는 현상 Na+e-→Na+ |
∘전자를 얻는 현상 Ag++e-→Ag |
|
산화수관계 |
∘산화수가 증가하는 현상 Cu2++H2O→Cu0+H2+1 |
∘산화수가 감소하는 현상 H2S-2+Cl20→2HCl-1+S-1 |
B. 산화제와 환원제
가. 산화제
⑴ 다른 물질을 산화시키는 성질이 강한 물질
⑵ 산소를 내기 쉬운 물질
⑶ 수소와 결합하기 쉬운 물질
⑷ 전자를 받기 쉬운 물질
⑸ 발생기 산소를 내기 쉬운 물질
나. 환원제
⑴ 다른 물질을 환원시키는 성질이 강한 물질
⑵ 수소를 내기 쉬운 물질
⑶ 산소와 결합하기 쉬운 물질
⑷ 전자를 잃기 쉬운 물질
⑸ 발생기 산소를 내기 쉬운 물질
7. 전기화학
A. 금속의 이온화 경향
금속 원자가 최외각 전자를 잃어 양이온이 되려는 성질
|
K Ca Na Mg Al Zn Fe Ni Sn Pb [H] Cu Hg Ag Pt Au | |
|
이온화경향 大 양이온이 되기 쉽다 (전자 방출 쉽다) ← 산화되기 쉽다. |
이온화경향 小 → 양이온이 되기 어렵다 환원되기 쉽다. |
B. 전지
가. 정의
화학 변화로 생긴 화학 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 장치
나. 전지의 종류
⑴ 볼타 전지
(-) Zn ∥ H2SO4 ∥ Cu (+)
⑵ 다니엘 전지
(-) Zn ∥ H2SO4 ∥ CuSO4 ∥ Cu (+)
⑶ 건전기
(-) Zn ∥ NH4Cl ∥ Cu (+)
⑷ 납축 전지
(-) Pb ∥ H2SO4 ∥ PbO2 (+)
C. 전기 분해 및 패러 데이의 법칙
가. 전기 분해
나. 패러 데이의 법칙(Faraday's law)
⑴ 제 1법칙
같은 물질에 대하여 전기 분해로서 전극에서 석출 또는 용해되는 물질의 양은 통한 전기량에 비례한다.
⑵ 제 2법칙
전기 분해에서 일정량의 전기량에 대하여 석출되는 물질의 양은 그 물지의 당량에 비례한다.
⑶ 1F
물질 1g 당량을 석출하는데 필요한 전기량 (96,500C)
8. 산과 염기 및 염
A. 산과 염기
가. 산(acid)
⑴ 정의
수용액에서 수소 이온(H+)을 내는 물질
나. 염기(base)
⑴ 정의
수용액에서 수산화 이온(OH-)를 내는 물질
|
학 설 |
산 (acid) |
염기 (base) |
|
아뢰니우스설 |
수용액에서 H+(H3O+)을 내는 것 |
수용액에서 OH-를 내는 것 |
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브뢴스테드설 |
H+을 줄 수 있는 것 |
H+을 받을 수 있는 것 |
|
루이스설 |
비공유 전자쌍을 받는 물질 |
비공유 전자쌍을 줄 수 있는 물질 |
B. 산화물
가. 정의
물에 녹으면 산 또는 염기가 될 수가 있는 산소와의 화합물
나. 산화물을 종류
⑴ 산성 산화물(무수산)
⑵ 염기성 산화물(무수염기)
⑶ 양쪽성 산화물
C. 염과 염의 가수분해
가. 염(salt)
산의 수소 원자 일부 또는 전부가 금속 또는 NH4+기로 치환된 화합물
나. 염의 종류
⑴ 산성염
⑵ 염기성염
⑶ 중성염(정염)
⑷ 복염
⑸ 착염
D. 중성 반응과 수소 이온 지수(pH)
가. 중화와 당량의 관계
나. 중화 적정
다. 수소 이온 지수(pH)
⑴ 물의 이온적(Kw)
⑵ 수소 이온 지수(pH)
라. 지시약과 완충 용액
⑴ 지시약
⑵ 완충용액(buffer solution)
약산에 그 약산의 염을 포함한 혼합 용액에 산을 가하거나 또는 약염기에 그 약염기의 염을 포함한 혼합 용액에 염기를 가하여도 혼합 용액의 pH가 그 다지 변하지 않는 용액
제 3장. 금속 및 비금속 원소와 화합물
1. 금속과 그 화합물
A. 금속 원소의 일반적 성질
가. 일반적 성질
⑴ 상온에서 고체이며, 비중이 1보다 크다.
⑵ 전자를 방출하여 양이온이 되고, 금속 결합을 하여 전기 전도성이 크다.
⑶ 전성, 연성을 가지고, m.p가 높다.
⑷ 염기성 산화물을 만들며, 산에 잘 녹는다.
⑸ 수소와 반응하지 않으며, 원자 반지름이 크며, 이온화 에너지가 크다.
⑹ 연성의 크기
Au > Ag > Pt > Fe > Cu > Al > Sn > Pb
⑺ 전성의 크기
Au > Ag > Cu > Al > Sn > Pt > Pb > Fe
⑻ 열, 전기전도성의 크기
Ag > Cu > Al > Ag > Zn > Pt > Fe > Pb > Hg
⑼ 융점의 크기
W > Pt > Au > Na > K > Hg
⑽ 비중의 크기
Os > Pt > Au > Pb > Cu > Fe > Al > Mg > Ca > K > Na > Li
나. 물리적 성질
⑴ 열 및 전기 전도성이 있다.
⑵ 전성 및 연성이 크다.
⑶ m.p가 높고, 비중이 크며, 합금을 만든다.
B. 알칼리 금속(1A)족과 그 화합물
가. 알칼리 금속의 특성
⑴ Li, Na, K, Rb, Cs, Fr의 6개
⑵ 연백색의 연하고 가벼운 금속, m.p가 낮고 불꽃 반응을 한다.
