제 15 판 제 15 판 일반화학 Brown Lemay Bursten Murphy Woodward Stoltzfus 1 일반화학 화학교재연구회 옮김 일반화학 Chemistry The central science 제 15 판 1 화학교재연구회 옮김 1, 2권 세트 55,000원 ISBN 979-11-5808-415-8 ISBN 979-11-5808-419-6 (세트) 9 791158 084196 93430 Brown · Lemay · Bursten · Murphy · Woodward · Stoltzfus Chemistry The central science Brown · Lemay · Bursten · Murphy · Woodward · Stoltzfus 제 15 판 일반화학 화학교재연구회 옮김 Brown15_차례01-12.indd 2 2022-12-23 오전 10:43:31 역자 서문 2022년 10월 5일, 이 책을 번역하던 중 소식 하나가 전해졌다. 2022년 노벨 화학상 수 상자 3인이 선정되었다는 뉴스다. 스웨덴 왕립과학원 노벨 위원회의 웹사이트를 방문하 니, Carolyn Bertozzi, Morten Meldal, Barry Sharpless의 순으로 3인의 수상자를 소개하 고 있었다. 노벨 화학상은 1901년부터 2022년까지 114번, 총 189명이 수상했다. Carolyn Bertozzi(56, 미국) 교수가 수상함으로써, 노벨 화학상을 받은 여성 과학자는 이제 189명 중 8 명으로 늘어났다. 2022년 노벨 화학상은 마치 블록을 조립하듯 두 분자를 합성하는 ‘클릭 화학(click chemistry)’ 분야를 개척한 과학자들에게 돌아갔다. Morten Meldal(68, 덴마크) 교수와 Barry Sharpless(81, 미국) 교수는 기능적 형태의 화학인 클릭 화학의 토대를 마련했다. 클릭 화학에 서는, 분자의 구성 요소들이 빠르게 그리고 효율적으로 결합된다. Sharpless는 2001년에 이어 두 번째 노벨상을 받았다. 그는 탄소 결합 사이에 산소를 끼워 넣는 산화 반응에서 새로운 촉매(다른 물질의 화학 반응을 매개하는 물질)를 개발한 공로로 첫 노벨상을 받았다. 이때의 연구를 바탕으로, 심장병과 파킨슨병 등의 치료제가 개발됐다. Sharpless의 두 수상 분야 사이에 큰 연관성이 있는 것은 아니다. 그가 이번 노벨 화학상에 선정된 이유는, 2000년경 클릭 화학의 개념을 처음으로 제시한 과학자였기 때문이라고 스웨 덴 왕립과학원 노벨 위원회는 밝혔다. Bertozzi는 클릭 화학을 새로운 차원으로 끌어올려 생물체에 사용하기 시작했다. 이를 생체 직교 화학이라고 한다. 몸 안에서 클릭 화학 합성 반응이 일어나더라도, 독성 없이 안정할 수 있도록 연구한 것이다. 이는 합성 과정에서 체내 독성을 일으킬 수 있는 구리를 다른 물질로 대체함으로써 가능했다. Bertozzi의 생체직교 화학 합성법은, 더 표적화된 암 치료에 클릭 화 학이 응용되도록 기여했다. 클릭 화학은 의약품을 개발하는 과정에서 필요한 물질을 빠르고 쉽게 만드는 데 도움을 주 고 있다. 이러한 클릭 화학과 같은 최신 소식까지 소개하는 일반화학 교재가 있으니, 바로 T. L. Brown의 「일반화학 제15판」이다. 이를 말씀을 드리고자, 클릭 화학 소식을 길게 소개하였 다. 본서 877쪽을 보라. 훌륭한 책이다! 일반화학은 여러 학문의 기반이 된다. 다루는 주제와 범위가 넓어지고, 일반화학을 필요로 하는 전공이 많아졌다. 이에 따라 일반화학 교재의 종류도 다양해졌다. T. L. Brown의 일반 화학 교재 역시, 초판이 발행된 이후 개정판이 나올 때마다 새로운 내용으로 개선되고 발전되 어 왔다. 그러던 중 제15판이 새로 출간되었으니, 그동안 많은 일반화학 교재 중에서 중요한 역할을 담당해 온 것을 넘어서 명작의 반열에 올랐다고 할 수 있을 것이다. 이 책의 원서 제목은 “Chemistry: The Central Science”이다. 화학이 과학의 중심이라는 사 실은, 이미 많은 사람이 느끼고 실감할 것이다. 인간 활동을 포함한 모든 물질과 물질의 변화 를 연구하는 학문이 바로 화학이기 때문이다. 자연과학, 공학, 의학, 약학, 간호학 등의 전문 분야에서 필수 과목이었던 일반화학은, 이제 인문, 사회, 예술 분야의 일부 전공자들에게도 21세기 과학 문명사회의 교양으로써 반드시 갖추어야 하는 지식이 되었다. Brown15_차례01-12.indd 3 iii 2022-12-23 오전 10:43:31 역자 서문 iv 본서는 화학의 개념과 기본 원리를 충실하게 담은 것은 물론, 일상생활에서 접할 수 있는 다양한 내용과 화학에 대한 다양한 읽을거리까지 다루어 흥미를 유발한다. 이에 더해 풍부한 소재의 그림과 명확한 색도의 컬러 사진을 사용하여 가독성을 높였다. 화학 개념에 대한 이해 를 돕고자 여러 방면에서 많은 노력을 기울였음을 즉각 알 수 있다. 따라서 화학을 전공하지 않는 학생들의 필요(needs)를 충족시키기에도 충분할 것이다. 시간이 지날수록 과학기술은 더욱 빠르게 발전하고 있다. 화학 분야에서도 날마다 새롭고 놀라운 연구 결과가 인터넷과 대중 매체를 통해 신속하게 발표되고 있다. 또한 과학은 세분 화되면서도 동시에 통합되는 복잡한 양상을 보이고 있다. 이러한 과학기술의 행보에 뒤지지 않도록, 화학 교과서의 내용을 보완하고 수정하는 것은 당연한 일일 것이다. 이에 발맞추어 Brown의 「일반화학 제15판」 교과서가 상당한 변모를 보여 준 것은 매우 바람직한 일이 아닐 수 없다. 원서를 번역함에 있어서, 가능한 한 원서에 충실하려고 하였다. 화학 용어와 명명법은 대한 화학회 홈페이지에 게시된 화학술어집과 교육부의 편수자료를 따르려고 노력하였다. 그러나 이를 모든 경우에 적용하는 데는 한계가 있었다. 또한 번역상의 오류, 용어의 불일치, 편집상 의 오자 등이 있을 수 있기에 염려가 되는 부분도 있다. 이에 앞으로도 수정과 보완을 거쳐, 보다 좋은 번역 교재가 되도록 노력할 것을 다짐한다. 본 교재로 공부하는 중에 오류가 발견된다면 알려주시고 충고해 주시기를 바란다. 출간 후라 도 수정 사항이 있을 경우에는 자유아카데미 홈페이지(www.freeaca.com) 자료실에 제공할 예정이다. 끝으로 이 번역서를 펴내는 데 지원과 수고를 아끼지 않은 도서출판 자유아카데미의 열정적 인 여러분께 깊은 감사를 드린다. 2023년 1월 역자 대표 Brown15_차례01-12.indd 4 2022-12-23 오전 10:43:31 차례 1 서론: 물질, 에너지, 측정 1.1 화학 연구 1 1 화학의 원자적 관점과 분자적 관점 2 왜 화학을 공부하는가? 3 1.2 물질의 분류 5 물질의 상태 5 순물질 6 원소 7 화합물 7 혼합물 9 1.3 물질의 성질 10 물리적 변화와 화학적 변화 11 혼합물의 분리 11 1.4 에너지의 본질 14 운동 에너지와 퍼텐셜 에너지 15 1.5 측정의 단위 17 2.6 분자와 분자 화합물 64 분자와 화학식 64 분자식과 실험식 65 분자 그리기 65 2.7 이온과 이온 결합 화합물 67 이온 전하 예측하기 69 이온 결합 화합물 70 2.8 무기 화합물 명명법 72 이온 결합 화합물의 이름과 화학식 73 산의 이름과 화학식 77 이성분 분자 화합물의 이름과 화학식 79 2.9 몇 가지 간단한 유기 화합물 80 알케인 81 알케인의 몇 가지 유도체 81 요약 및 중요 용어 83 핵심 공식 85 추가 연습 문제 88 학습 정리 84 연습 문제 85 SI 단위 17 길이와 질량 19 온도 20 SI 유도 단위 20 부피 20 밀도 21 에너지의 단위 22 1.6 측정의 불확실성 25 정밀도와 정확도 26 유효 숫자 26 계산에서의 유효 숫자 28 1.7 차원 분석 31 환산 인자 31 두 개 이상의 환산 인자 사용하기 32 부피와 관련된 단위 환산 33 요약 및 중요 용어 36 핵심 공식 37 추가 연습 문제 41 학습 정리 37 연습 문제 37 3 화학 반응과 반응 화학량론 3.1 질량 보존, 화학식, 화학량론 91 91 균형 맞춘 화학식을 작성하는 방법 92 화학 반응식의 균형을 단계별로 맞추는 예 93 3.2 화학 반응의 간단한 종류: 결합 반응, 분해 반응, 연소 반응 97 결합 반응과 분해 반응 97 연소 반응 99 3.3 화학식량과 물질의 원소 조성 101 3.4 Avogadro 수와 몰, 몰질량 104 3.5 화학 분석으로 얻는 실험식 110 화학식량과 분자량 101 물질의 원소 조성 102 2 원자, 분자, 이온 2.1 물질의 원자론 45 실험식에서 분자식 구하기 112 연소 분석 112 45 2.2 원자 구조의 발견 3.6 반응 화학량론 48 캐쏘드선과 전자 48 방사능 50 원자핵 모형 51 2.3 원자 구조의 현대적 이해 53 원자 번호, 질량수, 동위 원소 55 2.4 원자량 57 원자 질량 척도 58 원자량 58 2.5 주기율표 Avogadro 수와 몰 104 몰질량 105 질량, 몰, 원자/분자/이온수 사이의 환산 106 3.7 한계 반응물 115 120 이론적 수득량과 퍼센트 수득률 123 요약 및 중요 용어 125 핵심 공식 126 추가 연습 문제 130 실험 설계 문제 132 학습 정리 126 연습 문제 126 통합 연습 문제 131 60 v Brown15_차례01-12.indd 5 2022-12-23 오전 10:43:31 차례 vi 4 수용액에서의 반응 4.1 수용액의 일반적인 성질 133 133 전해질과 비전해질 134 물에서 일어나는 화합물의 용해 135 강전해질과 약전해질 136 4.2 침전 반응 138 이온 결합 화합물의 용해도 지침 138 교환(복분해) 반응 140 이온 반응식과 구경꾼 이온 141 4.3 산－염기 및 중화 반응 143 산 144 염기 144 강산, 강염기와 약산, 약염기 145 강전해질과 약전해질의 확인 145 중화 반응과 염 146 기체 생성 중화 반응 149 4.4 산화－환원 반응 150 산화와 환원 151 산화수 152 산에 의한 금속의 산화와 염 153 활동도 서열 154 4.5 용액의 농도 158 몰농도 159 전해질의 농도 표시 159 몰농도, 몰, 부피의 상호 변환 160 묽힘 162 4.6 용액의 화학량론과 화학 분석 164 적정 164 요약 및 중요 용어 170 핵심 공식 171 추가 연습 문제 174 실험 설계 문제 177 5 열화학 학습 정리 171 연습 문제 171 통합 연습 문제 176 179 183 190 압력-부피 일 191 엔탈피 변화 192 195 5.5 열계량법 199 5.6 Hess 법칙 205 열용량과 비열 199 일정 압력 열계량법 201 통열계량법(일정 부피 열계량법) 202 208 생성 엔탈피를 이용한 반응 엔탈피의 계산 210 Brown15_차례01-12.indd 6 219 식품 219 연료 221 기타 에너지원 222 요약 및 중요 용어 225 핵심 공식 226 추가 연습 문제 232 실험 설계 문제 234 학습 정리 226 연습 문제 227 통합 연습 문제 233 6 원자의 전자 구조 6.1 빛의 파동성 235 235 6.2 에너지 양자화와 광자 239 뜨거운 물체와 에너지의 양자화 239 광전 효과와 광자 240 6.3 선 스펙트럼과 Bohr 모형 242 선 스펙트럼 243 Bohr 모형 244 수소 원자의 에너지 상태 245 Bohr 모형의 한계 248 6.4 물질의 파동성 249 불확정성 원리 250 6.5 양자 역학과 원자 오비탈 252 오비탈과 양자수 254 6.6 오비탈의 표현 257 262 오비탈과 그 에너지 263 전자 스핀과 Pauli 배타 원리 263 계와 주위 183 내부 에너지 184 DE를 열 및 일과 연관짓기 185 흡열 과정과 발열 과정 187 상태 함수 188 5.7 생성 엔탈피 5.9 식품과 연료 결합 엔탈피와 반응 엔탈피 216 s 오비탈 258 p 오비탈 260 d 오비탈과 f 오비탈 261 179 5.2 열역학 제1법칙 5.4 반응 엔탈피 214 6.7 다전자 원자 5.1 화학 에너지의 본질 5.3 엔탈피 5.8 결합 엔탈피 6.8 전자 배치 265 Hund 규칙 267 축약형 전자 배치 268 전이 금속 269 란타넘족과 악티늄족 270 6.9 전자 배치와 주기율표 271 변칙적인 전자 배치 275 요약 및 중요 용어 276 핵심 공식 278 추가 연습 문제 282 실험 설계 문제 285 학습 정리 277 연습 문제 278 통합 연습 문제 284 7 원소의 주기적 성질 7.1 주기율표의 발전 7.2 유효 핵전하 287 287 290 2022-12-23 오전 10:43:31 차례 vii 7.3 원자와 이온의 크기 8.8 공유 결합의 세기와 길이 294 원자 반지름의 주기적 경향 296 이온 반지름의 주기적 경향 297 7.4 이온화 에너지 요약 및 중요 용어 372 핵심 공식 374 추가 연습 문제 377 실험 설계 문제 380 300 순차적 이온화 에너지의 변화 301 1차 이온화 에너지의 주기적 경향 302 이온의 전자 배치 303 7.5 전자 친화도 306 308 금속 310 비금속 312 준금속 313 7.7 1족 금속과 2족 금속의 경향 320 수소 320 16족: 산소족 321 17족: 할로젠 322 18족: 비활성 기체 324 요약 및 중요 용어 326 핵심 공식 327 추가 연습 문제 331 실험 설계 문제 335 9.1 분자 모양 학습 정리 327 연습 문제 327 통합 연습 문제 334 9.3 분자 모양과 분자 극성 8.1 Lewis 기호와 팔전자 규칙 337 337 Lewis 기호 338 팔전자 규칙 338 8.3 공유 결합 346 이온 결합 생성 에너지 340 s와 p 구역 원소 이온의 전자 배치 342 전이 금속 이온 343 Lewis 구조 346 다중 결합 347 8.4 결합의 극성과 전기 음성도 349 전기 음성도 349 전기 음성도와 결합의 극성 350 쌍극자 모멘트 351 이온 결합과 공유 결합의 비교 354 8.5 Lewis 구조 그리기 356 형식 전하와 가능한 Lewis 구조 358 8.6 공명 구조 361 9.4 공유 결합과 오비탈 겹침 9.5 혼성 오비탈 365 홀수 개의 전자를 가진 경우 365 원자가 전자가 8개보다 적은 경우 366 원자가 전자가 8개보다 많은 경우 366 Brown15_차례01-12.indd 7 398 400 407 공명 구조, 비편재화, p 결합 409 s 결합과 p 결합에 대한 일반적인 결론 411 9.7 분자 오비탈 414 수소 분자의 분자 오비탈 414 결합 차수 416 9.8 2주기 이원자 분자의 결합 418 Li2와 Be2의 분자 오비탈 419 2p 원자 오비탈로부터 분자 오비탈의 생성 420 B2에서 Ne2까지의 전자 배치 424 전자 배치와 분자의 성질 425 이핵 이원자 분자 426 요약 및 중요 용어 431 핵심 공식 432 추가 연습 문제 437 실험 설계 문제 441 10 기체 10.2 압력 학습 정리 432 연습 문제 432 통합 연습 문제 440 443 10.1 기체의 특성 벤젠의 공명 363 8.7 팔전자 규칙의 예외 395 sp 혼성 오비탈 401 sp2와 sp3 혼성 오비탈 402 초원자가 분자 404 혼성 오비탈 요약 404 8 화학 결합의 기본 개념 339 385 분자 모양을 결정할 때 VSEPR 모형 적용하기 387 비공유 전자쌍과 다중 결합이 결합각에 미치는 영향 387 확장된 원자가 껍질을 갖는 분자 390 큰 분자의 모양 391 9.6 다중 결합 8.2 이온 결합 381 381 9.2 VSEPR 모형 314 1족: 알칼리 금속 314 2족: 알칼리 토금속 316 7.8 일부 비금속의 경향 학습 정리 373 연습 문제 374 통합 연습 문제 378 9 분자의 기하 구조와 결합 이론 전자 친화도의 주기적 경향 307 7.6 금속, 비금속, 준금속 369 443 445 대기압과 압력계 446 10.3 기체 법칙 450 압력-부피 관계: Boyle 법칙 451 2022-12-23 오전 10:43:31 차례 viii 12 고체와 신소재 온도-부피 관계: Charles 법칙 452 양-부피의 관계: Avogadro 법칙 452 10.4 이상 기체식 454 이상 기체식과 기체 법칙의 관계 457 기체의 밀도와 몰질량 458 화학 반응에서 기체의 부피 460 10.5 기체 혼합물과 부분 압력 12.1 고체의 분류 533 12.2 금속성 고체 540 결정성 고체와 비결정성 고체 535 단위 세포와 결정 격자 535 단위 세포 채움 537 462 금속성 고체의 구조 541 