Li(빨강), Na(노랑), K(보라), Rb(연빨강), Cs(연파랑)
⑶ 1가 양이온, 물과 반응시 수소를 발생하며, 강알칼리성이다.
⑷ 원자번호가 증가함에 따라 활성이 크고, m.p 및 b.p가 낮아진다.
⑸ 이온 결합으로 물에 잘 녹는다.
나. 알칼리 금속의 화합물
⑴ NaOH(소금물의 전기분해법, 격막법, 수은법)
2NaCl + 2H2O → 2NaOH + H2↑(-) + Cl2↑(+)
⑵ Na2CO3(solvey법, 암모니아 소다법)
2NaCl + CaCO3 → Na2CO3 + CaCl2
NH3 + CO2 + H2O + NaCl → NH4Cl + NaHCO3
2NaHCO3 → Na2CO3 + CO2↑ + H2O
C. 알칼리 토금속(ⅡA)과 그 화합물
가. 알칼리 토금속의 특성
⑴ Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra의 6가지
⑵ 알칼리 금속과 비슷한 성질을 갖는 은회백색의 금속으로 가볍고, 연하다.
⑶ Be, Mg을 제외한 나머지 원소들은 찬물에 녹아 수소를 발생한다.
⑷ Be, Mg을 제외하고 불꽃 반응을 한다.
Ca(등색), Sr(적색), Ba(황록색), Ra(적색)
나. 알칼리 토금속의 화합물
⑴ MgCl2․6H2O
단백질을 응고시키고, 조해성을 가진다.
⑵ CaO
⑶ CaC2(탄화칼슘, 카바이트)
CaO + 2C → CaC2 + 1/2O2↑
CaC2 + 2H2O → Ca(OH)2 + C2H2↑
다. 센물과 단물
⑴ 센물
물속에 칼슘 이온(Ca2+)이나 마그네슘 이온(Mg2+)이 비교적 많이 포함되어 비누거품이 일지 않는 물
⑵ 단물
빗물과 같이 칼슘 이온(Ca2+)이나 마그네슘 이온(Mg2+)이 적게 포함된 물
⑶ 센물을 단물로 만드는 방법
① 탄산나트륨(Ns2CO3)법
② 퍼뮤티드(permutite)법
③ 이온교환수지법
D. 붕소족(ⅢB)원소와 그 화합물
가. 붕소(B)
⑴ 준금속 원소로 유리 상태로 자연계에 존재하지 않고, 붕산이나 붕사(Na2B4O7․10H2O)로 존재한다.
⑵ 수소와 할로겐 원소와 반응하여 BH3, BF3와 같은 옥테트를 이루지 않는 물질을 만들어 루이스산이 된다.
나. 알루미늄(Al)
⑴ 연성, 전성이 큰 은백색의 연한 금속으로 열과 전기의 양도체이다.
⑵ 공기중에서 Al2O3의 산화막을 만들어 내부를 보호한다.
⑶ 강한 환원력이 있어, 금속 화합물을 환원시킨다.
⑷ 양쪽성 원소로 산과 염기 모두 반응하여 수소를 발생한다.
⑸ c-HNO3과 치밀한 산화막의 부동태를 만들어 내부를 보호한다.
⑹ 테르밋(thermit)법
① Al가루와 Fe2O3가루의 혼합물을 발화시키면 3000℃이상의 열을 내므로 레일의 용접에 이용
② 2Al + Fe2O3 → Al2O3 + 2Fe
다. 알루미늄의 화합물
⑴ 백반(KAl(SO4)2․12H2O)
⑵ 산화알루미늄(Al2O3)
⑶ 황산알루미늄(Al2(SO4)3)
E. 철족(Ⅷ족)원소
가. 철족(Ⅷ족)원소
⑴ Fe, Co, Ni등의 전이 원소로서 착염과 착이온으로 촉매로 많이 사용된다.
⑵ 철이온 검출
① Fe2+ : K3Fe(CN)6 첨가시 푸른색 침전
② Fe3+ : K4Fe(CN)6 첨가시 푸른색 침전
⑶ 착염 생성
① 페로시안화 칼륨 : K3Fe(CN)6
② 페리시안화 칼륨 : K4Fe(CN)6
나. 기타 화합물
⑴ 염화 제 1수은(Hg2Cl2)
감홍이라 하며, 물에 녹지 않고 독성이 없다.
⑵ 염화 제 2수은(HgCl2)
승흉이라 하며, 물에 녹고 맹독성이나 0.1%의 용액은 소독제로 사용된다.
2. 비금속과 그 화합물
A. 비금속 원소의 일반적 성질
가. 일반적 성질
⑴ 상온에서 기체, 고체이다.
⑵ 비중이 1보다 크다.
⑶ 전자를 받아들여 음이온이 되며, 공유결합을 한다.
⑷ 전성, 연성을 가지며 융해점이 높다.
⑸ 산성 화합물을 만들며, 산과 반응하지 않는다.
⑹ 수소와 반응하여 화합물을 만들고, 원자 반지름이 작으며 이온화 에너지가 크다.
B. 비활성 기체(0족)와 수소(ⅠA족)
가. 비활성 기체(0족)
⑴ He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn의 6가지
⑵ 일반적 성질
① 무색, 무미, 무취의 단원자 분자 기체이다.
② 반데르 발스 힘 만이 존재하므로 m.p, b.p가 낮아 액화하기 어렵다.
③ 이온화 에너지가 가장 크며, 낮은 압력에서 방전시 색을 띤다.
나. 수소(H2)와 그 화합물
⑴ 수소(H2)
① 성질
1) 무색, 무미, 무취의 기체로 가장 가벼운 기체
2) 공기중에서 산소와 반응하여 수소 폭명기를 생성
2H2 + O2 → 2H2O
3) 햇빛이나 가열에 의해 염소 폭명기를 생성
H2 + Cl2 → 2HCl
4) 알칼리 금속, 토금속과는 이온 결합, 비금속과는 공유 결합을 한다.
5) 고온에서 금속 산화물을 환원시킨다.
CuO + H2 → Cu + H2O
② 제법
1) 킵(kipp)장치를 사용하여 수소보다 이온화 경향이 큰 금속에 묽은 산을 가하여 생성.
Zn + 2HCl → ZnCl2 + H2↑
2) 가열된 코크스에 수증기를 작용시켜 수소를 발생
C + H2O → CO + H2 (수성가스법)
3) 물을 전기분해하여 (-)극에 수소를 발생
2H2O → 2H2(-) + O2(+)
4) 소금물을 전기 분해하여 (-)극에 수소를 발생
2NaCl + 2H2O → 2NaOH + H2(-) + Cl2(+)
5) 양쪽성 원소에 산, 알칼리를 작용시켜 수소를 발생
⑵ 과산화수소(H2O2)
① 성질
1) 무색의 액체로 물에 잘 녹으며, 3% 수용액을 과산화수소, 옥시폴이라고 한다.
2) 극히 불안정하며 햇빛에 의해 분해되고, 살균, 소독, 표백, 산화 작용을 한다.
3) 무색의 요오드화칼륨(KI) 녹말 종이를 보라색으로 변색시킨다
→ 산화제로 작용
4) 과망간산칼륨 수용액에 묽은 황산을 가하고, H2O2 첨가시 적자색이 없어진다.
→ 환원제로 작용
② 제법
1) 과산화물(Na2O 또는 BaO2)에 묽은 황산을 반응시켜 생성
Na2O2 + H2SO4 → Na2SO4 + H2O2
C. 할로겐화족 원소(ⅦA족)와 그 화합물
가. 할로겐족 원소의 일반적인 성질
⑴ F, Cl, Br, I, At의 5가지 원소를 말하며, 최외각 전자에 전자가 7개로 전자를 1개 받아서 -1가의 음이온이 되는 원소이다.
⑵ 일반적인 성질
① 단체는 옥테트의 전자배치를 한 이원자 분자이다.
② 수소나 금속에 대해서 산화력이 매우 크다.
③ HF를 제외하고 모두 강산이다.
→ HI > HBr > HCl > HF
④ 물에 잘 녹는다.
→ F > Cl > Br
⑤ 원자번호가 작을수록 반응성이 커진다.
⑥ 원자번호가 커질수록 m.p와 b.p가 커진다.
⑶ 종류
① 불소(F2)
1) 화합력이 강해 모든 원소와 반응한다.
② 염소(Cl2)
1) 황록색의 유독성 기체로 매우 유독하며 액화하기 쉽다.
2) 알칼리에 잘 녹는다.
3) 물에 녹아 산성이 되며, 요오드화칼륨(KI) 녹말 시험지를 보라색으로 변색시킨다.
③ 브롬(Br2)
1) 적갈색의 액체로 강한 자극성을 띤다.
④ 요오드(I2)
1) 판상 흑자색의 결정성 고체로 승화성이 있다.
2) 물에 불용이나 KI용액, 알코올, 클로로포름에 잘 녹는다.
3) 요오드 녹말 반응을 한다.
4) 티오황산나트륨(Na2S2O3)과 반응해서 무색이 된다.
⑤ 질산은(AgNO3)용액과 할로겐화 수소산과의 반응
1) AgNO3 + HCl → HNO3 + AgCl↓(흰색)
2) AgNO3 + HBr → HNO3 + AgBr↓(담황색)
3) AgNO3 + HI → HNO3 + AgI↓(노란색)
나. 할로겐족 원소의 화합물
⑴ 플루오르화 수소(HF)
① 모래와 석영을 부식시킨다.
SiO2 + 4HF → 2H2O + SiF4↑
⑵ 염산 (HCl)
① 공기보다 1.3배 무겁다.
D. 산소족 원소(ⅥA족)와 그 화합물
가. 산소족 원소의 일반적 성질
⑴ O, S, Se, Te, Po의 5가지 원소이며 2가의 음이온이 되는 원소이다.
나. 산소족 원소의 종류
⑴ 산소(O2)
① 비활성 기체와 금, 은, 백금을 제외한 모든 원소와 반응하여 화합물을 만든다.
⑵ 유황(S8)
① 노란색의 고체로 열과 전기의 부도체이다.
② 연소시 푸른 불꽃을 낸다.
다. 산소족 원소의 화합물
⑴ 오존(O3)
① 특이한 냄새를 가진 담황색의 기체
② 강한 산화작용을 한다.
⑵ 이산화황 또는 아황산가스(SO2)
① 공기보다 2.5배 무겁다.
② 기화열이 커서 냉매(91.3kcal)로 사용이 된다.
③ 수용액에서 발생기 산소[H]를 발생하므로 강한 환원 작용을 한다.
SO2 + 2H2O → H2SO4 + [H]
④ 환원력이 큰 물질과는 산화 작용을 한다.
SO2 + 2H2SO4 → 2H2O + 3S
⑶ 황산(H2SO4)
① c-H2SO4
1) 흡수성, 탈수성이 강하다.
2) 용해열이 크다.
3) 가열된 진한 황산은 발생기 산소를 내므로 산화 작용을 한다.
H2SO4 → H2O + SO2 + [O]
4) 수소보다 이온화 경향이 작은 금속(Cu, Hg, Ag)과 반응하여 이상화황(SO2)를 발생한다.
Cu + H2SO4 → CuSO4 + 2H2O + SO2
② d-H2SO4
1) 전리도가 크다.
2) 흡수성, 탈수성, 산화성이 있다.
3) 수소보다 이온화 경향이 큰 금속과 반응하여 수소를 발생한다.
Zn + H2SO4 → ZnSO4 + H2↑
4) 염화바륨과 반응하여 희색침전을 만든다.
H2SO4 + BaCl2 → BaSO4 + 2HCl
⑷ 황화수소(H2S)
① 무색의 달걀 썩는 냄새를 가진 유독한 기체이다.
② 물에 녹아 약산성을 나타낸다.