조밀 쌓임 543 합금 546 금속 결합 548 전자 바다 모형 549 분자 오비탈 모형 549 부분 압력과 몰분율 464 10.6 기체 분자 운동론 465 분자 속력의 분포 466 분자 운동론을 기체 법칙에 적용해 보기 467 10.7 분자의 분출과 확산 12.3 이온성 고체 553 이온성 고체의 구조 554 469 12.4 공유성 고체 Graham의 분출 법칙 471 확산과 평균 자유 행로 472 10.8 실제 기체: 이상적 거동으로부터 벗어남 474 학습 정리 480 연습 문제 481 통합 연습 문제 487 11.1 기체, 액체, 고체의 분자 비교 489 분산력 494 쌍극자-쌍극자 상호 작용 495 수소 결합 496 이온-쌍극자 힘 499 분자간 힘의 비교 499 501 점성도 502 표면 장력 503 모세관 작용 504 11.4 상변화 566 12.6 나노물질 573 나노크기의 반도체 574 나노크기의 금속 576 나노크기의 탄소 576 요약 및 중요 용어 580 핵심 공식 582 추가 연습 문제 587 실험 설계 문제 589 489 492 11.3 액체의 특별한 성질 12.5 중합체 중합체 제조 567 중합체의 구조와 물리적 특성 570 11 액체와 분자간 힘 11.2 분자간 힘 558 분자성 고체 559 공유성 그물 구조 고체 559 반도체 560 반도체 도핑 563 van der Waals 식 477 요약 및 중요 용어 479 핵심 공식 480 추가 연습 문제 485 실험 설계 문제 488 533 학습 정리 581 연습 문제 582 통합 연습 문제 588 부록 A 수학 연산 A-1 B 물의 성질 A-8 C 298.15 K(25 °C)에서의 몇 가지 물질의 열역학적 자료 A-9 D 수용액의 평형 상수 A-13 E 25 °C에서의 표준 환원 전위 A-15 연습 문제의 답 A-16 그림으로 된 문제의 답 A-31 506 에너지 변화는 상변화를 동반한다 506 가열 곡선 508 임계 온도와 임계 압력 509 11.5 증기 압력 511 보충 예제의 답 A-34 사진 출처 P-1 찾아보기 I-1 휘발성, 증기 압력, 온도 512 증기 압력과 끓는점 513 11.6 상도표 515 H2O와 CO2의 상도표 517 11.7 액정 519 액정의 종류 520 요약 및 중요 용어 524 연습 문제 525 통합 연습 문제 531 Brown15_차례01-12.indd 8 학습 정리 525 추가 연습 문제 529 실험 설계 문제 532 2022-12-23 오전 10:43:31 1.1 ▶ 화학 연구 1.2 ▶ 물질의 분류 1 1.3 ▶ 물질의 성질 1.4 ▶ 에너지의 본질 1.5 ▶ 측정의 단위 1.6 ▶ 측정의 불확실성 1.7 ▶ 차원 분석 서론: 물질, 에너지, 측정 1.1 ∣ 화학 연구 이 책의 원제 – 화학: 중심과학(Chemistry: The Central Science) – 는 우리 주변에서 일어나고 있 는 대부분의 일이 화학과 관련이 있다는 것을 의미한다. 여러 꽃이 화려한 색을 만드는 과정, 우 1 Brown15_CH01(0001-0044).indd 1 2022-12-23 오후 1:15:57 2 1장 서론: 물질, 에너지, 측정 리 몸이 음식을 이용하는 과정, 휴대전화를 작동시키는 전기 에너지 등은 매일 볼 수 있는 일상적 인 화학적 과정의 예이다. 1장에서는 화학이 무엇에 관한 것이고, 무엇을 하는 것인가에 대한 개괄적인 개념을 제공한다. 화학은 물질, 성질, 변화를 탐구하는 학문이다. 여러분은 앞으로 화학을 공부해 나가면서, 음식 을 준비하는 일상적 행위부터 주변 환경에서 일어나는 좀 더 복잡한 과정에 이르기까지, 우리 삶 의 모든 면에 화학적 원리가 어떻게 작용하는지 알게 될 것이다. 또한 물질의 조성과 구조를 바꾸 어, 어떻게 원하는 용도에 맞게 물질의 성질을 바꿀 수 있는지 배울 것이다. 예를 들어, 19세기에 화학자들이 개발한 합성 염료는 van Gogh 같은 인상주의 화가들이 널리 사용하였다. 화학은 우리 주변에서 일어나는 많은 변화의 중심에 있으며, 물질세계에서 관찰되는 무수하고 다양한 성질을 설명해 준다. 이러한 변화는 어떻게 일어나며 물질의 성질이 왜 그렇게 관찰되는지 알기 위해서는, 우리의 감각으로 인지하는 것보다 훨씬 더 깊이 들여다보아야 한다. 이 절이 끝나면 다음 사항을 수행할 수 있어야 한다. • 화학의 적용 범위 이해하기 화학의 원자적 관점과 분자적 관점 화학은 물질의 성질과 움직임을 연구하는 학문이다. 물질(matter)은 우주를 구성하는 재료로서, 질량을 가지고 있으며 공간을 차지하는 것을 일컫는다. 어떤 물질의 성질(property)이란 그 물질이 가지고 있는 특별한 점을 인식할 수 있게 하고, 다른 물질과 구별될 수 있게 하는 특성을 뜻한다. 이 책과 여러분의 몸, 숨 쉬고 있는 공기, 입고 있는 옷 등은 모두 물질의 예이다. 이 세상에 존재 하는 물질은 굉장히 다양하지만, 우리는 수없이 많은 실험을 통해 이 물질들이 단지 100여 개에 불과한 원소(element)라는 것들의 조합으로 구성된 것임을 알게 되었다. 이 책을 공부하는 주요 목 적 중 하나는 물질의 특성과 물질의 조성 사이의 관계, 즉 그 물질이 가지고 있는 원소들과 물질의 특성 사이의 관계를 이해하는 것이다. 화학에서는 또한, 물질을 구성하는 거의 무한히 작은 기본 단위인 원자(atom)를 바탕으로 물질 의 성질을 알고자 한다. 각 원소는 특정한 한 가지 종류의 원자로 구성된 것이다. 여러분은 앞으 로 물질의 성질이 물질을 구성하는 원자의 종류와 배열, 즉 조성(composition)과 구조(structure)에 어떻게 관련되어 있는지 배우게 될 것이다. 분자(molecule)는 두 개 이상의 원자가 결합하여 특정한 모양을 이룬 것이다. 이 책 전반에 걸 쳐, 원자들이 어떻게 연결되어 있는지를 나타내기 위해 다양한 색깔의 공들을 사용할 것이다(그림 1.1). 색은 서로 다른 원소의 원자들을 구별하는 데 편리하다. 예를 들어, 그림 1.1에 있는 에탄올 (ethanol)과 에틸렌 글라이콜(ethylene glycol) 분자의 조성과 구조를 살펴보자. 에탄올은 빨간색 공 으로 나타낸 하나의 산소 원자를 가지고 있는 데 반해, 에틸렌 글라이콜은 두 개의 산소 원자를 가 지고 있다. 분자의 조성과 구조에 작은 차이만 있더라도 분자의 성질은 크게 달라질 수 있다. 예를 들어 그 림 1.1에서 보듯이 상당히 비슷하게 생긴 에탄올과 에틸렌 글라이콜을 비교해 보자. 에탄올은 맥 주와 와인 등의 알코올(alcohol) 성분인 반면, 에틸렌 글라이콜은 자동차의 부동액으로 사용하는 끈적끈적한 액체이다. 이 두 분자의 성질은 생체에 대한 영향뿐 아니라 많은 면에서 다르다. 에탄 올은 전 세계적으로 사람들이 꾸준히 섭취하고 있지만, 에틸렌 글라이콜은 독성이 높기 때문에 절 대로 음용하지 말아야 한다. 화학자들이 도전하는 과제 중 하나는 분자의 조성과 구조를 통제된 방법으로 바꾸어 다른 성질을 가지는 새로운 물질을 만드는 것이다. 대표적인 예가 상비약 중의 하나인 아스피린(그림 1.1)이다. 아스피린은 오랫동안 통증을 완화시키는 데 쓰여 왔던 버드나무 껍질로부터 추출한 천연 성분을 개선해 보려는 과정에서 얻은 성공적인 결과로서, 1987년에 처음 합성되었다. Brown15_CH01(0001-0044).indd 2 2022-12-23 오전 10:26:22 1.1 화학 연구 3 그림에 있는 분자 중 가장 많은 탄소 원자를 가지고 있는 것은 어느 것인가? 그 분자에는 몇 개의 탄소 원자가 있는가? 산소 물 에탄올 이산화 탄소 에틸렌 글라이콜 아스피린 ▲ 그림 1.1 분자 모형 흰색, 검은색, 빨간색 공은 각각 수소, 탄소, 산소 원자를 나타낸다. 물이 끓는 현상에서부터 우리 몸에 침입한 바이러스에 대항할 때 일어나는 현상까지, 세상에 서 관찰할 수 있는 모든 변화는 원자와 분자의 세계에서의 변화에 바탕을 두고 있다. 따라서 앞 으로 화학을 공부해 나가면서 보통 크기의 거시적(macroscopic) 영역과 원자와 분자의 초미시적 (submicroscopic) 영역, 그리고 이런 입자들을 어떻게 표현할 것인지에 대한 상징적 영역의 세 영 역을 생각하게 될 것이다. 우리는 거시 세계의 현상만을 관찰할 수 있지만, 이를 이해하기 위해서 는 원자와 분자가 초미시적 수준에서 어떻게 행동하는지 알아야 한다. 화학은 원자와 분자의 성 질과 움직임을 연구함으로써 물질의 성질과 움직임을 이해하고자 하는 과학이다. 왜 화학을 공부하는가? 화학은 건강 관리, 천연 자원의 보존, 환경 보호, 사회가 계속하여 작동할 수 있게 하는 에너지의 공급 등과 같은 대중적 관심이 많은 문제의 중심에 놓여 있다. 우리는 화학을 이용하여 의약품, 비료와 농약, 플라스틱, 태양 전지판, 발광 다이오드(LED), 건축 자재 등을 개발 및 발명하고 계 속 향상시켜 왔다. 또한 어떤 화학 물질은 건강이나 환경에 해를 끼칠 수도 있다는 것도 알게 되 었다. 이는 우리가 접하는 물질의 안정성을 반드시 확인해야 한다는 것을 의미한다. 우리는 일상 에서 사용되는 화학 물질의 긍정적 효과뿐만 아니라 부정적 효과도 함께 이해함으로써 화학 물질 사용에 대한 균형 잡힌 시각을 가져야 한다. 여러분이 화학을 공부하는 이유는 아마도 화학이 여러분의 교육 과정에서 필수적인 부분이기 때문일 것이다. 여러분의 전공은 화학일 수도 있고 생물학, 공학, 약학, 지질학 또는 다른 분야일 수도 있다. 많은 과학 관련 분야에서 그 작동 원리를 근본적으로 이해하는 데에는 화학이 중요한 역할을 한다. 예를 들어 우리는 물질세계와 접하면서 주변 물질에 대한 기본적인 의문점을 가지 게 된다. 그림 1.2는 현대 생활의 여러 영역에서 화학이 어떻게 중심적인 역할을 하는가를 보여 주 고 있다. Brown15_CH01(0001-0044).indd 3 2022-12-23 오전 10:26:23 4 1장 서론: 물질, 에너지, 측정 에너지 생화학 태양 전지 패널은 특수 처리된 규소(Si)로 만든다. 반딧불이의 반짝이는 불빛은 이 곤충의 몸속에서 일어나는 화학 반응의 결과이다. 의학 기술 유기 발광 다이오드( 화학 , )는 최첨단 휴대 전화, 태블릿, 텔레비전의 디스 플레이용으로 쓰인다. 화학자들은 질병을 치료하고자 새로운 약을 개발하고 약효를 개선하기 위해 끊임없이 노력 하고 있다. ▲ 그림 1.2 우리를 둘러싸고 있는 세계를 이해하는 데 있어서 화학은 매우 중요하다. 작동하는 화학 화학과 화학 산업 화학은 우리 주변 어디에나 있다. 예를 들어 그림 1.3의 설탕은 자연에 서 얻은 물질을 공업적으로 정제하여 순도를 높인 화학 약품으로 전 세계에서 팔리고 있다. 그러나 화학 산업의 규모와 중요성을 인식하 고 있는 사람은 드물다. 화학 산업은 미국에서만 그 규모가 8,000억 달러 정도로 추산되며, 800,000여 명이 여기에 종사하고 있고, 수출의 14%를 차지한다. 화학자는 누구이고 어떤 일을 하는가? 화학을 전공하여 학위를 취득 한 사람은 산업계, 정부, 학계 등에서 다양한 일을 하고 있다. 산업계 에 있는 화학자는 실험 화학자로서 새로운 물질 개발(연구 개발), 물 질 분석(품질 관리), 고객 지원(판매와 서비스) 등의 일을 한다. 경험 이 많거나 교육을 많이 받은 화학자는 회사의 관리나 임원으로 일하 기도 한다. 화학자는 정부(국립보건연구원, 에너지부, 환경보호청 등) ▲ 그림 1.3 가정에서 사용하는 설탕 와 대학에서 일하는 과학 인력의 중요한 구성원이기도 하다. 화학 학 위는 교육, 의학, 생의학 연구, 정보 과학, 환경 직종, 기술 영업, 정부 고 또 어떤 화학자들은 오염 물질이 어떻게 주변 환경에 퍼지는지 또 감독 기관, 특허법 등의 직업 분야로 진출하는 데에도 유용하다. 는 약이 우리 몸에서 어떻게 작동되는지를 이해하기 위해, 이미 알고 기본적으로 화학자가 하는 일은 다음의 세 가지이다: (1) 원하는 성 있는 물질과 방법을 사용하기도 한다. 또 다른 화학자는 분자가 매우 질을 갖는 재료나 순물질 또는 순물질들의 혼성체를 만든다. (2) 물질 짧은 시간에 어떻게 움직이고 반응하는가를 알기 위해 이론을 개발하 의 특성들을 측정한다. (3) 물질의 특성들을 설명하거나 예측하는 모 고, 컴퓨터 프로그램 코드를 작성하여, 분자들이 어떻게 이동하고 반 델을 개발한다. 예를 들어 어떤 화학자는 신약을 개발하기 위하여 실 응하지를 이해하기 위한 시뮬레이션을 한다. 화학과 화학 산업은 이 험실에서 연구를 할 수 있다. 또 다른 화학자는 원자 수준에서 물질의 처럼 다양한 활동이 풍부하게 혼합되어 이루어진다. 특성을 측정하는 기기를 개발하는 데 노력을 집중할 수도 있다. 그리 Brown15_CH01(0001-0044).indd 4 2022-12-23 오전 10:26:23 1.2 물질의 분류 5 자기 평가 연습 문제 1.1 다음 중 화학 약품으로만 모여 있는 것을 있는 대로 모두 고르시오. (c) 항균 크림, 진통제, 에너지 음료 (a) 페인트, 프린터 토너, 식용 색소 (d) 경량 자전거 프레임, 식품 포장재, 자동차용 배기 촉매 변환기 (b) 컴퓨터 디스플레이, LED 전구, 바코드 스캐너 (e) 비누, 샴푸, 가루 세제 자기 평가 연습 문제 답 1.1 전부 1.2 ∣ 물질의 분류 모든 과학 공부의 시작은 분류이다. 도서관에서 원하는 책을 찾을 수 있게 책들이 정리되어 있듯 이, 분류는 우리가 공부하는 순서를 알 수 있게 한다. 물질을 분류하는 두 가지 기본적인 방법에 대하여 알아보는 것으로부터 화학에 대한 공부 를 시작해 보자. 물질의 특성은 보통 (1) 물리적 상태(기체, 액체, 고체)와 (2) 조성(원소, 화합물 (compound), 혼합물(mixture))에 의해 결정된다. 이 절이 끝나면, 다음 사항을 수행할 수 있어야 한다. • 물질의 기본적인 분류를 이해하기 물질의 상태 물질은 기체, 액체, 고체로 존재한다. 이러한 물질의 세 가지 형태를 물질의 상태(state of matter)라 고 한다. 각 물질의 상태는 관측되는 성질이 다르다. •기 체(gas, 증기라고도 함)는 일정한 부피와 모양이 없고, 들어 있는 용기에 고르게 퍼진다. 기체 는 더 작은 부피로 압축될 수 있거나 더 큰 부피로 팽창할 수도 있다. •액 체(liquid)는 용기와 관계없이 일정한 부피를 갖지만, 그 모양은 액체가 담겨 있는 부분의 용 기 모양과 같다. 그리고 눈에 띌 만큼 압축되지는 않는다. • 고체(solid)는 일정한 모양과 부피를 가진다. 고체도 눈에 띌 만큼 압축되지는 않는다. Brown15_CH01(0001-0044).indd 5 2022-12-23 오전 10:26:24 6 1장 서론: 물질, 에너지, 측정 물의 어떤 상태에서 물 분자 사이가 가장 멀리 떨어져 있는가? 수증기 얼음 각 상태의 성질은 분자 수준에서 이해할 수 있다(그림 1.4). 기 체 상태에서 분자는 서로 멀리 떨어져 있고, 빠른 속도로 움직 이면서 자기들끼리, 그리고 용기의 벽과 계속해서 충돌한다. 기 체를 압축한다고 하는 것은 분자들 사이의 공간을 좁혀서 충돌 물 빈도를 높이는 것으로, 분자의 크기나 모양을 바꾸는 것은 아니 다. 액체에서 분자는 보다 촘촘히 모여 있지만 여전히 빠르게 움 직인다. 이러한 빠른 움직임은 서로 미끄러질 수 있게 한다. 따 라서 액체는 쉽게 쏟아부을 수 있다. 고체 상태에서 분자는 서 로 단단하게 붙들려 일정한 배열을 이루고 있고, 고정된 위치에 서 단지 약간씩만 움직일 수 있다. 즉 고체와 액체 상태에서 분 자 사이의 거리는 비슷하지만, 고체에서 분자는 일정한 위치에 고정되어 있는 반면, 액체에서는 상당히 자유롭게 돌아다닌다. 얼음이 녹거나 수증기가 응축하는 등의 과정에서 보듯이 온도나 압력의 변화는 물질의 상태 변환을 유도할 수 있다. 순물질 우리가 만나는 물질 대부분-숨 쉬는 공기(기체), 자동차 연료 인 휘발유(액체), 걸어 다니는 갓길(고체) -은 화학적으로 순수 하지 않다. 그렇지만 이러한 것들을 순수한 물질로 분리할 수 ▲ 그림 1.4 물의 세 가지 물리적 상태 - 수증기, 물, 얼음 액체와 고체 상태 있다. 순수한 물질(pure substance, 일반적으로 간단히 순물질 의 물은 육안으로 보이지만, 수증기는 보이지 않는다. 빨간색 화살표는 물 질의 세 가지 상태가 서로 바뀌는 것을 나타낸다. (substance)이라고 함)은 특정한 성질을 가지며, 그 조성은 시료 에 따라 변하지 않고 일정하다. 예를 들어 물과 식용 소금(염화 소듐, NaCl)은 각각 순물질이다. 