③ 강한 환원제로 작용한다.
2H2S + SO2 → 2H2O + 3S
④ 완전 연소시 이산화황(SO2)를 발생하고, 불완전 연소시 황(S)을 유리시킨다.
2H2S + 3O2 → 2H2O + 2SO2 : 완전연소시
2H2S + O2 → 2H2O + 2S : 불완전연소시
⑤ 초산납종이를 흑색으로 변색시킨다.
E. 질소족(ⅤA족)원소와 그 화합물
가. 질소족(ⅤA족)의 일반적인 성질
⑴ N, P, As, Sb, Bi의 5개 원소로서 3가의 음이온을 나타낸다.
나. 질소족 원소의 종류
⑴ 질소(N2)
⑵ 인(P4)
① 4원자 분자로 적린과 황린의 두 가지 동소체를 가진다.
다. 질소족 원소의 화합물
⑴ 암모니아(NH3)
① 냉매로 사용되고, 무색의 자극성 기체로 물에 잘 녹고, 액화하기 쉽다.
② 제법
1) 하버보시법
N2와 H2를 500℃, 200atm에서 Fe + Al2O3 촉매하에 반응
2) 석회질소법
CaCN + 3H2O → 2NH3 + CaCO3
⑵ 질산(HNO3)
① 빛에 의해 분해 되므로 갈색병에 보관한다.
② 수용액은 강산성, 발생기 산소를 나며 강한 산화력을 보인다.
③ 왕수(3HCl+HNO3)를 만들어 Pt, Au를 녹인다.
④ 단백질에 진한 질산을 가하면 황색으로 된다.
⑶ 질소화합물
① 일산화질소(NO)
② 이산화질소(NO2)
③ 적갈색의 유독성 기체이며, H2O와 반응하여 HNO3가 된다.
⑷ 인산(H3PO4)
① 3염기산으로 염기와 중화 반응으로 3가지 종류의 염을 생성한다.
② NaH2PO4 : 산성
③ Na2HPO4 : 중성
④ Na3PO4 : 염기성
F. 탄소족(ⅣA족)
가. 탄소족 원소의 일반적인 성질
⑴ C, Si, Ge, Sn, Pb의 5가지 원소이다.
⑵ C, Si는 비금속 원소, Ge는 준금속 원소, Sn, Pb는 양쪽성 원소이다.
나. 탄소족 원소의 종류
⑴ 탄소(C)
① 세 가지의 동소체를 가진다.
→ 흑연, 숯, 다이야몬드
② 환원력이 강하다.
⑵ 규소(Si)
① 이산화규소나 규산염의 형태로 존재한다.
② m.p와 b.p기 높다
③ Ge와 같이 반도체에 사용된다.
다. 탄소족 원소의 화합물
⑴ 이산화탄소(CO2)
⑵ 일산화탄소(CO)
⑶ 이산화규소(SiO2)
제 4장. 유기 화합물
1. 유기 화합물의 기초
A. 유기 화합물의 기초
가. 유기 화합물의 정의와 특성
⑴ 정의
① 탄소를 가지는 화합물
② 독일의 화학자 뵐러(Wohler)가 무기 화합물은 시안화암모늄(NH4CNO)에서 유기 화합물인 요소((NH2)2CO)를 합성시킨 것이 기초가 되었다.
⑵ 특성
① 주로 C, H, O이며 기타 N, P, S 등의 비금속 원소를 포함한다.
② 이성체가 많아 종류가 대단히 많다.
③ 반데르 발스 힘(분자 사이의 힘)이 약하므로 m.p나 b.p가 낮다.
④ 공유 결합을 하고 있으므로, 비전해질이 많다.
⑤ 대부분 연소하여, 연소 생성물인 CO2와 H2O를 생성한다.
⑥ 유기 용매에 잘 녹는다. (알코올, 알데히드, 초산, 설탕 등은 물에 잘 녹는다.)
⑦ 분자와 분자의 반응이므로 반응 속도가 느리다.
나. 탄소 화합물의 분류
⑴ 탄소 원자의 결합 방식에 따른 분류
① 사슬모양
1) 포화 화합물(메탄계)
a) alkane : CnH2n+2(단일결합)
2) 불포화 화합물
a) alkene : CnH2n(이중결합)
b) alkyne : CnH2n-2(삼중결합)
② 고리모양
1) 포화 고리 화합물(치환족)
a) cyclo-hexane(C6H12)
2) 불포화 고리 화합물
a) 탄소고리 화합물 : benzene(C6H6)
b) 이원소 고리 화합물 : pyridine(C6H5N)
⑵ 관능기(작용기, 원자단)에 의한 분류
|
원자단 (관능기) |
일반명칭 |
특 성 |
보 기 | |
|
히드록시기 (수산기) |
-OH |
알코올 페놀 |
지방족 -OH(중성). 방향족 -OH(산성). |
C2H5)H(에탄올) C6H5OH(페놀) |
|
포르밀기 (알데히드기) |
-CHO |
알데히드 |
환원성, 은거울 반응. 페펠링 용액을 환원. |
HCHO(포름알데히드) CH3CHO(아세트알데히드) |
|
카르복실기 |
-COOH |
카르복실산 |
산성, 알코올과 에스테르 반응. |
CH3COOH(아세트산) |
|
원자단 (관능기) |
일반명칭 |
특 성 |
보 기 | |
|
카르보닐기 |
-CO- |
케톤 |
저급은 용매로 사용. |
CH3COCH3(아세톤) |
|
에스테르기 |
-COO- |
에스테르 |
저급은 방향성, 가수 분해됨. |
CH3COOCH3(아세트산메틸) |
|
에테르기 |
-O- |
에테르 |
저급은 마취성, 휘발성, 인화성 가수분해 안됨. |
CH3OCH3(메틸에테르) |
|
비닐기 |
CH2=CH- |
비닐 |
첨가 반응과 중합 반응을 잘함. |
CH2=CHCl(염화비닐) |
|
니트로기 |
-NO2 |
니트로화합물 |
폭팔성이 있음. 환원하면 아민이 됨. |
C6H5NO2(니트로벤젠) |
|
아미노기 |
-NH2 |
아민 |
염기성을 나타냄. |
C6H5NH2(아닐린) |
|
술폰산기 |
-SO3H |
술폰산 |
강산성을 나타냄. |
C6H5SO3H(벤젠술폰산) |
B. 이성질체
가. 이성질체의 정의
분자를 구성하는 원소의 수는 같으나 원자의 배열이 달라서 물리적, 화학적 성질이 다른 물질
나. 이성질체의 분류
⑴ 구조 이성질체
① 사슬 이성질체
탄소의 골격이 달라 생기는 이성질체
② 위치 이성질체
치환체나 이중 결합의 위치에 따라 생기는 이성질체
⑵ 입체 이성질체
① 기하 이성질체
cis형과 trans형으로 구분
② 광학 이성질체
2. 지방족 탄화수소
A. 지방족 탄화수소의 성질
가. 정의
탄소가 사슬 모양으로 결합된 화합물
나. 분류
⑴ 포환 탄화수소(메탄계)
① alkane : CnH2n+2(단일결합)
⑵ 불포화 탄화수소
① alkene : CnH2n(이중결합)
② alkyne : CnH2n-2(삼중결합)
B. 메탄계 탄화수소
가. 일반적인 성질과 명명법
⑴ 일반적인 성질
① 메탄계 또는 파라핀계 탄화수소(CnH2n+2)
② 단일 결합으로 반응성이 작아 안정한 화합물이다.
③ 할로겐 원소와 치환반응을 한다.
④ 탄소가 많을수록 비중, m.p, b.p가 높아진다.
⑵ 명명법
이름 끝에 -ane를 붙임
나. 메탄
⑴ 성질
① 무색, 무미, 무취의 기체로 연소시 파란 불꽃을 낸다.(연소범위 5~15%)
② 산소 또는 공기와 혼합시 점화하면 폭팔한다.
③ 연료로 사용되고 불완전 연소시에 생성되는 카본블랙은 흑색 잉크의 원료로 사용된다.
④ 할로겐 원소와 치환 반응하여 염화 수소와 치환체를 생성한다.
1) CH4 + Cl2 → HCl + CH3Cl(염화메탄) : 냉동제
2) CH3Cl + Cl2 → HCl + CH2Cl2(염화메틸렌)
3) CH2Cl2 + Cl2 → HCl + CHCl3(클로로포름) : 마취제
4) CHCl3 + Cl2 → HCl + CCl4(사염화탄소) : 소화제
⑵ 메탄의 할로겐 치환제의 종류
① 염화메탄(CH3Cl)
무색의 기체로 액하하기 쉽고, 기화열이 크므로 냉동기의 냉매로 사용된다.
② 클로로포름(CHCl3)
무색의 특수한 냄새를 가진 액체로 마취제로 사용된다.
③ 사염화탄소(CCl4)
특수한 냄새를 가진 악체로서 불연성이므로 소화제나 용제로 사용된다.
④ 요오드포름(CHI3)
노란색의 특수한 냄새를 가진 고체로 승화성이 있으며, 살균, 소독, 방부제 등으로 이용된다.
⑤ 프레온가스(CCl2F2)
무색, 무취의 불연성 기체로서 냉동기의 냉매로 사용된다.
C. 에틸렌계 탄화수소
가. 일반적인 성질과 명명법
⑴ 일반적인 성질
① 에틸렌계 또는 올레핀계 탄화수소(CnH2n)
② 불포화 탄화수소로 2중 결합을 하고, 반응성이 메탄계보다 크다.
③ 부가 또는 부가 축합 반응이 일어나기 쉽고, 치환반응은 일어나기 어렵다.
④ 탄소가 많을수록 비중, m.p, b.p가 높아진다.
⑤ 구조 이성질체와 기하 이성질체를 가진다.
나. 에틸렌
⑴ 성질
① 달콤한 냄새를 가진 무색의 기체로 물에 녹지 않는 마취성 기체이다.
② Pt(백금), Ni(니켈) 촉매하에 수소와 첨가시키면 에탄(C2H6)이 된다.
③ 할로겐 원소 또는 할로겐 수소와 부가 반응을 한다.
④ 황산을 촉매로 하여 물을 부가시키면 에탄올이 된다.
⑤ 에틸렌 기체에 지글러(Ziegler) 촉매를 사용하여 1000~2000기압으로 부가 중합시키면 폴리에틸렌이 된다.
⑵ 제법
에탄올에 c-H2SO4를 가하여 160~180℃ 가열하여 탈수시킨다.
D. 아세틸렌계 탄화수소
가. 일반적인 성질과 명명법
⑴ 일반적인 성질
불포화 탄화수소로서 3중 결합을 하고 반응성이 크며, 부가 반응 및 중합 반응, 치환 반응도 한다.
나. 아세틸렌
⑴ 성질
① 무색, 무취의 기체.
② 금속의 용접, 절단에 사용.
③ 합성 수지나 합성 고무의 제조 원료로도 사용.
⑵ 제법
① 카바이트(CaC2)에 물을 가하여 얻는다.
CaC2 + 2H2O → C2H2↑ + Ca(OH)2
② 천연 가스나 석유 분해가스 속에 포함된 탄화수소를 1200~2000℃로 열분해하여 얻는다.