모든 순물질은 원소이거나 화합물이다. • 원소(element)는 더 간단한 순물질로 분해할 수 없는 순물질이다. 분자 수준에서 보면 각 원소 는 한 종류의 원자로만 구성되어 있다[그림 1.5 (a)와 (b)]. •화 합물(compound)은 두 가지 이상의 원소로 구성되어 있어서 두 종류 이상의 원자를 포함한다 [그림 1.5(c)]. 예를 들어 물은 수소와 산소 두 종류의 원소로 구성되어 있는 화합물이다. 한 화합물의 분자는 한 원소의 분자와 어떻게 다른가? 한 원소의 원자 한 원소의 분자 원소는 한 종류의 원자로만 구성된다. 한 화합물의 분자 한 원소와 화합물의 혼합물 화합물은 두 종류 이상의 원자를 가지고 있어야 한다. ▲ 그림 1.5 분자 수준에서 비교한 원소, 화합물, 혼합물 Brown15_CH01(0001-0044).indd 6 2022-12-23 오전 10:26:25 1.2 물질의 분류 7 그림 1.5(d)는 순물질의 혼합물이다. 혼합물(mixture)은 두 가지 이상의 순물질이 섞여 있는 것 으로, 이때 각 순물질은 혼합물에서도 화학적 성격을 그대로 유지하고 있다. 원소 현재까지 118가지의 원소가 알려져 있으며, 이들 원소는 장소에 따라 그 존재량이 매우 다양 인체의 조성을 나타낸 원 그래프에서 질량 백분율 대신 원자의 개수에 대한 백분율을 사용하면, 수소가 차지하는 면적은 커지겠는가, 작아지겠는가? 알루미늄 하다. 우리 은하에서는 수소와 헬륨이 각각 74%와 24%의 질량을 차지한다. 좀 더 가까운 곳 으로 와보면, 지각(바다와 대기 포함)은 90% 이상이 다섯 가지 원소(산소, 규소, 알루미늄, 철, 칼슘)로 이루어져 있고, 우리 몸의 질량은 90% 이상이 세 가지 원소(산소, 탄소, 수소)로부터 철 기타 칼슘 온다(그림 1.6). 규소 표 1.1은 많이 알려진 몇 가지 원소와 그것을 표시하는 화학 기호(symbol)를 함께 나타낸 것 산소 이다. 각 원소의 기호는 하나 또는 두 개의 영문 알파벳으로 되어 있고, 첫 알파벳은 대문자로 쓴다. 대부분의 기호는 원소의 영어 이름에서 유래하였고, 몇 가지는 다른 나라에서 유래한 것 도 있다(표 1.1의 오른쪽 열). 표 1.1에 있는 기호들은 알아 둘 필요가 있다. 다른 기호들은 차 지각 차 배우게 될 것이다. 알려진 모든 원소와 그 기호들은 책 앞표지 안쪽의 주기율표(periodic table)에 나와 있다. 주 기타 수소 기율표에서 열은 밀접하게 연관된 원소들을 같은 집단으로 배열한 것이다. 주기율표에 대해 서는 2.5절에서 보다 자세히 설명할 것이다. 그리고 7장에서는 주기적으로 반복되는 원소들의 성질에 대하여 알아볼 것이다. 산소 탄소 화합물 대부분의 원소는 다른 원소와 상호 작용하여 화합물을 형성할 수 있다. 예를 들어 수소 기체가 산소 기체와 만나 연소하면, 원소인 수소와 산소가 합쳐져서 화합물인 물이 생성된다. 그와 반 대로, 물에 전류를 통과시키면 물이 성분 원소로 분해될 수 있다(그림 1.7). 순수한 물을 성분 원소로 분해시키는 실험으로부터, 물을 어디에서 가지고 오든지 그 질량 의 11%는 수소로, 89%는 산소로 이루어져 있음을 알 수 있다. 이 비율은 항상 일정하다. 이는 인체 ▲ 그림 1.6 원소의 상대적 존재비* 지각 (바다와 대기 포함)과 인체를 구 성하는 원소의 질량 백분율 각각의 물 분자에 있는 수소 원자의 개수가 일정하고, 또한 산소 원자의 개수도 일정하기 때문 이다. 질량 백분율로 보았을 때 물은 대부분 산소로 이루어진 것처럼 보이지만, 실제는 물 분 자 하나당 두 개의 수소 원자와 하나의 산소 원자가 있다. 질량과 원자 개수의 경향이 일치하 지 않는 것은 수소 원자가 산소 원자보다 훨씬 가볍기 때문이다. 물 분해 실험에서 성분 원소 의 질량 측정으로 알 수 있는 물의 거시적 조성은, 산소 원자 하나와 수소 원자 두 개로 구성된 표 1.1 몇 가지 많이 알려진 원소와 기호 탄소(Carbon(C)) 알루미늄(Aluminum(Al)) 구리(Copper(Cu, cuprum에서 유래)) 플루오린(Fluorine(F)) 브로민(Bromine(Br)) 철(Iron(Fe, ferrum에서 유래)) 수소(Hydrogen(H)) 칼슘(Calcium(Ca)) 납(Lead(Pb, plumbum에서 유래)) 아이오딘(Iodine(I)) 염소(Chlorine(Cl)) 수은(Mercury(Hg, hydrargyrum에서 유래)) 질소(Nitrogen(N)) 헬륨(Helium(He)) 포타슘(Potassium(K, kalium에서 유래)) 산소(Oxygen(O)) 리튬(Lithium(Li)) 은(Silver(Ag, argentum에서 유래)) 인(Phosphorus(P)) 마그네슘(Magnesium(Mg)) 소듐(Sodium(Na, natrium에서 유래)) 황(Sulfur(S)) 규소(Silicon(Si)) 주석(Tin(Sn, stannum에서 유래)) *U.S. Geological Survey Circular 285, U.S Department of the Interior. Brown15_CH01(0001-0044).indd 7 2022-12-23 오전 10:26:25 8 1장 서론: 물질, 에너지, 측정 생성된 H2의 부피가 O2의 부피보다 큰 이유는 다음 중 어느 것인가? (a) 수소 원자가 산소 원자보다 가볍기 때문이다. (b) 수소 원자가 산소 원자보다 크기 때문이다. (c) 물 분자는 한 개의 산소 원자와 두 개의 수소 원자로 이루어져 있기 때문이다. 산소 기체( 물( 수소 기체( ) ) ) ▲ 그림 1.7 물의 전기 분해 전류가 물을 통해 흐르면 물이 성분 원소, 즉 수소와 산소로 분해된다. 오른쪽 시험관에 모인 수소의 부피는 산소 부피의 두 배이다. 물 분자의 조성과 일치한다. 수소 원자 로 표시 산소 원자 로 표시 물 분자 로 표시 원소 상태의 수소와 산소는 이원자(두 개의 원자) 분자의 형태로 자연계에 존재한다. 산소 분자 수소 분자 로 표시 로 표시 표 1.2에서 보듯이 물의 성질은 그 성분 원소들과 닮지 않았다. 수소, 산소, 물은 각각 서로 다른 순물질이다. 이는 각 물질의 분자가 서로 다른 별개의 분자이기 때문이다. 한 화합물에서 그 원소의 조성이 항상 같다는 것을 일정 성분비 법칙(law of constant composition 또는 law of definite proportion)이라고 한다. 이 법칙은 1800년경 프랑스의 화학자 Joseph Louis Proust(1754~1826)가 처음으로 발표하였다. 이 법칙이 알려진 지 200년이 지났지만, 아직도 몇몇 사람은 실험실에서 만든 화합물과 자연에 존재하는 화합물 사이에는 근본적 차이가 있다고 믿고 있다. 이러한 믿음은 틀린 것이다. 순수한 화합물은 그것이 실험실에서 왔건 자연에서 왔건 상관없이, 같은 조건에서는 항상 같은 성분과 같은 성질을 갖는다. 화학자와 자연은 같은 원소를 이용해야 하고, 같은 자연법칙에 따라 조작해야만 한다. 두 물질의 조성과 성질이 서로 다르다면, 그들은 다른 화합물로 이루어져 있거나 순도가 다른 것이다. Brown15_CH01(0001-0044).indd 8 2022-12-23 오전 10:26:25 1.2 물질의 분류 9 물, 수소, 산소의 비교 물 수소 산소 상태a 액체 기체 기체 정상 끓는점 100 °C -253 °C -183 °C 밀도a 1000 kg/m3 0.084 kg/m3 1.33 kg/m3 인화성 없음 있음 없음 ⓒ Cmichal812/Shutterstock 표 1.2 (a) a 상온, 대기압에서 혼합물 우리가 보는 대부분의 물질은 서로 다른 순물질이 섞여 있는 혼합물이다. 한 혼합물에 들 어 있는 각각의 순물질은 그 자신의 화학적 고유성과 특성을 유지하고 있다. 일정한 조성 을 가지고 있는 순물질에 비해 혼합물의 조성은 바뀔 수 있다. 예를 들어 커피 한 잔에는 설탕이 조금 들어 있을 수도, 많이 들어 있을 수도 있다. 혼합물을 구성하는 순물질을 그 혼합물의 성분(component)이라고 한다. 어떤 혼합물은 조성, 성질, 겉모양 등이 전체적으로 균등하지 않다. 예를 들어 암석이나 나무는 결이나 겉모양이 부분에 따라 변하는데, 이러한 혼합물을 불균일(heterogeneous) 혼합물이라고 한다[그림 1.8(a)]. 반면, 모든 부분이 균등한 혼합물을 균일(homogeneous) 혼합물이라고 한다. 공기는 질소, 산소, 소량의 다른 기체로 이루어진 균일 혼합물이다. 공 (a) 기 중의 질소는 순수한 질소와 그 성질이 완전히 같다. 이는 순수한 질소나 공기 중에 있는 질소가 같은 질소 분자이기 때문이다. 소금, 설탕, 그 밖의 많은 물질은 물에 녹아 균일 혼 합물을 만든다[그림 1.8(b)]. 균일 혼합물을 용액(solution)이라고도 한다. 용액이라는 단어 가 액체를 연상하게 하지만 고체일 수도, 액체일 수도, 기체일 수도 있다. 그림 1.9에 물질을 원소, 화합물, 혼합물로 분류하는 방법을 요약하였다. (b) ▲ 그림 1.8 혼합물 (a) 암석을 포함하여 여 러 가지 물질은 불균일 혼합물이다. 사진은 이산화 규소와 다른 금속 산화물들의 불균 일 혼합물인 화강암들을 보여 주고 있다. (b) 균일 혼합물을 용액이라고 한다. 사진의 청 색 고체(황산 구리(copper(II) sulfate))는 물에 녹아 용액을 형성한다. 물질 아니오 예 전체적으로 균일한가? 균일 불균일 혼합물 아니오 조성이 변할 수 있는가? 순물질 아니오 더 간단한 순물질로 분리될 수 있는가? 예 균일 혼합물(용액) 예 ▶ 그림 1.9 물질의 분류 모든 순수한 원소 Brown15_CH01(0001-0044).indd 9 화합물 물질은 궁극적으로 원소 또는 화합물로 분류될 수 있다. 2022-12-23 오후 4:39:13 1장 서론: 물질, 에너지, 측정 10 예제 1.1 원소, 화합물, 혼합물 구별하기 ‘화이트 골드’에는 금과 함께 팔라듐 같은 ‘흰색’ 금속이 들어 있다. 금과 팔라듐의 함량이 서로 다른 두 종류의 화이트 골드가 있는데, 이들 각 시료는 전체적으로 그 조성이 일정하다. 그림 1.9의 방법에 따라 화이트 골드를 분류하시오. ▶▶ 보충 예제 해답 각 시료는 전체적으로 그 조성이 일정하므로 균일하다. 그러나 두 시 아스피린은 출처에 상관없이 질량비로 60.0%의 탄소, 4.5%의 수 료는 서로 다른 조성을 가지므로 화합물이라고 할 수 없고, 단지 균 소, 35.5%의 산소로 이루어졌다. 그림 1.9의 방법에 따라 아스피 일 혼합물일 뿐이다. 린을 분류하시오. 자기 평가 연습 문제 1.2 ‘소다수’라고도 하는 탄산수는 높은 압력으로 이산화 탄소를 물에 녹인 것이다. 다음 중 소다수를 옳게 분류한 것은? (a) 여러 원소의 균일 혼합물 (b) 여러 화합물의 균일 혼합물 (c) 여러 원소의 불균일 혼합물 (d) 여러 화합물의 불균일 혼합물 연습 문제 1.3 다음 물질을 순물질 또는 혼합물로 구분하시오. 혼합물이라면, 균 1.5 하얀 고체 물질 A를 진공 상태에서 강하게 가열하여 분해시켰더 니, 새로운 하얀 물질 B와 기체 C가 얻어졌다. 기체 C는 과량의 산 일한지 불균일한지를 밝히시오. (a) 공기 (b) 아몬드 초콜릿 (c) 알루미늄 (d) 아이오딘팅크 1.4 다음 원소에 해당하는 화학 기호 또는 이름을 쓰시오. (a) 헬륨 (b) 백금 (c) 코발트 (d) 주석 (e) 은 소가 있는 상태에서 탄소를 태워 얻은 생성물과 성질이 완전히 같 다. 이 관찰로부터 고체 A와 B, 기체 C가 원소인지 화합물인지 결 정할 수 있는가? (f) Sb (g) Pb (h) Br (i) V (j) Hg 자기 평가 연습 문제 답 1.2 (b) 1.3 ∣ 물질의 성질 강철은 딱딱하고, 고무는 유연하며, 나무는 탈 때 불꽃을 낸다. 이처럼 우리는 우리 주변에서 볼 수 있는 물질의 성질에 친숙하다. 좀 더 깊이 들어가면, 우리는 이러한 성질을 두 가지로 분류할 Brown15_CH01(0001-0044).indd 10 2022-12-23 오전 10:26:27 1.3 물질의 성질 11 수 있다. 이 절이 끝나면 여러분은 다음 사항을 수행할 수 있어야 한다. • 물리적 변화와 화학적 변화를 구별하기 모든 물질은 고유한 성질을 가지고 있다. 예를 들면 표 1.2에 나타낸 성질을 이용하여 수소, 산소, 물을 구별할 수 있다. 물질의 성질은 물리적 성질과 화학적 성질로 분류할 수 있다. 물리적 성질 (physical property)이란 물질의 속성과 조성을 변화시키지 않고 관찰할 수 있으며, 색깔, 냄새, 밀 도, 녹는점, 끓는점, 경도 등이 이에 속한다. 물질의 화학적 성질(chemical property)은 물질이 변 화 또는 반응(react)하여 다른 물질을 생성하는 것을 표현한다. 산소가 있을 때 물질이 연소되는 성질인 가연성은 화학적 성질의 한 예이다. 온도, 녹는점 등과 같은 몇 가지 성질은 측정하고자 하는 시료의 양과 상관이 없다. 이와 같은 성질을 세기 성질(intensive property)이라고 한다. 이 성질을 이용하여 어떤 물질인지 확인할 수 있으므로 화학에서 매우 유용하다. 반면에 질량과 부피 등은 측정하려는 시료의 양(amount)에 따 라 다르다. 이와 같은 성질을 크기 성질(extensive property)이라고 한다. 물리적 변화와 화학적 변화 물질은 물리적 또는 화학적으로 변한다. 물리적 변화(physical change)가 일어날 때는 물질의 조성 은 변하지 않으면서 겉모양만 변한다(즉, 변화 전후의 물질은 동일한 것이다). 물의 증발은 물리 적 변화의 한 예이다. 물이 증발할 때는 액체 상태에서 기체 상태로 바뀌지만, 그림 1.4에서 보는 바와 같이 여전히 물 분자로 이루어져 있다. 이와 같이 모든 상태 변화(change of state, 예를 들어 액체에서 기체로 또는 액체에서 고체로 변하는 것)는 물리적 변화이다. 화학적 변화(chemical change, 화학 반응(chemical reaction)이라고도 함)가 일어나면 물질은 다 른 화학적 성질을 가진 물질로 변한다. 예를 들어, 수소를 공기 중에서 태우면 산소와 결합하여 물로 바뀌는 화학적 변화가 일어난다(그림 1.10). 때때로 화학적 변화는 매우 극적이다. 1901년에 출간된 유명한 화학 교과서의 저자인 Ira Remsen은 처음 경험한 화학 반응을 그림 1.11과 같이 표현하였다. 혼합물의 분리 혼합물을 구성하는 성분들의 성질이 각기 다르다는 것을 이용하면, 혼합물을 각각의 성분으로 분 리할 수 있다. 예를 들어 철 조각과 금 조각이 섞인 불균일 혼합물은 색을 구분하여 철과 금으로 분리할 수 있다. 더 현명한 방법은 자석의 인력을 이용하여 금 조각은 남기고 철 조각만 골라내는 것이다. 두 금속의 중요한 화학적 차이를 이용할 수도 있다. 여러 가지 산은 철 을 녹이지만 금은 녹이지 못한다. 철과 금의 혼합물을 적당한 산에 넣으면 철은 녹고 금은 남는다. 남은 금은 거르기(filtration)로 분리해 낼 수 있다 H2 (그림 1.12). 녹아 있는 철은 뒤에서 배울 화학 반응을 이용하여 다시 원 O2 래의 금속으로 변화시킨다. 균일 혼합물의 성분을 분리하는 중요한 방법의 하나는 증류(distillation)이다. 이 방법은 물질마다 증기로 변하려는 성향이 다른 점을 이용한 것이다. 예를 들어 소금물을 끓이면 물은 증발하 고 소금은 남는다. 증발된 수증기는 냉각기 벽에서 응축되어 연소 그림 1.13에서 보는 바와 같이 다시 액체로 변한다. 고체 표면에 물질이 붙는 능력의 차이를 이용하여 혼합물 을 분리할 수도 있다. 이는 그림 1.14에 있는 크로마토그래피 (chromatography)의 기본 원리이다. H2 O2 H2O ▲ 그림 1.10 화학 반응 Brown15_CH01(0001-0044).indd 11 2022-12-23 오전 10:26:28 1장 서론: 물질, 에너지, 측정 12 화학 교과서를 읽던 중 “질산은of 구리에 작용한다.”라는 보게statement 되었다. 그래서 이것이 의미하는지 알아보기로 나는 약간 While reading a textbook chemistry, I came 문구를 upon the “nitric acid무엇을 acts upon copper,” and I 하였다. determined to 의 ‘작용한다’라는 무슨 뜻인지를 알고자 하였을 뿐이었다. 호기심을 나는 가지고 있던meant. 몇 센트의 see질산을 what구하여, this meant. Having말이 located some nitric acid, I had only to이learn what풀기 the위해, words “act upon” In구리 the 동전 interest knowledge I was나는 even willing to책상 sacrifice one ‘질산’이라고 of the few 표시된 copper병을 cents in my구리 possession. put부어 one관찰할 of 을 기꺼이of 희생시키기로 하였다. 동전 한 개를 위에 놓고 열어then 그 액체를 동전 위에 I조금 them on the table, opened a bottle labeled “nitric acid,” poured some of the liquid on the copper, and prepared to 준비를 하고 있었다. 그런데 이미 내 눈앞에서 벌어진 이 놀라운 일은 무엇이란 말인가? 동전은 이미 변해 있었다. 미미한 정도가 아니었다. 청 make an observation. But what was this wonderful thing which I beheld? The cent was already changed, and it was 록색 액체가change 거품을 뿜어내고, 책상 위에는 검붉은foamed 연기가 가득하였다. 어떻게 멈출 수 있을까? 나는table. 당황하여 동전을 집어 no small either. A동전과 greenish-blue liquid and fumed이를 over the cent and over the The손으로 air became 창문 밖으로 던져red. 버렸다. 와중에I 나는 다른I 사실을 알게 되었다.the 질산이 것이다. 그때의 통증으로 인해 예견치 colored dark How그could stop또 this? tried by picking cent손가락에 up and‘작용’한 throwing it out the 쓰라린 window. I learned another fact: nitric하게 acid acts upon fingers.바지에 The pain led to이번에는 another질산이 unpremeditated experiment. drew my fingers 못한 또 다른 실험을 되었다. 나는 손가락을 문질렀고, 바지와 ‘작용한다’는 것을 알게I 되었다. 이 일은 내가 실험 across my trousers and discovered nitric acid acts upon trousers. That was the most impressive experiment I have 한 것 중 가장 인상적이었다. 나는 아직도 이 일을 매우 재미있게 말한다. 이 사건은 나에게는 전혀 뜻밖의 일이었다. “단순하게도, 이렇게 놀라 ever performed. I tell of it even now with interest. It was a revelation to me. Plainly the only way to learn about such 운 작용에 대해kinds 배우는of유일한 방법은 일하며 to 결과를 지켜보는 것이다.”* remarkable action is to실험실에서 see the results, experiment, to work in the laboratory.* ▲ 그림 1.11 구리 동전과 질산의 화학 반응 질산에 녹은 구리는 청록색 용액을 만든다. 생성된 적갈색 기체는 이산화 질소이다. ▶ 그림 1.12 거르기를 이용한 분리 고체와 액체 의 혼합물을 거름 종이에 부으면, 액체는 빠져나 가고 고체는 종이 위에 남는다. *Remsen, The Principles of Theoretical Chemistry, 1887. Brown15_CH01(0001-0044).indd 12 2022-12-23 오전 10:26:28 1장 서론: 물질, 에너지, 측정 16 높은 퍼텐셜 에너지 운동 에너지 0 낮아지는 퍼텐셜 에너지 커지는 운동 에너지 ▲ 그림 1.16 퍼텐셜 에너지와 운동 에너지 언덕 위에 정지해 있는 자전거에는 퍼텐셜 에너지가 저장되어 있다. 자전거는 언덕을 내려오면서 퍼텐셜 에너지를 잃고, 운동 에너지를 얻는다. 배열에 저장되어 있는 퍼텐셜 에너지이다. 앞으로 여러분은 화학 에너지는 원자 사이에 결합이 생 길 때 방출되고, 결합이 끊어질 때 소비된다는 것을 배우게 될 것이다. 연료가 연소할 때, 어떤 결 합은 끊어지지만 다른 결합이 형성된다. 이때의 알짜 효과는, 화학 퍼텐셜 에너지가 온도와 관련 된 에너지인 열에너지로 전환되는 것이다. 분자의 운동이 커지면 운동 에너지가 커지고, 따라서 열에너지도 커진다. 자기 평가 연습 문제 1.11 방전된 전기면도기의 니켈 수소 전지를 충전할 때, 전지의 화학 에 너지에는 어떤 변화가 있는가? (b) 감소한다. (c) 변화없다. (a) 증가한다. 연습 문제 1.12 양으로 하전된 두 입자를 가깝게 놓았다. 놓는 순간, 입자 사이의 반발력 때문에 두 입자는 서로 멀어진다. 1.13 다음 과정에서 퍼텐셜 에너지는 증가하는가, 감소하는가? (a) 서로 반대 전하인 두 입자 사이의 거리가 증가한다. (a) 이것은 퍼텐셜 에너지가 어떤 형태의 에너지로 바뀐 예인가? (b) H2O 분자를 H+와 OH- 이온으로 분해한다. (b) 두 입자를 놓기 전, 입자 사이의 거리가 멀수록 퍼텐셜 에너지 (c) 어떤 사람이 600 m 높이에서 스카이다이빙한다. 는 증가하는가, 감소하는가? 자기 평가 연습 문제 답 1.11 (a) Brown15_CH01(0001-0044).indd 16 2022-12-23 오전 10:26:30 1장 서론: 물질, 에너지, 측정 36 (a) 5.00일 → s (b) 0.0550 mi → m (c) $1.89/gal → $/L (d) 0.510 3 3 면 몇 kg의 원두가 필요한가? in/ms → km/hr (e) 22.50 gal/min → L/s (f) 0.02500 ft → cm 1.31 대기압, 25 °C에서 공기의 밀도는 1.19 g/L이다. 4.5 m × 5.0 m × 1.30 (a) 31갤런까지 담을 수 있는 포도주 통에는 몇 리터의 포도주를 2.5 m 크기의 방 안에 있는 공기의 질량은 몇 킬로그램인가? 담을 수 있는가? (b) 천식 치료제 ElixophyllinⓇ의 성인 권장 복용 량은 체중 1 kg당 6 mg이다. 체중이 185 lb인 사람의 권장 복용량 을 밀리그램으로 계산하시오. (c) 47.3 L의 가솔린으로 400 km를 달리는 자동차는 갤런당 몇 마일을 달릴 수 있는가? (d) 1파운드의 커피 원두로 50잔의 커피를 만들 수 있다. 200잔의 커피를 만들려 1.32 금은 두들겨서 아주 얇은 박판으로 만들 수 있다. 건축가가 면적이 30 m × 25 m인 천장에 백만분의 12 cm 두께의 금 박판을 붙이려 고 한다. 금의 밀도는 19.32 g/cm3이고, 금의 가격은 트로이온스(1 트로이온스 ＝ 31.1034768 g)당 1,654달러이다. 필요한 금을 사려 면 건축가는 얼마를 지불해야 하는가? 자기 평가 연습 문제 답 1.26 (c) 요약 및 중요 용어 화학 연구(1.1절) 화학(chemistry)은 물질(matter)의 조성, 구조, 성질, 변화 에너지의 본질(1.4절) 에너지(energy)는 일을 하거나 열을 전달하는 능력으 를 연구하는 학문이다. 물질의 조성은 물질을 구성하는 원소(element)의 종 로 정의한다. 일(work)은 어떤 물체에 힘을 가해 물체가 움직였을 때 전달 류와 관련이 있고, 물질의 구조는 원소의 원자(atom)들이 배열하는 방법과 된 에너지이고, 열(heat)은 물체의 온도를 올리는 데 사용된 에너지이다. 어 관계가 있다. 성질(property)은 어떤 물질이 가지고 있는 고유한 특성이다. 떤 물체이든 에너지의 두 형태, 즉 운동 에너지와 퍼텐셜 에너지를 가질 분자(molecule)는 두 개 이상의 원자가 특정한 방법으로 서로 결합하여 이 수 있다. 운동 에너지(kinetic energy)는 물체의 움직임과 관련된 에너지이 루어진 독립체이다. 고, 퍼텐셜 에너지(potential energy)는 다른 물체에 대한 상대적인 위치에 과학적 방법(scientific method)은 우리가 속해 있는 물리적 세계의 의문점 의해서 결정된다. 퍼텐셜 에너지의 중요한 예로는 중력 에너지와 정전기 에 답을 하는 역동적인 과정이다. 관찰과 실험으로부터 잠정적인 설명인 에너지가 있다. 가설(hypothesis)이 나온다. 가설이 검증되고 정제되어, 미래의 관찰이나 실험의 결과를 예측할 수 있는 이론(theory)으로 발전할 수도 있다. 여러 반복적인 관찰이 일관된 결과를 보여 줄 때, 이를 자연이 어떻게 움직이는 가를 요약한 일반 규칙인 과학 법칙(scientific law)이라고 한다. 측정의 단위(1.5절) 화학에서는 미터법(metric system)을 사용하여 측정한 다. 미터법에서 특별히 강조하는 것은 SI 단위(SI unit)이다. SI 단위에서 미 터, 킬로그램, 초는 각각 길이, 질량(mass), 시간의 기본 단위이다. SI 단위 에서는 접두어를 이용하여 십진법의 소수나 배수를 표시하기도 한다. 온 물질의 분류(1.2절) 물질은 기체(gas), 액체(liquid), 고체(solid)의 세 가지 물 도(temperature)의 단위로 섭씨 온도(Celsius scale)를 흔히 사용하지만, SI 리적 상태로 존재한다. 이를 물질의 상태(state of matter)라고 한다. 순물질 의 온도 단위는 켈빈 온도(Kelvin scale)이다. 절대 영도(absolute zero)는 도 (pure substance)에는 원소(element)와 화합물 (compound)의 두 종류가 있 달할 수 있는 가장 낮은 온도로, 0 K로 표시한다. 유도 단위(derived unit)는 다. 각 원소는 한 종류의 원자로 구성되어 있고, 하나 또는 두 개의 알파벳 SI 기본 단위들을 서로 곱하거나 나누어 얻는다. 유도 단위는 속력이나 부 으로 된 화학 기호로 나타낸다. 이때 첫 번째 알파벳은 대문자이다. 화합 피처럼 정의된 물리량을 나타내는 데 필요하다. 밀도(density)는 질량을 부 물은 두 가지 이상의 원소가 결합된 것이다. 일정 성분비 법칙(law of con- 피로 나눈 것으로, 중요한 유도 단위 중 하나이다. stant composition 또는 law of definite proportion)은 순수한 화합물의 원 측정의 불확실성(1.6절) 모든 측정값은 약간의 부정확성이 있다. 측정의 정 소 조성은 항상 같다는 것을 기술하고 있다. 대부분의 물질은 혼합물로 구 성되어 있다. 혼합물(mixture)은 여러 가지 조성을 가지며, 균일하거나 불 밀도(precision)는 여러 측정값이 서로 얼마나 가까운가를 나타낸다. 측정 의 정확도(accuracy)는 측정값이 ‘참값(true)’에 얼마나 가까운가를 나타낸 균일하다. 균일 혼합물을 용액(solution)이라고도 한다. 다. 측정값의 모든 숫자를 유효 숫자(significant figure)라고 하는데, 측정값 물질의 성질(1.3절) 각 물질은 그것을 확인할 수 있는 특유의 물리적 성질 에서 마지막 자리의 숫자는 추정한 값이다. 유효 숫자는 측정의 불확실한 (physical property)과 화학적 성질(chemical property)을 가지고 있다. 물리 정도를 알려 준다. 측정값을 이용하여 계산할 때는 정해진 규칙을 따라야 적 변화(physical change)가 일어나는 동안에는 물질의 조성이 변하지 않 하며, 그 결과는 올바른 개수의 유효 숫자로 나타내야 한다. 는다. 상태 변화(change of state)는 물리적 변화이다. 화학적 변화(chemical 차원 분석(1.7절) 문제를 해결할 때, 차원 분석(dimensional analysis) 방법을 change)는 어떤 물질이 화학적으로 다른 물질로 변하는 것으로 화학 반응 (chemical reaction)이라고도 한다. 세기 성질(intensive property)은 물질의 양과 관계없는 성질이며, 물질을 확인하는 데 사용된다. 크기 성질(extensive property)은 물질의 양과 관련이 있다. 물리적 성질과 화학적 성질의 차이는 물질을 분리하는 데 이용된다. Brown15_CH01(0001-0044).indd 36 이용하여 측정값의 계산처럼 단위도 함께 고려해야 한다. 대수학에서처 럼, 단위는 곱하거나, 나누거나, 상쇄될 수 있다. 최종 결과의 단위를 올바 르게 얻는 것은 계산 결과를 점검하는 중요한 수단이다. 단위를 바꾸거나 여러 유형의 문제를 풀 때, 환산 인자(conversion factor)를 사용한다. 환산 인자는 동일한 양 사이의 관계로부터 얻어지는 비율이다. 2022-12-23 오전 10:26:40 연습 문제 37 학습 정리 이 장을 공부한 후에 여러분은 다음을 할 수 있어야 한다. • 원소, 화합물, 혼합물을 구별하기(1.2절). 관련 연습 문제: 1.3, 1.5, 1.45 •많 이 알려진 원소의 기호를 기억하기(1.2절). 관련 연습 문제: 1.4, 1.46 •화 학적 변화와 물리적 변화를 구별하기(1.3절). 관련 연습 문제: 1.8, 1.9, 1.47, 1.48 •운 동 에너지와 퍼텐셜 에너지를 구별하기(1.4절). 관련 연습 문제: 1.12, 1.13 •운 동 에너지를 계산하기(1.4절). 관련 연습 문제: 1.50, 1.51, 1.52, 1.53 •미 터법에서 사용하는 일반적인 접두어를 기억하기(1.5절). 관련 연습 문제: 1.15, 1.54 • 계산에서 유효 숫자, 과학 표기법, SI 단위를 사용하기(1.6절). 관련 연습 문제: 1.22, 1.24 1.63, 1.65 •정 의된 양에 따라 올바른 SI 단위를 사용하고, 계산에서 차원 분석을 이용하기(1.5절, 1.7절). 관련 연습 문제: 1.28, 1.30 1.68, 1.70 핵심 공식 • [1.1] 움직임의 방향으로 가해진 힘이 한 일 • [1.2] 운동 에너지 • [1.3] 섭씨(°C)와 켈빈(K) 온도의 관계식 (a) [1.4] 밀도의 정의 • 밀도 질량 부피 연습 문제 (b) 눈으로 보는 개념 1.33 다음의 각 그림이 의미하는 것은 무엇인가? (각 설명에 적합한 그 림은 한 개 이상일 수 있다.) [1.2절] (a) 순수한 원소 (b) 두 원소의 혼합물 (c) 순수한 화합물 (d) 원소 와 화합물의 혼합물 1.35 트럼펫이나 트롬본과 같은 악기는 황동으로 만든다. 황동은 구리 원자와 아연 원자로 이루어진 합금으로, 광학 현미경으로 관찰하 (i) (ii) (iii) 면 균일하게 혼합된 것을 볼 수 있다. 황동에서 구리 원자와 아연 원자의 조성비는 대략 2:1이지만, 정확한 비는 황동 조각에 따라 약간씩 다르다. [1.2절] (a) 황동은 원소, 화합물, 균일 혼합물, 불균일 혼합물 중 어느 것 으로 분류되는가? (iv) (v) (vi) (b) 황동은 엄밀히 이야기해서 용액이라고 할 수 있는가? 1.34 다음 그림 중 어느 것이 화학적 변화에 해당하는가? [1.3절] (a) (b) Brown15_CH01(0001-0044).indd 37 2022-12-23 오전 10:26:41 130 3장 화학 반응과 반응 화학량론 산화 알루미늄은 황산과 다음과 같이 반응한다. 3.102 수 합한다고 할 때, 반응이 완결된 후 존재하는 황산, 아세트산 납 Al(OH)3 0.500 mol이 H2SO4 0.500 mol과 반응한다면, 한계 반응 물은 어느 것인가? 이 조건에서 몇 몰의 Al2(SO4)3가 생성되는가? 반응이 완결된 후 과량의 반응물 중 남아 있는 양은 몇 몰인가? 3.103 상용 공정에서 암모니아를 질산으로 바꾸는 단계 중 하나는 NH3 를 NO로 바꾸는 것이다. (II), 황산 납(II), 아세트산의 질량을 구하시오. 3.105 에테인(C2H6)이 염소(Cl2)와 반응하면 주생성물은 C2H5Cl이고, Cl이 포함된(예를 들어 C2H4Cl2) 생성물이 약간 생긴다. 이들은 C2H5Cl의 양을 감소시킨다. (a) C2H6 125 g이 Cl2 255 g과 반응하는 경우, C2H6와 Cl2가 반응하 여 C2H5Cl와 HCl만이 생성된다고 가정하면, C2H5Cl의 이론적 수득량은 얼마인가? 어떤 실험에서 NH3 2.00 g이 O2 2.50 g과 반응한다. (a) 어떤 것이 한계 반응물인가? (b) NO와 H2O는 몇 그램 생성되는가? (b) C2H5Cl 206 g이 만들어진다면, C2H5Cl의 퍼센트 수득률은 얼 마인가? 3.106 H2S 기체를 NaOH 용액에 통과하여 거품을 일으키면 Na2S와 물이 (c) 반응이 완결된 후 남은 과량 반응물은 몇 그램인가? 