E. 석유(petroleum)
가. 석유의 성분 및 정유
⑴ 석유의 성분
① 파라핀계(메탄계:C5H12~C18H38) + 나프텐계(cyclo:C5H10~C6H12) : 80~90%
② 방향족탄화수소 : 5~15%
③ 비탄화수소성분(N, P, S등) : 4%↓
⑵ 정류(비등점의 차를 이용)
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유 분 |
온도(℃) |
탄 소 수 |
용 도 |
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가스상 탄화수소 |
30↓ |
1~4 |
LPG, 석유화학원료 |
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나프타(가솔린) |
40~200 |
5~12 |
용매, 내연기관의 연료 |
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등 유 |
150~250 |
9~18 |
용매, 석유 발동기 연료, 가정용 연료 |
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경 유 |
200~350 |
14~23 |
디젤엔진 연료, 크래킹의 원료 |
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중 유 |
300↑ |
17↑ |
디젤엔진 연료 |
|
피 치 |
잔류물 |
유리탄소 |
도료포장, 방수제 |
나. 크래킹(cracking)과 리포밍(reforming)
⑴ 크래킹(cracking)
탄소수가 많은 탄화수소를 500~600℃ 고온에서 SiO2나 Al2O3 촉매하에서 가열하여 열분해가 적은 탄화수소를 만드는 것.
⑵ 리포밍(reforming)
옥탄가가 낮은 탄화수소나 중질 나프타(가솔린 등)를 옥탄가가 높은 가솔린으로 만들거나 파라핀계 탄화수소나 나프텐계 탄화수소를 방향족 탄화수소로 이성화하는 조작
다. 옥탄가(octane number)
⑴ 정의
① 가솔린의 안티 노킹성(anti knocking)을 수로 나타낸 값.
② 안티노킹제 : 사에틸납(TEL:Pb(C2H5)4)
⑵ 계산식
① iso-옥탄(C8H18)을 옥탄가 100, n-헵탄(C7H16)을 옥탄가 0로 기준하여 나타낸 값
②
3. 지방족 탄화수소의 유도체
A. 지방족 탄화수소의 유도체
B. 알코올류(R-OH)
가. 알코올의 정의와 분류 및 성질
⑴ 정의
① 지방족 탄화수소의 수소원자 일부가 수산기(-OH)로 치환된 것.
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만국명(학술명) |
관용명 |
카르비놀명 |
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CH3OH(메탄올) |
methanol |
methyl alcohol |
carbinol |
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C2H5OH(에탄올) |
ethanol |
ethyl alcohol |
methyl carbinol |
⑵ 분류
① OH기의 수에 의한 분류
1) 1가 알코올(OH가 1개) : CH3OH, C2H5OH, 등
2) 2가 알코올(OH가 2개) : (CH2OH)2 (에틸렌글리콜) 등
3) 3가 알코올(OH가 3개) : (CH2OH)3 (글리세린) 등
② OH기가 결합된 탄소수에 따른 분류
1) 1차 알코올 : OH기가 결합된 탄소가 다른 탄소 1개와 연결된 알코올.
2) 2차 알코올 : OH기가 결합된 탄소가 다른 탄소 2개와 연결된 알코올.
3) 3차 알코올 : OH기가 결합된 탄소가 다른 탄소 3개와 연결된 알코올.
⑶ 알코올의 일반적인 성질
① 탄소수에 따라 그 성질이 다르다.
② 고급 알코올일수록 m.p와 b.p가 높다
③ 물에 녹아 전리되지 않는 비전해질이며, 액성은 중성이다.
④ 알칼리 금속과 반응하여 수소를 발생한다.
2C2H5OH + 2Na → 2C2H5ONa + H2↑
⑤ 산과 반응하여 에스테르를 만든다.
c-H2SO4
ROH + RCOOH → R-COO-R' + H2O
⑥ 알코올 2분자에를 c-H2SO4를 가한 후 130℃로 가열하면 에테르(R-O-R')가 생성된다.
⑦ 알코올 1분자에를 c-H2SO4를 가한 후 160℃로 가열하면 에틸렌(C2H4)이 생성된다.
⑧ 할로겐화 수소(HX)와 반응하여 할로겐화 알킬이 생성된다.
ROH + HX → RX +H2O
나. 메탄올(CH3OH)의 성질
⑴ 무색의 향기로운 액체로 독성을 지닌다.
⑵ 공기 중에 연소시키면 파란 불꽃을 내면서 탄다.
다. 에탄올(C2H5OH)의 성질
⑴ 무색의 향기 있는 휘발성 액체(b.p:78℃)로 수용성이다.
⑵ 공기 중에 태우면 연한 불꽃을 내면서 탄다.
C. 에테르류(R-O-R')
가. 일반적인 성질
⑴ 두 개의 알킬기가 산소 원자 하나에 결합된 형태이다.
⑵ 인화성, 마취성이 있으며, 유기 용제로 사용한다.
⑶ 비등점이 낮고, 휘발성이 크며, 물에 불용이다.
⑷ 알코올 두 분자에서 탈수 축합 반응에 의해 생성된다.
나. 디에틸에테르(C2H5OC2H5)
⑴ 두 분자의 에틸 알코올을 130℃에서 c-H2SO4에 의해 탈수 축합시켜 얻는다.
⑵ 휘발성, 마취성, 인화성이 강하며, 비점(35℃)이 낮다.
D. 에스테르류(R-CHO)
가. 일반적인 성질
⑴ 알킬기(R)와 포르밀기(-CHO)가 결합된 형태이다.
⑵ 1차 알코올(R-CH3OH)을 산화시켜 얻으며, 알데히드(R-CHO)는 계속 산화하여 카르복실산이 된다.
⑶ 알데히드는 쉽게 산화하므로 강한 환원성을 지니며 은거울 반응과 페얼링 반응을 한다.
나. 종류
⑴ 포름알데히드(HCHO)
① 메탄올 증기를 300℃로 가열된 Pt또는 Cu를 촉매로 하여 산화시켜 얻는다.
② 자극성의 무색의 기체로 40% 수용액을 포르말린이라고 한다.
⑵ 아세트 알데히드(CH3CHO)
① 에틸 알코올을 산화시켜, 아세틸렌을 HgSO4 촉매하에서 물을 착용시켜 얻는다.
E. 케톤류(R-CO-R')
가. 일반적인 성질
⑴ 알킬기 두개와 카르보닐기(-CO-) 한개가 결합된 형태이다.
⑵ 2차 알코올을 산화시켜 만든다.