만들어진다. H2S 1.25 g이 NaOH 2.00 g이 들어 있는 용액을 통과 (d) (b)와 (c)에서의 계산이 질량 보존 법칙을 만족함을 보이시오. 할 때, Na2S의 수득률이 92.0%라고 하면 몇 그램의 Na2S가 만들어 3.104 황산과 아세트산 납(II) 용액이 반응하면 고체 황산 납(II)과 아세 지는가? 트산 용액이 생성된다. 황산 5.00 g을 아세트산 납 (II) 5.00 g과 혼 추가 연습 문제 3.107 다음 각 반응의 균형 맞춘 화학 반응식을 쓰시오. (c) 지름이 6.5 nm인 CdSe 양자점 한 개의 질량은? (a)일반적 유기 용매인 아세톤(CH3COCH3)의 완전 연소 반응 (d) 지름이 6.5 nm인 CdSe 양자점은 들뜨면 붉은색을 내놓는다. (b)고체 수은(I) 탄산염이 분해되어 이산화 탄소 기체, 수은, 고체 산화 수은이 생성되는 반응 양자점을 완전한 구형이라 가정하면, 한 개 양자점에 있는 Cd 원자의 개수는? (c)이산화 황 기체와 액체 물이 결합하여 아황산이 생성되는 반응 (e) 만일 여러 개의 2.5 nm 양자점을 사용해 6.5 nm 양자점을 만 3.108 2.0몰 CH3CH2CH2COOH, 2.0몰 C4H10, 2.0몰 C6H6가 각각 산소 든다면, 몇 개의 2.5 nm 양자점이 필요한가? 남게 되는 CdSe 에서 완전 연소될 때, 가장 많은 몰수의 H2O를 생성하는 것은? 어 느 것이 가장 적게 생성하는지도 설명하시오. 3.109 칼슘은 우리 몸에 필수적인 영양소로 뼈 건강에 중요하다. 4가 지 일반적인 칼슘 함유 보충제는 탄산 칼슘(CaCO3), 시트르산 칼슘(Ca3C12H10O14), 글루콘산 칼슘(CaC12H22O14), 젖산 칼슘 (CaC6H10O6)이다. 포함된 칼슘의 질량 백분율 측면에서 이러한 칼슘 보충제의 순위를 매기시오. 3.110 (a)이부프로펜(C13H18O2)은 일반 처방전 없이 구입할 수 있는 진 통제이다. 이부프로펜 500 mg 정제에 몇 몰의 C13H18O2가 있 는가? 정제가 100% 이부프로펜으로 구성되어 있다고 가정하 시오. (b) 정제에 있는 C13H18O2의 분자수는? (c) 정제에는 몇 개의 산소 원자가 있는가? 3.111 대략 1000~10,000개의 원자로 구성된 아주 작은 반도체 결정을 양자점이라고 한다. 반도체 CdSe로 된 양자점은 빛을 잘 내고, 양 자점 크기에 따라서 다양한 색깔을 내기 때문에 전자 판독기나 테 블릿 디스플레이로 현재 사용된다. CdSe의 밀도는 5.82 g/cm3이 다. (a) 지름이 2.5 nm인 CdSe 양자점 한 개의 질량은? (b) 지름이 2.5 nm인 CdSe 양자점은 들뜨면 푸른색을 내놓는다. 양자점을 구형이고 빈 공간이 없다고 가정하면, 한 개의 양자 점에 있는 Cd 원자의 개수는? Brown15_CH03(0091-0132).indd 130 화학 단위는 몇 개인가? 3.112 (a) 항체 페니실린 G 분자 1개의 질량은 5.342×10－21 g이다. 페니 실린 G의 몰질량은 얼마인가? (b) 적혈구에서 산소 운반 단백질인 헤모글로빈은 분자당 4개의 철 원자를 가지며, 질량으로 Fe가 0.340%이다. 헤모글로빈의 몰질량은 얼마인가? 3.113 신남알데하이드(cinnamaldehyde)는 계피의 독특한 향을 담당하는 화합물로, C 81.79%, H 6.10%를 포함하며 나머지는 산소이다. 이 화합물의 몰질량이 132 g/mol라고 할 때 분자식을 결정하시오. 3.114 일반적으로 과일 설탕이라고 하는 과당은 많은 식물에서 발견되 는 단당류로 C 40%, H 6.71%를 포함하며 나머지는 산소이다. (a) 과당의 실험식은 무엇인가? (b)과당의 질량 스펙트럼은 약 180 u에서 피크를 나타낸다. 물질 의 분자식은 무엇인가? 3.115 바닐라의 주요 향인 바닐린(vanilin)은 C, H, O를 포함한다. 바닐 린 1.05 g이 완전히 연소하면 CO2 2.43 g, H2O 0.50 g이 만들어진 다. 바닐린의 실험식은 무엇인가? 3.116 어떤 유기 화합물은 C, H, Cl의 세 가지 원소만 포함하고 있다. 이 화합물 시료 1.50 g이 공기 중에서 완전히 연소하면 CO2 3.52 g이 생성된다. 별도의 실험에서 이 화합물 시료 1.00 g에 있는 염소로 부터 AgCl 1.27 g이 생성된다. 이 화합물의 실험식을 결정하시오. 2022-12-21 오후 1:19:38 통합 연습 문제 131 3.117 Na2Cr2Ox을 분석하여 Cr이 39.70%가 포함되어 있음을 알았다. x 값은 얼마인가? 아린이 O2와 반응하여 CO2와 H2O만 만든다고 가정할 때, 지방 1.0 kg의 대사로 생성되는 H2O의 질량을 계산하시오. 3.118 원소 X는 XI3 및 XCl3을 형성한다. XI3는 Cl2하에서 가열하면 XCl3 3.122 탄화수소를 소량의 공기에서 태우면 CO와 CO2가 생성된다. 탄화 수소 0.450 g을 공기 중에서 태웠더니 CO 0.467 g, CO2 0.733 g, 로 바뀐다. H2O 0.450 g이 생성되었다. XI3 0.5000 g을 사용하여 XCl3 0.2360 g을 얻었을 때 (a) 원소 X의 원자량을 계산하시오. (b) 원소 X는 무엇인가? 3.119 공기 중의 오존 농도를 계산하기 위해 미국의 환경보호청 (EPA)이 (a) 화합물의 실험식은 무엇인가? (b) 반응에서 몇 그램의 O2가 사용되었는가? (c) 완전 연소를 위해서는 몇 그램의 O2가 필요한가? 사용하는 방법은 아이오딘화 소듐을 포함하는 버블러(bubbler)에 3.123 N2(g)와 H2(g)의 혼합물이 밀폐된 용기 안에서 반응하여 NH3(g)을 공기 시료를 통과하는 것으로, 이 물질은 다음 반응에 의해 오 생성한다. 반응은 반응물 중 어느 것이 완전히 소비되기 전에 멈 춘다. 이때 N2 3.0 mol, H2 3.0 mol, NH3 3.0 mol이 존재한다. 원 존을 제거한다. 래 몇 몰의 N2와 H2가 있었는가? (a) O3 5.95×10－6 mol을 제거하는 데 필요한 아이오딘화 소듐의 3.124 KClO3, K2CO3, KHCO3, KCl을 포함하는 혼합물을 가열하면 다음 반응식에 따라 CO2, O2, H2O 기체를 생성한다. 몰수는 얼마인가? (b) O3 1.3 mg을 제거하는 데 필요한 아이오딘화 소듐의 그램수는 얼마인가? 학 공장에서는 전기 에너지를 사용하여 NaCl 수용액을 분해하 3.120 화 여 Cl2, H2, NaOH로 바꾼다. 공장에서 매일 1.5×106 kg(1500톤)의 Cl2를 생산한다고 할 때, 생 성되는 H2 및 NaOH의 양을 추정하시오. 3.121 낙타의 육봉에 저장된 지방은 에너지와 물을 제공하는 원천이 KCl은 이 반응 조건에서 반응하지 않는다. 혼합물 100.0 g이 H2O 1.80 g, CO2 13.20 g, O2 4.00 g을 생성한다면, 원래 혼합물의 조성 은 무엇인가? (혼합물은 완전히 분해된다고 가정한다.) 3.125 아세틸렌(C2H2) 10.0 g과 산소(O2) 10.0 g의 혼합물이 발화하면 연 소 반응 결과, CO2와 H2O가 생성된다. (a) 이 반응의 균형 맞춘 화학 반응식을 쓰시오. 다. 지방은 모두 전형적 동물성 지방인 트라이스테아린(tristearin, (b) 한계 반응물은 어느 것인가? C57H110O6)으로 이루어져 있고, 세포 대사 과정 동안 트라이스테 (c) 반응이 완결된 후 몇 그램의 C2H2, O2, CO2, H2O가 존재하는가? 통합 연습 문제 이 연습 문제들을 풀기 위해서는 3장뿐 아니라 이전 장에서 배운 내용도 3.129 (a)모서리 길이가 1.000 cm인 정육면체의 은 금속이 있다. 밀도 는 10.5 g/cm3이다. 원자수는 몇 개인가? 필요하다. 3.126 질소화 붕소(BN)는 열 및 화학적 안정성이 뛰어난 전기 절연체로 밀도는 2.1 g/cm3이다. 질소화 붕소는 붕산(H3BO3)을 암모니아와 반응시켜서 만들 수 있다. 반응의 다른 생성물은 물이다. (a)BN 합성에 대한 균형 맞춘 화학 반응식을 작성하시오. (b)붕산 225 g과 암모니아 150 g을 반응시킬 때 생성된 BN의 질 량은 얼마인가? (c)남아 있다면 어떤 반응물이 남을 것이며, 남은 반응물의 몰수 는 얼마인가? (d)BN의 한 응용 분야는 전기 절연용 박막이다. (b)에서 얻어진 BN을 이용하여 0.4 mm 박막을 만든다면 면적이 몇 cm2일지 계산하시오. 3.127 Viridicatumtoxin B(C30H31NO10)은 천연 항생제 화합물로, 실험실 (b)원자는 구형이므로 정육면체의 모든 공간을 채울 수 없다. 따 라서 74%를 채운다. 단일 은 원자의 부피를 계산하시오. (c)은 원자의 부피와 부피 공식을 사용하여, 은 원자의 반지름을 옹스트롬으로 구하시오. 3.130 (a)자동차가 9.0 km/L의 연비로 350 km를 주행하는 경우 몇 킬 로그램의 CO2가 생성되는가? 가솔린이 액체인 옥테인(C8H18) 으로만 구성되어 있으며, 밀도는 0.692 g/mL이라고 가정한다. (b) 연비가 2 km/L인 트럭에 대해 같은 계산을 하시오. 3.131 2.9절에서 구조 이성질체 개념이 도입되었다. 예를 들면 1-프로판 올과 2-프로판올이다. 다음 특성 중 어느 것이 이 두 가지 물질에 서 다른가? (a) 끓는점 (b) 연소 분석 결과 에서 12단계를 거쳐 합성된다. 모든 단계가 85%의 등가 수득률을 (c) 분자량 (d) 주어진 온도와 압력에서의 밀도 갖는다고 가정하면, 전체 합성의 최종 수득률(%)은? 이 두 물질의 특성은 다음에서 찾아볼 수 있다. Wolfram 3.128 어떤 탄산 칼슘 시료는 한 변이 2.005 in.인 정육면체이다. 이 시료 3 의 밀도가 2.71 g/cm 라면, 이 시료 속의 산소 원자는 몇 개인가? Brown15_CH03(0091-0132).indd 131 Alpha(http://www.wolframalpha.com/) 또는 CRC Handbook of Chemistry and Physics. 2022-12-21 오후 1:19:38 132 3장 화학 반응과 반응 화학량론 3.132 NOx는 질소 산화물, 즉 NO 및 NO2의 총칭이다. NOx 가스는 스 (c) 연소 기관에서 생성되는 NOx 기체는 옥테인(C8H18)이 CO2 모그와 산성비를 형성하는 대기 오염 물질이다. 차량에서 배출되 와 H2O로 연소할 때 만들어지는 원치 않는 부산물이다. 만일 는 NOx 배출량을 줄이기 위해 자동차 배기가스에 촉매 변환기를 85%의 산소가 옥테인을 연소하기 위해 엔진에서 사용되고, 나 설치하여 NO와 NO2를 각각 N2와 O2로 분해한다. 머지는 NO2를 만드는 데 사용된다면, 옥테인 500 g이 연소하 (a)NO와 NO2의 분해에 대한 각각의 균형 맞춘 화학 반응식을 쓰 시오. (b)자동차가 하루에 100 g의 NOx를 생산한다면, NO와 NO2의 몰 비가 동일할 때 생성되는 NO와 NO2는 각각 몇 그램인가? 3.133 사이안화 수소(HCN)는 독가스이다. 치사량은 공기 1 kg당 300 mg HCN이다. (a) 부피가 3.5×4.5×2.5 m인 실험실에서의 HCN 치사량을 계산 하시오(공기 밀도는 26 °C에서 0.00118 g/cm3이다). (b) HCN이 NaCN과 황산과 같은 산의 반응으로부터 만들어진다 면, 치사량을 만들기 위해서는 몇 그램의 NaCN이 필요한가? 는 동안에 몇 그램의 NO2가 만들어지는가? 3.135 테르밋 반응, 에서는 많은 열이 발생 하여 생성물인 Fe가 녹는다. 이 반응은 불꽃이 발생할 수 없는 수 중에서 산업적으로 철을 용접할 때 사용된다. 이는 강의실(작은 규모)에서도 인기 있는 시범 화학 반응이다. (a) 물질의 상태를 포함해서 반응의 균형을 맞추시오. (b) 500.0 g의 Fe2O3와 반응하는 데 필요한 Al의 질량은? (c) Fe2O3 1몰당 852 kJ의 열이 발생한다. 1.003104 kJ의 열이 발생 하려면, 몇 그램의 Fe2O3가 필요한가? (d) 만일 역반응을 일으켰다면 열에너지는 반응물로 쓰였는가, 아 니면 생성물로 쓰였는가? (c) 합성 섬유인 OrlonⓇ 또는 AcrilanⓇ이 탈 때에는 HCN이 만들어 진다. AcrilanⓇ의 실험식은 CH2CHCN이고, 따라서 HCN이 질 3.136 화학에서 특이한 반응 중 하나는 Ugi 반응이다. 량으로 이 화학식의 50.9%를 차지한다. 양탄자의 크기가 3.5× 4.5 m이고, yd2당 850 g의 AcrilanⓇ 섬유를 포함하고 있다. 양탄 자가 탄다면, 실험실에 치사량의 HCN이 만들어지겠는가? (섬유 의 HCN 수득률이 20%이고, 양탄자는 50%가 탔다고 가정한다.) 3.134 자동차 내연 기관의 산소는 공기로부터 온다. 공기는 혼합 기체 로, N2(~79%), O2(~20%)로 되어 있다. 자동차 엔진 실린더 안에 서 질소는 산소와 반응하여 산화 질소 기체(NO)를 만든다. NO가 자동차 배기관으로부터 배출될 때, 산소와 반응하여 이산화 질소 기체(NO2)를 만든다. (a) 두 반응의 균형 맞춘 화학 반응식을 쓰시오. (b) NO와 NO2는 모두 공해 물질로, 산성비를 만들고 온실 효과 를 가져온다. 이들을 ‘NOx’ 기체라고 한다. 2009년에 미국에서 1,900만 톤의 NO2가 대기로 배출되었다. 이는 몇 그램에 해당 하는가? (a) 모든 화합물에서 R" CH3CH2CH2CH2CH2CH2 ! (헥실기라 부름) 일 경우에, Ugi 반응의 균형 맞춘 화학 반응식을 쓰시오. (b) 만일 435.0 mg의 CH3CH2CH2CH2CH2CH2NH2가 한계 반응물 이었다면, ‘헥실 Ugi 생성물’의 질량은 얼마인가? 실험 설계 문제 이 책의 뒷부분에서, 황은 두 가지 흔한 산화물인 SO2와 SO3를 형성한 다는 것을 배울 것이다. 묻고자 하는 한 가지 질문은 황과 산소가 직접 (a) 0.10 mol의 황이 반응 용기에 있다면, 그리고 반응에서 SO2만 형성 된다면, 필요한 O2는 몇 몰인가? 반응하면 SO2, SO3, 또는 이들 혼합물 중 어느 것이 형성되는가이다. (b) 반응에서 SO3만 형성된다면, 필요한 O2는 몇 몰인가? 이 질문은 중요하다. SO3는 물과 반응하여 공업적으로 대량 생산되는 (c) 위 주어진 실험 도구를 갖고, 반응 용기에 각 반응물의 몰수를 정확 H2SO4를 형성하기 때문이다. 이 질문에 대한 답은 각 화합물의 상대적 하게 넣었는지 알려면 어떻게 해야 하는가? 인 양과 반응 온도에 좌우된다. 예를 들면 탄소는 산소와 반응하여 보 (d) 반응 생성물을 확인하려면 어떤 관찰이나 실험 방법이 필요한가? 통 CO2를 형성하지만, 산소가 부족할 경우에는 CO가 만들어진다. 한 SO2와 SO3의 물리적 성질 차이를 사용하여 생성물을 구별할 수 있 편, 정상적인 반응 조건하에서는 반응하는 H2와 O2는 상대적인 양에 는가? 1~3장 중에서 생성물을 구별하는 실험 장치가 언급된 적이 관계없이 항상 H2O를 만든다(H2O2 대신에). 있는가? 노란색 고체인 황이 담긴 병, O2 실린더와 황, 산소 및 생성물을 담을 (e) 황과 산소의 비를 변화시켜, 이 반응의 생성물(SO2, SO3, 또는 이들 투명한 반응 용기, 반응물과 생성물의 질량을 잴 수 있는 저울, 반응할 혼합물)을 조절할 수 있을지를 알기 위해 어떤 실험을 하겠는가? 이 때 반응 용기를 200 °C까지 가열할 수 있는 가열 장치가 있다고 하자. 