나. 아세톤(CH3COCH3:디메틸케톤)
⑴ 프로필렌(CH3CH=CH2)을 물을 부가시켜서 이소프로필 알코올((CH3)2CHOH)을 만들고 이것을 산화시켜 얻는다.
F. 카르복실산류(R-COOH)
가. 일반적인 성질
⑴ 유기산이라고도 하며, 유기물 분자내에서 카르복실기(-COOH)를 갖는 화합물을 만든다.
⑵ 물에 녹아 약산성을 나타내며, 수소 결합을 하므로 b.p가 낮다.
나. 성질
⑴ 포름산(HCOOH:개미산)
① 메틸 알코올이나 포름알데히드를(HCHO)를 산화시켜 만든다.
② 지방산 중에 제일 강한 산성 반응을 하고, 물에 잘 녹아 약한 산성을 나타낸다.
⑵ 아세트산(CH3COOH:초산)
① 에틸 알코올이나 아세트알데히드(CH3CHO)를 산화시켜 만든다.
② 물에 잘 녹아 약산성을 나타내며, 연소시 푸른 불꽃을 내며 알코올과 에스테르 반응을 한다.
G. 에스테르류(R-COO-R')
가. 일반적인 성질
⑴ 산과 알코올로부터 물이 빠지고 축합된 화합물이다.
에스테르화
⑵ 산 + 알코올 → 에스테르 + 물
←
가수분해
나. 아세트산에틸(CH3COOC2H5:메틸에틸에스테르)
⑴ 아세트산이나 에틸 알코올을 혼합하여 탈수제로 c-H2SO4를 가하면 에스테르화 반응에 의해서 생성된다.
4. 방향족 탄화수소의 유도체
A. 방향족 탄화수소와 유도체
가. 방향족 탄화수소
나. 벤젠
⑴ 벤젠의 구조
① 원자간의 거리가 1.39A(단일결합의 경우 1.54, 이중결합의 경우 1.34)으로 단일결합도 아니고, 이중결합도 아닌 혼성 공명체의 구조로 되어 있다.
⑵ 일반적인 성질
① 무색의 휘발성 액체(b.p:80.13℃)인 특수한 냄새를 가진 화합물
② 물보다 가벼우며(sp.gr:0.88), 비극성 공유 결합 물질로 부가 반응보다 치환 반응이 잘 일어난다.
③ 치환반응
1) 할로겐화(haloganation)
벤젠을 Fe 촉매하에 염소(Cl2)와 반응하여 클로로벤젠(C6H5Cl)을 생성.
2) 니트로화(nitration)
벤젠을 진한 황산 촉매 존재하에 진한 질산을 작용시켜 니트로벤젠(C6H5NO2)을 생성.
3) 술폰화(sulfonation)
벤젠을 진한 황산과 가열하면 벤젠 술폰산(C6H5SO3H)을 생성.
4) 알킬화(alkylnation:프리텔-그라프츠 반응)
벤젠을 무수 염화알루미늄(AlCl3)을 촉매로 하여 할로겐화 알킬(HX)을 치환시키면 알킬기(R)가 치환되어 알킬 벤젠(C6H5R)이 생성.
④ 부가반응
1) 수소(H2)부가 반응
벤젠을 180~200℃ 고온에서 Ni촉매하에서 수소(H2)를 부가시키면 사이클로헥산(C6H12)이 생성된다.
2) 염소(Cl2)부가 반응
벤젠을 일광 존재하에 염소(Cl2)를 작용시키면 BHC (C6H6Cl6)가 생성된다.
B. 벤젠의 유도체
가. 톨루엔(C6H5CH3:toluene)
⑴ 콜타르를 분별 증류하거나 벤젠의 알킬화에 의해 생성된다.
나. 크실렌(C6H4(CH3)2:xylene)
⑴ 콜타르를 분별 증류하여 얻는다.
⑵ 3가지 이성질체가 있다. (o, m, p)
다. 나프탈렌(C10H8)
⑴ 벤젠고리가 2개 연결된 구조이다.
⑵ 2가지 이성질체가 있다. (α, β)
C. 페놀(C6H5OH)과 그 유도체
가. 페놀(phenol, 석탄산)
⑴ 일반적인 성질
① 물에 약간 녹아 약산성을 나타낸다.
② 공기나 빛을 쏘이면 붉은색으로 변하므로 갈색병에 보관한다.
③ 염기(NaOH)와 반응하여 나트륨페놀레이트가 된다.
C6H5OH + NaOH → C6H5ONa + H2O
④ 진한 황산과 질산으로 니트로화시키면 피크린산(Tri nitor phenol)이 된다.
나. 페놀의 유도체
⑴ 크레졸(C6H4(CH3)OH, cresol) : 소독용
⑵ 나프톨(C10H7OH, naphtol) : 염료의 원료
D. 방향족 카르복실산의 종류
가. 벤조산(C6H5COOH) : 승화성 물질, 방부제 원료
나. 살리실산(C6H4(OH)COOH) : 의약품 원료
다. 프탈산(C6H4(COOH)2) : 의약품 원료
E. 방향족 아민과 염료
가. 아닐린(C6H5NH2, aniline)
⑴ 무색의 기름 모양의 액체로 물에는 불용이다.
⑵ 방향족 1차 아민으로 염기성을 나타내며, 산과 중화 반응을 하여 염을 생성.
⑶ Sp.gr 1.02, b.p 180℃
나. 염료(dye)
⑴ 발색단
① 염료가 색을 나타내는 원인이 되는 원자단.
② 아조기(-N=N-)
③ 니트로소기(-N=O)
④ 카르보닐기(=C=O)
⑤ 티오카르보닐기(=C=S)
⑥ 에틸렌기(=C=C=)
⑦ 니트로기(-NO2)
⑵ 조색단
① 색을 진하게 하고 염색이 잘 되도록 하는 산성, 염기성의 원자단
② 아미노기(-NH2)
③ 히드록실기(-OH)
④ 카르보닐기(-COOH)
⑤ 술폰산기(-SO3H)
⑶ 염료의 종류
① 직접 염료(direct dye) : 대부분의 아조 염료
② 산성 염료(acid dye) : 에오신, 메틸 오렌지 등
③ 염기성 염료(base dye) : 메틸렌 블루
④ 배트 염료(vat dye) : 인디고 등
⑤ 매염 염료(mordant dye) : 알리자린 등
5. 고분자 화합물
A. 탄수화물
가. 탄수화물의 정의
C, H, O의 3가지 원소로 되어 있으며, 일반식이 Cm(H2O)n으로 표시
나. 탄수화물의 종류
⑴ 단당류(C6H12O6) : 포도당, 과당 등
⑵ 이당류(C12H22O11) : 설탕, 맥아당 등
⑶ 다당류((C6H10O5)n) : 녹말 등
B. 아미노산과 단백질
가. 아미노산(amino acid)
⑴ 한 분자속에 염기성을 나타내는 아미노기(-NH2)와 산성을 나타내는 카르복실기(-COOH)를 가진 양쪽성 물질로서 수용액은 중성으로서 대표적인 물질은 글리신, 알라닌, 글루탐산 등이 있다.
⑵ 아미노산은 3가지 이성질체가 있다. (α, β, γ)
⑶ 물에는 잘 녹으나 유기용매인 에테르, 벤젠 등에는 녹지 않는다.
⑷ 휘발성이 없고 밀도나 m.p이 비교적 높다. (200~300℃ 정도)
나. 단백질(protain)
⑴ 아미노산의 탈수 축합 반응에 의해 펩티드(peptide) 결합(-CO-NH-)으로 된 고분자 물질이다. 또한 펩티드 결합을 갖는 물질을 폴리아미드(poly amide)라 한다.
⑵ 물에는 잘 녹지 않으나, 산, 알칼리 촉매 및 효소 등에 의해 가수분해 되어 아미노산이 된다.
⑶ 정색 반응을 한다.
⑷ 단백질의 검출 반응
① 뷰렛(Bieuret) 반응
단백질 용액에 NaOH를 첨가후 1% CuSO4를 첨가하면 적자색으로 변색
② 크산토프로테인(Xanthoprotein) 반응.
단백질 용액에 HNO3를 가하면 노란색으로 그 용액에 NaOH를 가하면 오렌지색으로 변색.
③ 밀론(Millon) 반응
단백질 용액에 밀론 시약(HNO3 + Hg(NO3)2)을 넣고 가열하면 적색으로 변색.
④ 닌히드린(Ninhydrin) 반응
단백질 용액에 1% 닌하드린 용액을 첨가 후 가열하여 냉각하면 보라색 또는 적자색으로 변색.
C. 합성 고분자와 화합물
가. 합성수지
⑴ 열가소성 수지
⑵ 열경화성 수지
나. 합성섬유
다. 천연고무와 합성고무
⑴ 천연고무
생고무로서 이소프렌의 중합체
⑵ 합성고무
① 부나-S(SBR)
1) 부타디엔과 스티렌의 공중합체(에멀젼 중합방법 이용).
2) 가황조작이 가능하고 내열, 내수성이 좋아 타이어, 밸트, 패킹 등에 이용.
② 부나-N(NBR)
1) 부타디엔과 아크릴로니트릴의 공중합체.
2) 내유성이 좋아 기계부속에 이용.
③ 네오프렌고무(CR)
1) 클로로프렌의 중합체.
2) 내약품성, 내열성, 내유성이 강해 타이어, 튜브, 호스 등에 이용.
D. 유지와 비누
가. 유지와 비누(fats and oils)
⑴ 유지의 정의
고급지방산과 글리세린의 에스테르 화합물.
⑵ 유지의 성질
① 무색, 무취, 무미의 중성 물질이다.
② 공기 중에서 방치하면 산성을 띠게 된다.
③ 물, 알코올에는 녹지 않으나 벤젠, 사염화탄소, 에테르 등 유기 용매에 잘 녹는다.
④ 효소, 산, 알칼리에 의해 가수분해 되어 고급지방산과 글리세린이 된다.
⑤ 염기에 의해 비누화되면 고급지방산의 알칼리염(비누)과 글리세린이 된다.
⑶ 유지의 가공
① 보일유
건성유에 금속화물(Pb, Mn, Co의 산화물)을 넣어서 건성도를 높인 것으로 건조가 빠른 페인트의 원료로 이용.
② 경화유
불포화 액체상태의 기름을 Ni 촉매하에서 H2를 첨가하면 포화된 고체 상태의 유지로서 버터의 제조 등에 이용.
⑷ 유지의 시험값
① 요오드값
1) 기름 100g에 부가되는 요오드(I2)의 g수로서 기름의 불포화도를 규정하며, 2중 결합이 많을수록 요오드화값은 커진다.
2) 건성유 : 요오드화값 130이상
3) 반건성유 : 요오드화값 100이상 130이하
4) 불건성유 : 요오드화값 100이하
② 비누화값
1) 유지 1g을 비누화하는데 필요한 KOH의 mg수
2) 비누화값이 클때(분자량이 작다) : 저급지방산의 에스테르
3) 비누화값이 적을때(분자량이 크다) : 고급지방산의 에스테르
나. 비누(soap)
⑴ 고급지방산의 알칼리 금속염
⑵ 유지에 알칼리용액을 가하여 가열한 후 소금 등으로 염석시키면 비누화되어 고급지방상의 알칼리염(비누)가 생성된다.
(RCOO)3C3H5 + 3NaOH → 3RCOONa + C3H5(OH)3
⑶ 물에 작 녹으며, 수용액은 알칼리성이다.
⑷ 센물에서는 Ca2+, Mg2+과 작용하여 물에 녹지 않는 침전이 생긴다.
다. 합성세제
⑴ 강산과 강염기의 염으로 수용액은 중성이며, 센물에서도 세척 효과를 가진다.
⑵ 종류
① 알킬벤젠술폰산나트륨(ABS)
② 역성비누