질문에 답하기 위해 S와 O2의 어떤 비를 시험하겠는가? Brown15_CH03(0091-0132).indd 132 2022-12-21 오후 1:19:39 제 15 판 제 15 판 일반화학 Brown Lemay Bursten Murphy Woodward Stoltzfus 2 일반화학 화학교재연구회 옮김 일반화학 Chemistry The central science 제 15 판 2 화학교재연구회 옮김 1, 2권 세트 55,000원 ISBN 979-11-5808-418-9 ISBN 979-11-5808-419-6 (세트) 9 791158 084196 93430 Brown · Lemay · Bursten · Murphy · Woodward · Stoltzfus Chemistry The central science 차례 13 용액의 성질 13.1 용해 과정 충돌 모형 660 배향 인자 661 활성화 에너지 661 Arrhenius 식 663 활성화 에너지 결정 664 591 14.6 반응 메커니즘 591 혼합에 대한 자연적인 경향성 592 분자간 힘이 용액 형성에 미치는 영향 593 용액 형성의 에너지론 594 용액 형성과 화학 반응 595 13.2 포화 용액과 용해도 597 13.3 용해도에 영향을 주는 인자 599 용질-용매 상호 작용 599 압력 효과 602 온도 효과 604 13.4 용액 농도 표시법 606 질량 백분율, ppm, ppb 606 몰분율, 몰농도, 몰랄 농도 607 농도 단위의 환산 609 13.5 총괄성 611 증기 압력 내림 611 끓는점 오름 614 어는점 내림 615 삼투 현상 617 총괄성으로부터 몰질량의 결정 619 13.6 콜로이드 622 요약 및 중요 용어 627 핵심 공식 629 추가 연습 문제 633 실험 설계 문제 636 학습 정리 628 연습 문제 629 통합 연습 문제 635 14 화학 반응 속도론 637 14.1 반응 속도에 영향을 주는 인자 14.2 반응 속도 637 639 시간에 따른 속도 변화 641 순간 속도 642 반응 속도와 화학량론 643 14.3 농도와 속도 법칙 645 반응 차수: 속도 법칙에서의 지수 648 속도 상수의 크기와 단위 649 속도 법칙 결정을 위한 초기 속도 이용 650 14.4 시간에 따른 농도의 변화 652 일차 반응 653 이차 반응 655 영차 반응 656 반감기 657 14.5 온도와 반응 속도 660 단일 단계 반응 667 다단계 메커니즘 668 단일 단계 반응의 속도 법칙 669 다단계 메커니즘의 속도 결정 단계 670 느린 초기 단계를 갖는 메커니즘 671 빠른 초기 단계를 갖는 메커니즘 673 14.7 촉매 작용 676 균일 촉매 작용 676 불균일 촉매 작용 678 효소 680 요약 및 중요 용어 684 핵심 공식 685 추가 연습 문제 691 실험 설계 문제 695 15 화학 평형 15.1 평형의 개념 15.2 평형 상수 친수성 및 소수성 콜로이드 623 액체 내에서의 콜로이드 운동 625 667 학습 정리 685 연습 문제 686 통합 연습 문제 694 697 697 700 Kc 계산하기 703 압력으로 나타낸 평형 상수, Kp 704 평형 상수와 단위 705 15.3 평형 상수의 이해와 적용 706 평형 상수의 크기 707 화학 반응식의 방향과 K 708 화학 반응식의 양론과 평형 상수를 연관시키기 708 불균일 평형 710 15.4 평형 상수의 계산 713 15.5 Le Cha^ telier 원리 720 평형 상수의 응용 715 반응 방향의 예측 715 평형 농도의 계산 717 반응물 또는 생성물의 농도 변화 721 부피 및 압력 변화의 효과 722 온도 변화의 효과 724 촉매의 효과 727 요약 및 중요 용어 730 핵심 공식 731 추가 연습 문제 736 실험 설계 문제 738 16 산-염기 평형 16.1 산-염기 평형 학습 정리 731 연습 문제 732 통합 연습 문제 737 739 739 v Brown15_차례13-24.indd 5 2022-12-23 오전 10:44:24 차례 vi Arrhenius 산과 염기 740 Brønsted-Lowry 산과 염기 740 물 속의 H＋ 이온 740 양성자 전달 반응 741 짝산-짝염기 쌍 742 산과 염기의 상대적인 세기 743 16.2 물의 자체 이온화 746 이온의 선택 침전 834 금속 원소의 정성 분석 834 요약 및 중요 용어 838 핵심 공식 839 추가 연습 문제 843 실험 설계 문제 846 학습 정리 839 연습 문제 840 통합 연습 문제 845 물의 이온곱 747 16.3 pH 값 749 pOH 및 다른 ‘p’ 값들 751 pH 측정 751 16.4 강산과 강염기 754 18.1 지구의 대기 강산 755 강염기 755 16.5 약산 757 pH로부터 Ka 계산 759 이온화 백분율 760 Ka를 이용한 pH 계산 760 다양성자산 764 16.6 약염기 767 약염기의 유형 769 Ka와 Kb의 관계 771 16.7 염 용액의 산-염기 성질 774 음이온과 물의 반응 774 양이온과 물의 반응 775 용액에서 양이온과 음이온의 복합적 효과 776 16.8 산-염기 거동과 화학 구조 778 산의 세기에 영향을 주는 요인들 778 이성분산 779 산소산 780 카복실산 781 Lewis 산과 염기 783 요약 및 중요 용어 786 핵심 공식 787 추가 연습 문제 792 실험 설계 문제 794 학습 정리 787 연습 문제 788 통합 연습 문제 793 17 수용액 평형의 다른 관점 17.1 공통 이온 효과 17.2 완충 용액 795 795 완충 용액 조성과 작용 799 완충 용액의 pH 계산 801 완충 용량과 pH 범위 804 완충 용액에 강산 또는 강염기를 첨가 805 808 강산-강염기 적정 809 약산-강염기 적정 811 산-염기 지시약으로 적정하기 815 다양성자산의 적정 816 17.4 용해도 평형 819 용해도곱 상수, Ksp 820 용해도와 Ksp 821 17.5 용해도에 영향을 주는 인자 823 공통 이온 효과 824 용해도와 pH 825 착이온의 형성 827 양쪽성 830 17.6 이온의 침전과 분리 Brown15_차례13-24.indd 6 832 847 847 대기의 조성 848 대기권에서 일어나는 광화학 반응 851 성층권의 오존 853 18.2 인간 활동과 지구의 대기 855 오존층과 그 감소 856 황 화합물과 산성비 857 산화 질소와 광화학 스모그 859 온실 기체: 수증기, 이산화 탄소, 기후 860 18.3 지구의 물 864 지구의 물 순환 865 소금물: 지구의 대양과 바다 865 담수와 지하수 867 18.4 인간 활동과 수질 868 용존 산소량과 수질 868 물의 정화: 담수화 869 물의 정화: 도시 수돗물의 처리 870 18.5 녹색 화학 874 초임계 용매 875 환경 친화적인 시약과 공정 876 요약 및 중요 용어 879 연습 문제 880 통합 연습 문제 884 19 화학 열역학 19.1 자발적 과정 799 17.3 산-염기 적정 18 환경화학 학습 정리 879 추가 연습 문제 883 실험 설계 문제 885 887 887 자발성에 대한 기준 찾기 889 가역 과정과 비가역 과정 890 19.2 엔트로피와 열역학 제2법칙 893 엔트로피와 열의 관계 893 상변화에 따른 DS 894 열역학 제2법칙 895 19.3 분자적 관점에서의 엔트로피와 열역학 제3법칙 897 분자 수준에서 본 기체의 팽창 897 Boltzmann 식과 미소 상태 899 분자 운동과 에너지 901 DS의 정성적 예측 901 열역학 제3법칙 904 19.4 화학 반응에서의 엔트로피 변화 906 엔트로피의 온도 의존성 906 표준 몰엔트로피 907 반응의 표준 엔트로피 변화 계산 907 주위의 엔트로피 변화 908 2022-12-23 오전 10:44:24 차례 vii 19.5 Gibbs 자유 에너지 910 19.6 자유 에너지와 온도 916 표준 생성 자유 에너지 913 19.7 자유 에너지와 평형 상수 1000 21.3 방사성 붕괴 속도 1008 중성자 대 양성자의 비 1001 방사성 붕괴 사슬 1003 부가적 관찰 1003 핵변환 1004 하전된 입자의 가속화 1005 중성자를 포함하는 반응 1006 초우라늄 원소 1006 918 비표준 상태에서 자유 에너지 919 DG °와 K의 관계 921 요약 및 중요 용어 924 핵심 공식 925 추가 연습 문제 930 실험 설계 문제 933 21.2 핵안정성의 유형 학습 정리 925 연습 문제 926 통합 연습 문제 932 방사법 연대 측정 1009 반감기에 기초한 계산 1011 21.4 방사능 검출 1014 방사성 추적자 1015 21.5 핵반응에서의 에너지 변환 20 전기 화학 핵결합 에너지 1019 원자력: 핵분열 1021 원자로 1024 핵 폐기물 1025 원자력: 핵융합 1026 935 20.1 산화 상태와 산화-환원 반응 935 20.2 산화-환원 반응식 균형 맞추기 938 반쪽 반응 939 반쪽 반응법을 이용한 반응식 완결 939 염기성 수용액에서 일어나는 반응의 반응식 완결하기 942 20.3 볼타 전지 948 표준 환원 전위 950 산화제와 환원제의 세기 953 20.5 자유 에너지와 산화-환원 반응 957 20.6 비표준 상태에서의 전지 전위 962 기전력, 자유 에너지, 평형 상수 959 Nernst 식 962 농도 전지 965 20.7 배터리와 연료 전지 969 납-산 배터리 970 알칼리 배터리 971 니켈-카드뮴, 니켈-금속 수소화물 배터리 971 리튬 이온 배터리 971 수소 연료 전지 973 976 철의 부식(녹) 977 철의 부식 방지 978 20.9 전기 분해 21.6 환경과 생태계에서의 방사선 1029 방사선 조사량 1031 요약 및 중요 용어 1034 핵심 공식 1035 추가 연습 문제 1038 실험 설계 문제 1040 학습 정리 1035 연습 문제 1035 통합 연습 문제 1039 944 20.4 표준 상태에서의 전지 전위 20.8 부식 1017 979 전기 분해의 정량적 고찰 981 요약 및 중요 용어 985 핵심 공식 987 추가 연습 문제 991 실험 설계 문제 994 학습 정리 986 연습 문제 987 통합 연습 문제 993 22 비금속 화학 1041 22.1 주기적 경향과 화학 반응 1041 화학 반응 1044 22.2 수소 1045 수소의 동위 원소 1046 수소의 성질 1046 수소의 생산 1047 수소의 이용 1048 이성분 수소 화합물 1049 22.3 18족: 비활성 기체 1050 비활성 기체 화합물 1051 22.4 17족: 할로젠 1053 할로젠의 성질과 생산 1053 할로젠의 용도 1055 할로젠화 수소 1055 할로젠간 화합물 1055 산소산 및 산소음이온 1055 22.5 산소 1057 산소의 성질 1057 산소의 제조 1058 산소의 용도 1058 오존 1058 산화물 1059 과산화물과 초과산화물 1060 22.6 산소 이외의 16족 원소: S, Se, Te, Po 21 핵화학 995 21.1 방사능과 핵반응식 995 핵반응식 996 방사성 붕괴의 유형 997 Brown15_차례13-24.indd 7 1061 S, Se, Te의 출처와 제조 1062 황, 셀레늄, 텔루륨의 성질과 용도 1062 황화물 1063 황의 산화물, 산소산, 산소음이온 1063 22.7 질소 1066 질소의 성질 1066 질소의 제조와 용도 1067 2022-12-23 오전 10:44:24 차례 viii 질소의 수소 화합물 1067 질소의 산화물과 산소산 1068 22.8 질소 이외의 15족 원소: P, As, Sb, Bi 1070 인의 출처, 분리 및 성질 1071 인의 할로젠화물 1072 인의 산소 화합물 1072 22.9 탄소 1075 탄소의 원소 형태 1075 탄소의 산화물 1076 탄산과 탄산염 1077 탄화물 1078 22.10 탄소 이외의 14족 원소: Si, Ge, Sn, Pb 1079 14족 원소의 일반적 특성 1080 규소의 출처와 제법 1080 규산염 1081 유리 1082 실리콘 1083 22.11 붕소 유기 화학과 생물 화학 1143 24.1 유기 분자의 일반적 특성 유기 분자의 구조 1144 유기물의 안정도 1145 유기 화합물의 용해도와 산-염기 성질 1145 24.2 탄화수소 소개 물리적 성질 1095 전자 배치와 산화 상태 1096 자기성 1097 23.2 전이 금속 착물 24.5 유기 화학에서의 카이랄성 24.6 생화학 소개 24.7 단백질 1099 1105 23.4 배위 화학에서의 명명법과 이성질 현상 1112 1180 이당류 1182 다당류 1182 이성질 현상 1115 구조 이성질 현상 1115 입체 이성질 현상 1116 24.9 지질 1184 24.10 핵산 1187 지방 1185 인산 지질 1186 1119 요약 및 중요 용어 1192 연습 문제 1193 통합 연습 문제 1198 색상 1119 배위 화합물의 자기성 1121 23.6 결정장 이론 1173 1174 24.8 탄수화물 생물계에서의 금속과 킬레이트 1108 23.5 배위 화학에서 색과 자기성 1171 아미노산 1174 폴리펩타이드와 단백질 1176 단백질의 구조 1177 배위 화학의 발전: Werner 이론 1100 금속-리간드 결합 1102 전하, 배위수, 기하 구조 1103 23.3 배위 화학에서 흔히 볼 수 있는 리간드 1162 알코올 1164 에터 1165 알데하이드와 케톤 1165 카복실산과 에스터 1166 아민과 아마이드 1169 1093 1093 1154 알켄 1155 알카인 1157 알켄과 알카인의 첨가 반응 1157 방향족 탄화수소 1159 비편재화에 의한 p 전자의 안정화 1159 방향족 탄화수소의 치환 반응 1160 24.4 유기 작용기 23.1 전이 금속 1146 알케인의 구조 1148 구조 이성질체 1148 알케인의 명명 1148 사이클로알케인 1151 알케인의 반응 1152 학습 정리 1087 추가 연습 문제 1090 실험 설계 문제 1092 23 전이 금속과 배위 화학 1143 24.3 알켄, 알카인, 방향족 탄화수소 1083 요약 및 중요 용어 1086 연습 문제 1087 통합 연습 문제 1091 24 생명의 화학: 1122 학습 정리 1193 추가 연습 문제 1197 실험 설계 문제 1199 팔면체 착물의 전자 배치 1126 사면체 착물과 사각 평면 착물 1128 요약 및 중요 용어 1132 연습 문제 1134 통합 연습 문제 1139 학습 정리 1133 추가 연습 문제 1137 실험 설계 문제 1141 부록 A 수학 연산 A-1 B 물의 성질 A-8 C 298.15 K(25 °C)에서의 몇 가지 물질의 열역학적 자료 A-9 D 수용액의 평형 상수 A-13 E 25 °C에서의 표준 환원 전위 A-15 연습 문제의 답 A-16 그림으로 된 문제의 답 A-32 보충 예제의 답 A-35 사진 출처 P-1 찾아보기 I-1 Brown15_차례13-24.indd 8 2022-12-23 오전 10:44:25 13.1 ▶ 용해 과정 13.2 ▶ 포화 용액과 용해도 13 13.3 ▶ 용해도에 영향을 주는 인자 13.4 ▶ 용액 농도 표시법 13.5 ▶ 총괄성 13.6 ▶ 콜로이드 용액의 성질 13.1 ∣ 용해 과정 10장, 11장, 12장에서 순수한 기체, 액체, 고체의 성질을 탐구하였다. 그런데 소다, 공기, 유리와 같이 일상에서 마주치는 물질들은 대부분 혼합물이다. 이 장에서는 균일 혼합물을 살펴본다. 앞 장에서 언급하였듯이 균일 혼합물을 용액(solution)이라고 한다. 용액이라고 하면, 액체를 보 통 생각하게 된다. 그러나 고체나 기체도 용액일 수 있다. 예를 들면 표준 은(sterling silver)은 약 7% 구리를 포함하는 균일 혼합물로서 고체 용액이다. 우리가 호흡하는 공기는 몇 가지 기체로 이 591 Brown15_CH13(0591-0636).indd 591 2022-12-21 오후 4:30:28 592 13장 용액의 성질 루어진 균일 혼합물로, 기체 용액이다. 그러나 액체 용액이 가장 일반적인 경우이기 때문에, 이 장에서는 액체 용액에 주목하자. 특별히 물을 용매로 하고, 용질로서 기체, 액체, 고체를 포함하 는 수용액(aqueous solution)에 관심을 가질 것이다. 이 절이 끝나면 다음 사항을 수행할 수 있어야 한다. •엔탈피와 엔트로피 변화가 용액 형성에 어떠한 영향을 주는지 설명하기 용액에 포함되어 있는 각 물질을 그 용액의 성분(component)이라고 한다. 4장에서 설명한 바와 같 이, 일반적으로 용매(solvent)는 가장 많은 양으로 존재하는 성분이고, 나머지 다른 성분은 용질 (solute)이라고 한다. 용액은 한 물질이 다른 물질 전체에 고르게 분산할 때 형성된다. 용액을 형성 하는 물질의 능력은 다음 두 가지 인자, 즉 (1) 물질이 서로 섞이려고 하고, 방해받지 않는 상태에 서 더 큰 부피의 물질 속으로 퍼져 들어가려는 자연적인 경향과 (2) 용해 과정에 관여하는 분자간 상호 작용의 형태에 달려 있다. 혼합에 대한 자연적인 경향성 O2(g)와 Ar(g)이 그림 13.1에서처럼 장벽으로 분리되어 있다고 하자. 장벽을 제거하면, 기체는 서 로 섞여서 용액을 형성한다. 기체 분자들은 분자간 상호 작용이라고 할 만한 것을 거의 경험하지 못하고 마치 이상 기체 입자처럼 행동한다. 결과적으로 분자 운동으로 인하여 분자들이 큰 부피로 확산되고 기체 용액이 형성된다. 기체의 혼합은 자발적(spontaneous) 과정이다. 이는 계 밖으로부터 어떤 에너지의 투입 없이도 저절로 일어남을 의미한다. 분자가 서로 섞여서 무작위적으로 분포할 때 엔트로피(entropy)라고 하는 열역학량이 증가한다. 엔트로피는 19장에서 더 자세히 다룬다. 지금은 어떤 계의 무질서도가 증가하거나 또는 계의 에너지가 더 많은 수의 입자에 퍼질 때에 그 계의 엔트로피가 증가한다는 것만 고려한다. 따라서 기체의 혼합은 계의 엔트로피를 증가시킨다. 그러나 이때 계의 엔탈피는 거의 변하지 않는다. 그 이유는 기체 입자 사이에 분자간 상호 작용이 거의 없기 때문이다. 모든 분자간 힘(분산력, 쌍극자-쌍극자 힘, 수소 결합)과 그 힘과 관련된 에너지는 계의 엔탈피 일부분 에 속한다. 계의 엔탈피 감소는 기체 입자 간의 분자간 상호 작용 증가에 해당한다. 더욱이 어떤 과정이 자발적인지 아닌지는 계의 엔트로피 증가와 엔탈피 감소 사이의 균형에 의해 결정된다. 따 라서 용액의 형성은 혼합에 따른 엔트로피의 증가에 의해 이루어진다. 다른 종류의 분자들이 서로 합쳐질 때, 분자들이 강한 분자간 힘이나 물리적인 장벽에 의해 제 한받지 않는다면, 혼합은 자발적으로 일어난다. 이와 같이 기체들은 용기에 의한 제한이 없다면, 자발적으로 섞이게 된다. 기체 분자들의 분자간 힘이 너무 약해 분자들을 잡아 둘 수 없기 때문이 다. 그러나 용매와 용질이 고체나 액체일 때는 분자간 힘이 용액의 형성 여부를 결정하는 데 중요 하게 작용한다. 예를 들면 고체 염화 소듐에서 이온 결합이 소듐 이온과 염화 이온을 잡고 있다고 기체 운동론의 어떤 면이 기체의 혼합과 관련되어 있는가? ▲ 그림 13.1 두 기체가 혼합되어 균일 혼합물(용액)을 형성하는 자발적 과정 Brown15_CH13(0591-0636).indd 592 2022-12-21 오후 4:30:28 13.1 용해 과정 593 이온-쌍극자 상호 작용에서, 물에 있는 원자 중 어느 것이 Na+로 향하는가? 그 이유는? 분산 쌍극자-쌍극자 아세톤 헵테인 수소 결합 클로로폼 에탄올 이온-쌍극자 물 펜테인 ▲ 그림 13.2 용액에 관여하는 분자간 상호 작용 해도, 고체는 이온과 물 분자 사이의 인력의 세기에 의해 물에 용해된다. 그러나 염화 소듐은 가 솔린에는 잘 녹지 않는다. 이온과 가솔린 분자 사이의 인력이 매우 약하기 때문이다. 분자간 힘이 용액 형성에 미치는 영향 11장에서 다룬 여러 가지 분자간 힘 중 어느 힘이든지, 용액 내의 용질 입자와 용매 입자 사이에서 작동할 수 있다. 이러한 분자간 힘을 그림 13.2에 정리하였다. 예를 들어 C7H16와 같은 무극성 물 질이 C5H12와 같은 무극성 물질에 용해될 때는 분산력이 지배적인 역할을 하고, 이온성 물질이 물 에 녹아 용액이 될 때는 이온-쌍극자 힘이 지배적인 역할을 한다. 세 종류의 분자간 상호 작용은 다음과 같이 용액 형성에 관여한다. 1. 용질 입자들 간의 용질-용질 상호 작용을 극복해야만 용질 입자들이 용매 속으로 분산된다. 2.용매 입자들 간의 용매-용매 상호 작용을 극복해야만 용매에서 용질 입자들이 차지할 공간 을 만든다. 3. 용매와 용질 입자 간의 용매-용질 상호 작용이 발생할 때는 입자들이 서로 혼합될 때이다. 한 물질이 다른 물질에 용해될 수 있는 정도는 이들 세 종류의 분자간 상호 작용의 상대적 크기 에 의존한다. 용액이 형성될 때는 용매-용질 상호 작용의 크기가 용질-용질 상호 작용 및 용매용매 상호 작용의 크기와 비슷하거나 더 클 때이다. 예를 들어 헵테인(heptane, C7H16)과 펜테인 (pentane, C5H12)은 서로 완전히 용해한다. 이 논의를 위해 임의로 헵테인을 용매, 펜테인을 용질이 라고 하자. 두 물질은 모두 무극성이고, 용매-용질 상호 작용의 크기는 용질-용질 및 용매-용매 상호 작용(분산력에 의한 인력)의 크기와 비슷하다. 따라서 혼합을 방해하는 힘이 없고, 서로 섞이 려는 경향(엔트로피 증가)이 있어 자발적으로 용액을 형성한다. 물에 소금을 녹이는 것은 매일 일어나는 용액 형성의 일례이다. 고체 NaCl은 물에 잘 녹는다. 그 이유는 극성 물 분자와 이온 사이의 용매-용질 인력이, NaCl(s) 내의 이온들 사이의 용질-용질 인력과 물 분자 사이의 용매-용매 상호 작용을 극복할 만큼 크기 때문이다. 그림 13.3처럼 NaCl을 물에 넣으면 물 분자는 NaCl 결정 표면에 배열한다. 이때 물 쌍극자의 양전하 끝은 Cl－ 쪽을 향하 고, 음전하 끝은 Na＋ 쪽을 향하여 배열한다. 이들 이온-쌍극자 인력은 고체로부터 표면의 이온을 떼어낼 만큼, 다시 말해 용질-용질 상호 작용을 극복할 만큼 크다. 고체가 용해되려면 용매-용매 상호 작용도 극복되어야만 물 분자 사이에 이온에 ‘알맞은’ 공간이 형성된다. 고체에서 일단 분리된 Na＋와 Cl－ 이온은 물 분자로 둘러싸인다. 이러한 용질과 용매 분자 사이 의 상호 작용을 용매화(solvation)라고 하고, 물이 용매일 때 이 상호 작용을 수화(hydration)라고 한다. Brown15_CH13(0591-0636).indd 593 2022-12-21 오후 4:30:29 594 13장 용액의 성질 사이의 용매-용질 물 분자와 상호 작용으로 고체는 용해된다. 용액 중에 있는 수화된 이온 물속에 있는 NaCl 결정 수화된 Cl 이온 수화된 Na 이온 ▲ 그림 13.3 물에서의 이온성 고체 NaCl의 용해 용액 형성의 에너지론 용해 과정은 일반적으로 엔탈피의 변화를 수반한다. 예를 들어 NaCl이 물에 용해될 때의 과정은 약간의 흡열 과정(DH용액＝3.9 kJ/mol)이다. Hess 법칙을 사용하면, 용질-용질, 용매-용매, 용질용매 상호 작용이 어떻게 용액의 엔탈피 변화에 영향을 주는지를 알 수 있다. 용해 과정은 엔탈피 변화와 관련이 있는 세 가지 구성 요소를 가지는 것으로 간주된다. 즉 n개 의 용질 입자로 이루어진 덩어리가 분리되고(DH용질), m개의 용매 입자로 이루어진 덩어리가 분리 되며(DH용매), 이들 용질과 용매 입자가 혼합되는(DH혼합) 세 가지이다. 1. (용질)n n개 용질 DH용질 2. (용매)m m개 용매 DH용매 3. n개 용질 ＋ m개 용매 4. (용질)n ＋ (용매)m 용액 용액 DH혼합 DH용액 ＝ DH용질 ＋ DH용매 ＋ DH혼합 전체 엔탈피 변화량(DH용액)은 이들 세 항의 합이다. DH용액 ＝ DH용질 ＋ DH용매 ＋ DH혼합 [13.1] 용질 입자들의 분리는 용질 입자들 사이의 인력 상호 작용을 끊기 위해 항상 에너지의 투입이 필요하다. 따라서 이 과정은 흡열 과정(DH용질 . 0)이다. 마찬가지로, 용질을 수용하기 위한 용매 분자의 분리에도 에너지가 필요하다(DH용매 . 0). 용질 입자와 용매 입자 사이의 인력 상호 작용에 의해 생기는 세 번째 구성 요소는 항상 발열(DH혼합 , 0)이다. 그림 13.4에서 보듯이, 식 13.1에 있는 세 개 엔탈피 항을 합하면, 고려하는 계의 실제 숫자에 따 라 음 또는 양의 값으로 나타난다. 따라서 용액 형성은 발열이거나 흡열일 수 있다. 예를 들어 황 산 마그네슘(MgSO4)을 물에 녹일 때, 용해 과정은 발열이다(DH용액＝－91.2 kJ/mol). 이와 대조적 으로, 질산 암모늄(NH4NO3)의 용해는 흡열이다(DH용액＝26.4 kJ/mol). 운동으로 인한 상처 치료에 Brown15_CH13(0591-0636).indd 594 2022-12-21 오후 4:30:29 13.1 용해 과정 595 발열 용해 과정에서, DH혼합의 크기와 DH용질 ＋DH용매의 크기를 비교하시오. 용매 용액 최종 용질 용액 용질 ( ) ( ) 초기 용매 엔 탈 피 용질 용질 엔 탈 피 용매 혼합 용매 용질 분자간 인력 깨짐 혼합 용매 분자간 인력 깨짐 용질 분자간 인력 깨짐 용매 분자간 인력 깨짐 용액 용액 초기 최종 발열 용해 과정 흡열 용해 과정 ▲ 그림 13.4 용해 과정에 수반되는 엔탈피 변화 자주 사용되는 인스턴트 발열팩이나 얼음팩의 주요 구성 물질로 특히 이러한 염들이 사용된다. 용해 과정의 엔탈피 변화가 제공하는 정보에 의하며, 그 반응이 어느 방향으로 어느 정도 일어 나는지를 알 수 있다. 발열 과정은 자발적으로 진행하는 경향이 있다. 반면에 DH용액이 너무 큰 흡 열 과정이라면, 용질은 잘 용해되지 않을 것이다. 이와 같이 용액을 형성하기 위해서는 용매-용 질 상호 작용(DH혼합)이 DH용질과 DH용질을 합한 값과 비슷할 정도로 충분히 커야만 한다. 더 나아 가 이 사실은, 이온성 용질이 무극성 용매에 녹지 않는 이유를 설명한다. 무극성 용매 분자와 이 온의 인력은 매우 작다. 따라서 이 상호 작용은 이온의 분리에 필요한 에너지를 보상하기에 매우 부족하다. 비슷한 이유로, 물과 같은 극성 액체 용질은 옥테인(C8H18) 같은 무극성 용매에 용해되지 않는 다. 물 분자는 서로 강한 수소 결합을 한다. 옥테인 용매에 물 분자를 분산시키려면, 이러한 인력 을 극복해야만 한다. H2O 분자끼리를 분리하는 데 필요한 에너지가 H2O와 C8H18 분자 사이의 인 력보다 크기 때문이다. 용액 형성과 화학 반응 용액을 논의하는 데 있어서는 용액 형성의 물리적 과정과 용액을 형성하는 화학 반응을 조심스럽 게 구분해야만 한다. 예를 들면 니켈 금속은 다음과 같은 반응에 의해 염산 용액에 용해된다. 이 예에서, 최종 용질은 Ni 금속이 아니라 Ni 금속의 염인 NiCl2이다. 그 용액을 증발 건조시키 면, Ni(s)가 아닌 NiCl2 ? 6 H2O(s)가 회수된다(그림 13.5). NiCl2 ? 6 H2O(s)와 같이, 결정 격자 내에 일정 수의 물 분자를 갖는 화합물은 수화물(hydrate)이라고 알려져 있다. 반면에 NaCl(s)을 물에 용 해시켰을 때에는 어떠한 화학 반응도 일어나지 않는다. 그 용액을 증발 건조시키면 NaCl이 회수 된다. 이 장 전체에서 우리의 관심은 용액으로부터 변하지 않는 형태의 용질을 회수할 수 있는 용 액에 관한 것이다. Brown15_CH13(0591-0636).indd 595 2022-12-21 오후 4:30:29 596 13장 용액의 성질 니켈 금속과 염산 니켈은 염산과 반응하여 NiCl2(aq)와 H2(g)를 생성한다. 용액은 Ni 금속의 용액이 아니라 NiCl2의 용액이다. 용매가 증발하면 NiCl26H2O(s)가 남는다. ▲ 그림 13.5 니켈 금속과 염산 반응은 단순한 용해 과정이 아니다. 생성물은 염화 니켈(II) 6수화물(NiCl2 ?6 H2O)이다. 이 화합물은 결정 격자 내에 니켈 이온 한 개당 6개의 수화 물 분자를 갖고 있다. 자기 평가 연습 문제 13.1 HCl(g)과 CO2(g)가 혼합될 때 엔탈피 변화는 어떻게 예측되는가? (a) DH , 0 (b) DH . 0 (c) DH 5 0 연습 문제 13.2 다음 설명이 맞는지, 틀리는지를 말하시오. (a) NaCl은 물에 녹지만 벤젠(C6H6)에는 녹지 않는다. (b) 물은 큰 쌍극자 모멘트를 가지고 있고 벤젠은 쌍극자 모멘트가 0이기 때문에 NaCl은 물에 녹지만 벤젠에는 녹지 않는다. (c) 물-이온 상호 작용이 벤젠-이온 상호 작용보다 강하기 때문에 NaCl은 물에 녹지만 벤젠에는 녹지 않는다. 13.3 다음 각 용액에서 가장 중요한 용질-용매 사이의 상호 작용 형태 를 지적하고, 용매-용질 상호 작용이 커지는 순으로 용액을 나열 13.5 물에 NaCl이 용해되는 경우, DH용액 ＝ +3 kJ/mol이다. DH용질, DH용매, DH혼합 중 어느 항이 가장 큰 음의 값을 갖겠는가? 13.6 두 무극성 유기 액체인 벤젠(C6H6)과 톨루엔(C7H8)은 섞인다. (a)DH용액은 큰 양의 값을 갖는가, 큰 음의 값을 갖는가, 0에 가깝 겠는가? (b)벤젠과 톨루엔은 모든 비율로 서로 섞인다. 이들의 용액을 만 들 때, 분리되어 있는 순수한 액체들에 비해 이 계의 엔트로피 는 증가하는가, 감소하는가, 아니면 0에 가까운가? 하시오. (a) 물 중 KCl (b) 벤젠(C6H6) 중 CH2Cl2 (c) 물 중 메탄올(CH3OH) 13.4 물에 대한 DH용액이 큰 음의 값을 갖는 이온 결합 화합물이 있다. (a) 이 화합물은 물에 잘 녹겠는가, 아니면 거의 녹지 않겠는가? (b) DH용매, DH용질, DH혼합 중 어느 항이 가장 큰 음의 값을 갖겠는 가? 자기 평가 연습 문제 답 13.1 (c) Brown15_CH13(0591-0636).indd 596 2022-12-21 오후 4:30:30 13.2 포화 용액과 용해도 597 13.2 ∣ 포화 용액과 용해도 소금은 염으로서 우리의 음식에 필수적인 성분이다. 소금을 상업적으로 얻을 수 있는 한 가지 방 법은 바다로부터 수확하는 것이다. 해수를 깊이가 얕은 도랑에서 증발되도록 하면, 증발 과정이 진행되면서 용액은 점점 더 녹아 있는 염이 농축된 상태가 된다. 용액이 포화 상태가 되는 지점에 이른 뒤에도 증발이 계속되면 염은 침전되고, 마침내 수확할 수 있게 된다. 이 절이 끝나면 다음 사항을 수행할 수 있어야 한다. •용해 과정에서 평형의 역할과 용질의 용해도와의 상관관계 설명하기 고체 용질이 용매에 녹기 시작하면서, 용액 중 용질 입자의 농도가 증가하고, 그 결과 일부 용질 입자는 고체의 표면과 충돌할 기회가 늘어나게 된다. 그러한 충돌로 용질 입자는 다시 고체와 결 합하는 결과를 초래한다. 이 과정은 용액 형성의 반대 과정으로, 결정화(crystallization)라고 한다. 따라서 녹지 않고 남아 있는 용질이 존재하는 용액에서는 이러한 반대되는 두 과정이 일어나게 된 다. 이 상황을 화학 반응식으로 나타내면 다음과 같다. 용질 용매 용해 결정화 용액 이들 두 가지 반대 과정의 반응 속도가 같을 때 동적 평형(dynamic equilibrium)이 이루어지며, 용 액 중에서 용질의 양은 더 이상 증가하지 않는다. 용액이 용해되지 않은 용질과 평형 상태에 있을 때, 그 용액은 포화(saturated) 용액이다. 포화 용액에 용질을 더 첨가해도 용질은 녹지 않을 것이다. 주어진 양의 용매로 포화 용액을 만들 때 필 요한 용질의 양을 그 용질의 용해도(solubility)라고 한다. 즉 주어진 용매에 주어진 용질의 용해도는 특정 온도에서 주어진 양의 용매에 녹을 수 있는 용질의 최대량을 말하며, 초과로 가해진 용질은 용액 내에 남게 된다. 예를 들면 0 °C에서 물에 대한 NaCl의 용해도는 물 100 mL당 35.7 g이다. 이것은 그 온도에서 안 정한 평형 상태의 용액을 만들 때 물에 녹을 수 있는 최대 NaCl의 양이다. 포화 용액을 만드는 데 필요한 용질의 양보다 적은 양의 용질을 용해시키면, 그 용액은 불포화 (unsaturated) 용액이다. 따라서, 0 °C 물 100 mL에 NaCl 10.0 g을 포함하는 용액은 더 많은 용질 을 용해시킬 수 있는 잠재력이 있기 때문에 불포화 용액이라고 한다. Brown15_CH13(0591-0636).indd 597 2022-12-21 오후 4:30:30 598 13장 용액의 성질 세 번째 비커에 있는 용액에는 아세트산 소듐이 몇 그램 녹아 있는가? 이 온도에서 자신의 용해도보다 더 많은 양이 용해된 아세트산 소듐 과포화 용액에 가한 아세트산 소듐의 결정씨(seed crystal) 용액에서 과량의 아세트산 소듐이 결정화됨 포화 용액이 됨 ▲ 그림 13.6 아세트산 소듐 과포화 용액으로부터의 침전 왼쪽의 용액은 100 °C에서 100 mL의 물에 약 170 g 의 아세트산 소듐을 용해시킨 다음 서서히 20 °C까지 냉각시켜 만들었다. 20 °C에서 아세트산 소듐의 용해도는 46 g/100 mL이므로, 그 용액은 과포화 용액이다. 이 과포화 용액에 아세트산 소듐 결정을 넣으면 과량의 용질이 용액에 서 결정화된다. 적절한 조건에서 포화 용액을 만드는 데 필요한 용질의 양보다 더 많은 양의 용질을 포함하는 용액을 만들 수 있다. 그러한 용액을 과포화(supersaturated) 용액이라고 한다. 예를 들면 높은 온 도에서 아세트산 소듐의 포화 용액을 만든 다음, 서서히 온도를 낮추면, 온도가 내려감에 따라 용 해도가 감소함에도 불구하고, 모든 용질이 용해된 상태로 남게 된다. 과포화 용액에 있는 용질은 평형 농도보다 높은 농도로 존재하므로 과포화 용액은 불안정하다. 그러나 남아 있는 용질 분자들 이 결정화하려면 결정 생성에 알맞게 적당히 배열되어야 한다. 작은 용질 결정(결정씨)을 넣으면, 과량 용질의 결정화를 위한 템플릿을 제공하게 되어 결정이 만들어지고, 과량의 고체 용질이 함께 존재하는 포화 용액이 된다(그림 13.6). 자기 평가 연습 문제 13.7 염화 마그네슘을 염화 마그네슘 포화 용액에 첨가한다면 녹겠는 (a) 아니오 (b) 예 가? 연습 문제 13.8 물에 대한 황산 구리(II) 오수화물(CuSO4 ? 5 H2O)의 용해도는 30 °C에서 물 100 mL당 50 g이다. (a)30 °C에서 1.30 M CuSO4 ? 12 H2O 수용액은 포화, 불포화, 과 (b)CuSO4 ? 12 H2O 용액의 농도가 주어지지 않은 경우, 용액이 포 화, 불포화, 과포화인지를 알기 위해서는 어떤 실험을 수행해 야 하는가? 포화 용액 중 어느 것인가? 자기 평가 연습 문제 답 13.7 (a) Brown15_CH13(0591-0636).indd 598 2022-12-21 오후 4:30:30 13.3 용해도에 영향을 주는 인자 599 13.3 ∣ 용해도에 영향을 주는 인자 집에서 물을 얼릴 때, 만들어진 얼음 조각의 중심 부분에 항상 공기가 있다는 것을 알아채고 있는 지 모르겠다. 이는 온도가 내려갈 때 물에 대한 공기의 용해도가 감소하기 때문에 나타나는 현상 이다. 얼음이 만들어지는 용기에서 물은 바깥 부분부터 얼게 된다. 이 현상으로 용해된 기체는 안 쪽으로 농축되고, 물은 포화 상태가 되며, 계속해서 냉각될 경우 공기는 물에서 기포를 형성하며 빠져나와 얼음 사이에 갇히게 된다. 그러면 투명한 얼음은 어떻게 만들 수 있을까? 물을 얼리기 전에 끓이면 용해된 기체 대부분은 열에 의해 밀려 나가게 되어 투명한 얼음을 만들 수 있다. 이 절이 끝나면 다음 사항을 수행할 수 있어야 한다. 표 13.1 물에 대한 기체의 용해도 (20 °C, 101.3 kPa) 기체 몰질량 (g/mol) 용해도 (M ) N2 O2 Ar Kr 28.0 32.0 39.9 83.8 0.69 3 10-3 1.38 3 10-3 1.50 3 10-3 2.79 3 10-3 •용해도에 영향을 주는 인자들 이해하기 한 물질이 다른 물질에 용해되는 정도는 두 물질의 성질에 의존한다. 또한 용해도는 온도에 의존 하고, 기체의 경우에는 압력에도 의존한다. 용질-용매 상호 작용 용해도를 결정하는 데 관여하는 것은 물질들끼리 서로 혼합하려는 자연적인 경향과, 용질과 용매 입자 사이의 다양한 상호 작용이지만, 용해도의 변화에 대한 통찰력은 용질과 용매 사이의 상호 작용을 주의 깊게 고찰해서 얻을 수 있다. 물에 대한 여러 가지 기체의 용해도를 나타낸 표 13.1의 자료를 보면, 분자량이 커질수록 용해도가 증가한다. 기체 분자와 용매 분자 사이의 인력은 주로 분산력인데, 이것은 분자의 크기와 분자량이 커질수록 증가한다. 따라서 물에 대한 기체의 용해 도는 용질(기체)과 용매(물) 사이의 인력 증가에 따라 증가한다는 것을 이 자료로 알 수 있다. 일 반적으로 다른 인자들이 비슷할 때, 용질과 용매 분자 사이의 인력이 강할수록 그 용매에 대한 그 용질의 용해도는 더 커진다. 용매 분자와 용질 분자 사이에 존재하는 쌍극자-쌍극자 인력이 유리하게 작용하기 때문에, 극 성 액체는 극성 용매에 쉽게 녹는 경향이 있다. 물은 극성일 뿐만 아니라 수소 결합을 형성할 수 있다. 따라서 극성 분자, 특히 물 분자와 수소 결합을 형성할 수 있는 극성 분자는 물에 녹는 경향 이 있다. 예를 들어 극성 분자인 아세톤은 물과 모든 비율로 섞인다. 아세톤 분자에는 물 분자와 수소 결합을 형성할 수 있는 강한 극성인 C " O 결합과 O 원자의 비공유 전자쌍이 있다. Brown15_CH13(0591-0636).indd 599 2022-12-21 오후 4:30:30 600 13장 용액의 성질 아세톤 물과 아세톤의 경우처럼 액체가 모든 비율로 섞이는 것을 ‘혼합되는(miscible)’이라고 하고, 서로 섞이지 않는 것을 ‘혼합되지 않는(immiscible)’이라고 한다. 탄화수소 혼합물인 가솔린은 물과 혼합 되지 않는다. 몇 가지 요인 때문에 탄화수소는 무극성 물질이다. C!C 결합은 무극성이고, C!H 결합은 거의 무극성이다. 또한 분자 모양이 대칭이어서 약한 C!H 결합 쌍극자들이 대부분 상쇄 된다. 극성 물 분자와 무극성 탄화수소 분자간 인력은 용액 형성을 허용할 정도로 충분히 강하지 헥세인 않다. 무극성 액체는 극성 액체에 녹지 않는 경향이 있다. 그림 13.7은 헥세인(C6H14)이 물에 녹지 않음을 보여 주고 있다. 물 많은 유기 화합물은 탄소와 수소 원자로 이루어진 무극성 골격에 극성기가 붙어 있다. 예를 들 면 표 13.2에 정리된 일련의 유기 화합물은 모두 극성인 OH기를 갖고 있다. 이러한 분자 특성을 가진 유기 화합물을 알코올(alcohol)이라고 한다. O!H 결합은 수소 결합을 형성할 수 있다. 예를 ▲ 그림 13.7 헥세인은 물과 혼합되지 않는다. 헥세인은 물보다 밀도가 작기 때문에 위층에 위치한다. 들어 에탄올(CH3CH2OH) 분자는 물 분자와는 물론 알코올끼리도 서로 수소 결합을 형성할 수 있 다(그림 13.8). 그 결과 용질-용질, 용매-용매, 용질-용매 사이의 힘은 CH3CH2OH와 H2O의 혼 합물 내에서 크게 다르지 않다. 그들이 혼합될 때 분자 환경이 크게 변하지 않는다. 그러므로 성 분이 혼합할 때 수반되는 엔트로피의 증가는 용액 형성에 의미 있는 큰 역할을 하며, 에탄올은 물 과 완전히 혼합될 수 있다. 표 13.2에서 알코올을 구성하는 탄소 원자의 수가 물에 대한 알코올의 용해도에 영향을 주는 것 에 주목하라. 탄소 원자의 수가 증가할수록 극성 OH기는 점점 분자 내의 작은 부분으로 되고, 분 표 13.2 물과 헥세인에 대한 알코올의 용해도* 알코올 물에 대한 용해도 C6H14에 대한 용해도 CH3OH (methanol) q 0.12 CH3CH2OH (ethanol) q q CH3CH2CH2OH (propanol) q q CH3CH2CH2CH2OH (butanol) 0.11 q CH3CH2CH2CH2CH2OH (pentanol) 0.030 q CH3CH2CH2CH2CH2CH2OH (hexanol) 0.0058 q * q는 알코올이 용매에 완전히 혼합된다(miscible)는 것을 의미한다. 용해도 단위는 mol 알코올/100 g 용매, 20 °C. 두 에탄올 분자 사이의 수소 결합 에탄올 분자와 물 분자 사이의 수소 결합 ▲ 그림 13.8 OH기가 관여하는 수소 결합 Brown15_CH13(0591-0636).indd 600 2022-12-21 오후 4:30:31 13.3 용해도에 영향을 주는 인자 601 자는 점점 더 탄화수소처럼 거동한다. 따라서 알코올의 물에 대한 용해도는 감소한다. 반면 에 헥세인(C6H14)과 같은 무극성 용매에 대한 알코올의 용해도는 무극성 탄화수소 사슬이 길어질수록 증가한다. 물에 대한 물질의 용해도를 증가시키는 방법은 물질 내의 극성기의 수를 증가시키는 것이 다. 예를 들면 용질에서 OH기의 수가 증가하면, 용질과 물 사이의 수소 결합 정도가 증가하 고, 결과적으로 용해도는 증가한다. 글루코스(C6H12O6, 그림 13.9)는 6개의 탄소로 이루어진 골격에 5개의 OH기를 갖고 있어서 물에 매우 잘 녹는다(17.5 °C의 물 1.00 L에 830 g이 녹는 다). 반면에 사이클로헥세인(C6H12)은 글루코스와 구조가 비슷하지만. 모든 OH기가 H로 치 환되어 있어 물에 잘 녹지 않는다(25 °C의 물 1.00 L에 55 mg만이 녹는다). 극성인 기가 없는 사이클로헥세인 ( )은 물에 용해되지 않는다. 기는 물과 수소 결합을 하는 능력 때문에, 수용액에 대한 용해도를 증가시킨다. 다양한 용매-용질의 조합에 관한 다년간의 연구 결과는 다음과 같은 중요한 일반론을 이 끌어 내었다. 유사한 분자간 인력을 갖는 물질은 서로 용해하는 경향이 있다. 이 일반론은 ‘비슷한 것은 비슷한 것을 녹인다(like dissolves like)’라는 말로 간단히 나타낼 수 있다. 무극성 물질은 무극성 용매에 잘 녹는다. 이온성 용질과 극성 용질은 극성 용매에 잘 녹는다. 다이아몬드와 석영 같은 그물 구조 고체는 고체 내의 강한 결합력 때문에 극성 용매 이든, 무극성 용매이든 어디에도 녹지 않는다. 화학과 생명 수소 결합 자리 ▲ 그림 13.9 분자 구조와 용해도의 상관관계 지용성 바이타민과 수용성 바이타민 바이타민은 인체의 여러 다른 부분에서 용해도에 영향을 주는 독특 지는 그들이 가지는 구조로 설명할 수 있다. 그림 13.10을 보자. 바이 한 화학적 구조를 가지고 있다. 예를 들면 바이타민 C와 B는 물에 녹 타민 A(레티놀)는 매우 긴 탄소 사슬을 가진 알코올이다. OH기가 분 는 반면, 바이타민 A, D, E, K는 무극성 용매와 지방 조직(무극성)에 자의 아주 작은 부분을 차지하므로 표 13.2에 실려 있는 긴 사슬 알코 녹는다. 바이타민 B와 C는 수용성이어서 몸에 잘 저장되지 않기 때 올과 유사하다. 따라서 이런 바이타민은 거의 무극성이다. 반면에 바 문에, 이들 바이타민을 함유하는 음식물을 매일 섭취해야 한다. 반면 이타민 C 분자는 더 작으면서 4개의 OH기를 가지고 있어서 물과 수 에 지용성 바이타민은 오랫동안 바이타민 결핍 식단으로 근근이 먹 소 결합을 형성할 수 있다. 이러한 점에서 보면 바이타민 C는 어느 고 살아온 사람조차도 바이타민 결핍증에 걸리지 않을 정도로 충분 정도 글루코스와 같다. 관련 연습 문제: 13.22, 13.46 한 양이 저장되고 있다. 왜 어떤 바이타민은 수용성이고, 어떤 바이타민은 수용성이 아닌 분자의 대부분은 무극성 바이타민 A 물과 상호 작용하는 단 1개의 극성기 물과 상호 작용하는 4개의 극성기 바이타민 C ▲ 그림 13.10 바이타민 A와 C의 분자 구조 Brown15_CH13(0591-0636).indd 601 2022-12-21 오후 4:30:31 602 13장 용액의 성질 예제 13.1 용해도 경향 예측 다음 각 물질이 무극성 용매인 사염화 탄소(CCl4)와 극성 용매인 물 중 어느 쪽에 더 잘 녹는지를 예측하시오. C7H16, Na2SO4, HCl, I2 ▶▶ 보충 예제 해답 분석 주어진 두 용매 중 하나는 무극성인 사염화 탄소(CCl4)이고, 다 른 하나는 극성인 물(H2O)이다. 각 용질을 더 잘 녹일 수 있는 용매 를 찾는 문제이다. 다음의 용매 중 왁스를 가장 잘 녹이는 것은 무엇인가? 왁스는 대 부분이 CH3 ! CH2 ! CH2 ! CH2 ! CH2 ! 인 화합물의 복잡한 혼합 물이다. 계획 용질의 화학식을 조사함으로써, 용질이 이온성인지 분자성인지 를 예측할 수 있다. 분자성인 경우, 그들이 극성인지 무극성인지를 예측할 수 있다. 무극성 용매는 무극성 용질에 대해 더 좋은 반면, 극 성 용매는 극성과 이온성 용질에 더 좋다는 개념을 적용하자. 풀이 C7H16은 탄화수소이므로 분자성이고 무극성이다. Na2SO4 화합 헥세인 물은 금속과 비금속을 포함하는 이온 결합 화합물이다. HCl은 전기 벤젠 음성도 값이 다른 두 비금속 원소를 포함하는 극성 이원자 분자이다. I2는 전기 음성도 값이 동등한 두 개의 원소를 포함하는 무극성 이원 자 분자이다. 따라서 C7H16과 I2(무극성 용질)는 극성인 H2O보다 무 극성인 CCl4에 더 잘 녹는 반면, 물은 Na2SO4과 HCl(이온성, 극성 용 아세톤 사염화 탄소 물 질)을 더 잘 녹이는 용매이다. 압력 효과 고체와 액체의 용해도는 압력에 의해 눈에 띄게 영향을 받지 않는다. 반면에 어떤 용매에 대한 기 체의 용해도는 용매 위에 있는 기체의 부분 압력이 증가할수록 증가한다. 압력이 기체의 용해도에 미치는 영향은 이산화 탄소 기체가 기체상과 용액상으로 분포된 것을 보여 주는 그림 13.11로 이 용액 위에 있는 기체의 부분 압력이 두 배가 되면, 평형이 복원된 후 용액에 있는 기체 농도는 어떻 게 변하는가? 평형 압력이 증가함. 더 많은 이산화 탄소가 용해됨 평형이 복원됨 ▲ 그림 13.11 기체 용해도에 미치는 압력의 영향 Brown15_CH13(0591-0636).indd 602 2022-12-21 오후 4:30:32 13.3 용해도에 영향을 주는 인자 603 해할 수 있다. 평형에 도달하면, 기체 분자들이 용액에 들어가는 속도와 용액에서 탈출한 용질 분 자가 기체상으로 들어가는 속도가 동일하다. 그림 13.11의 왼쪽 용기에 상하로 표시된 화살표의 개수는 이러한 상반되는 과정을 나타낸다. 이제 그림 13.11의 중간에 있는 용기에서 보이는 것처럼, 피스톤에 큰 압력을 가하여 용액 위의 기체를 압축한다고 생각하자. 부피가 본래의 절반으로 감소하면 기체 압력은 본래 값의 두 배로 증가한다. 이러한 압력 증가의 결과로서, 기체 분자들이 액체 표면과 부딪치고 용액상으로 들어 가는 속도가 증가한다. 따라서 용액에서 기체 용해도는 다시 평형에 도달할 때까지 증가한다. 즉 기체 분자들이 용액에 들어가는 속도와 용질 분자들이 용액으로부터 빠져나오는 속도가 같아질 때까지 기체의 용해도는 증가한다. 이와 같이 어떤 액체 용매에 대한 기체의 용해도는 용액 위에 있는 기체의 부분 압력에 정비례하여 증가한다(그림 13.12). 압력과 기체 용해도 사이의 관계는 Henry 법칙(Henry’s law)에 의해 다음과 같이 나타낼 수 있다. 여기서 Sg는 용매에 대한 기체의 용해도이다(일반적으로 몰농도로 나타낸다). Pg는 용액 위에 있 는 기체의 부분 압력이다. 그리고 k는 Henry 법칙 상수(Henry’s law constant)로 알려진 비례 상수 이다. 이 상수 값은 용질, 용매, 온도에 따라 다르다. 예를 들어 물에 대한 N2 기체의 용해도는 25 °C, 79.03 kPa에서 4.75×10－4 M이다. 따라서 25 °C 물에 대한 N2의 Henry 법칙 상수는 (4.75×10－4 mol/L)/79.03 kPa ＝ 6.1×10－6 mol/m3-Pa이다. N2의 부분 압력이 두 배가 되면, Henry 법칙에 의 해 25 °C에서 물에 대한 용해도 값도 두 배인 9.50×10－4 M로 증가함을 예측할 수 있다. 탄산음료 제조업자는 탄산 음료를 제조할 때, 압력이 용해도에 미치는 영향을 이용한다. 이들은 이산화 탄소를 101.3 kPa보다 높은 압력으로 병에 채운다. 병이 공기 중에서 열리면, 용액 위 CO2 의 부분 압력이 감소한다. 따라서 CO2의 용해도가 감소하여 CO2(g)가 용액 밖으로 기포 상태로 빠져나온다(그림 13.13). 직선의 기울기는 각 기체의 분자량에 따라 어떻게 변하는가? 그 경향을 설명하시오. 용 해 도 ▲ 그림 13.13 기체 용해도는 압력이 감 부분 압력 ▲ 그림 13.12 물에 대한 기체의 용해도는 기체의 부분 압력에 정비례한다. 용해도는 용액 L당 mmol수이다. Brown15_CH13(0591-0636).indd 603 소함에 따라 감소한다. 탄산음료의 뚜 껑이 열렸을 때 용액에서 CO2 거품이 발생한다. 이는 용액 위에 있는 CO2 기체의 부분 압력이 감소하였기 때문 이다. 2022-12-21 오후 4:30:32 604 13장 용액의 성질 예제 13.2 Henry 법칙 계산 25 °C에서 액체 위에 있는 0.41 MPa의 CO2 부분 압력으로 채운 청량음료 내의 CO2의 농도를 계산하시오. 이 온도에서 물에 대한 CO2의 Henry 법칙 상수는 3.4 × 10－4 mol/m3-Pa이다. 해답 분석 Henry 법칙 상수(k)와 CO2의 부분 압력(PCO2)이 주어지고, 용액 중 CO2의 농도를 계산하는 문제이다. 계획 주어진 정보를 가지고 Henry 법칙, 식 13.4를 사용해서 용해도 (SCO2)를 구한다. ▶▶ 보충 예제 일정한 온도에서 액체 위 기체의 부분 압력을 두 배로 만들었다. 그렇다면 다음 중 참인 것은 어느 것인가? (a) Henry 법칙 상수가 두 배가 되었다. (b) Henry 법칙 상수가 절반으로 줄었다. 풀이 (c) 액체 속의 기체 분자수가 절반이 되었다. 검토 용해도의 단위는 옳고, 답의 유효 숫자는 두 자리이다. 이것은 CO2의 부분 압력과 Henry 상수 값의 두 자리 유효 숫자와 일치한다. (d) 액체 속의 기체 분자수가 두 배가 되었다. (e) 액체 속에 있는 기체 분자의 개수에는 변화가 없다. 온도 효과 그림 13.14에 나타낸 것처럼, 대부분 고체 용질의 물에 대한 용해도는 용액의 온도가 상승하면 증 가한다. 그러나 이 규칙에도 예외가 있다. Ce2(SO4)3의 경우, 온도가 증가할수록 용해도 곡선이 아 래쪽으로 기운다. 고체 용질과는 달리, 물에 대한 기체의 용해도는 온도 상승에 따라 감소한다(그림 13.15). 유리 잔 속에 든 차가운 수돗물이 따뜻해지면, 유리잔 내부에서 공기 방울을 볼 수 있다. 이것은 용해 된 얼마간의 공기가 용액 밖으로 빠져나오기 때문이다. 이와 마찬가지로, 탄산음료가 따뜻해지면 CO2의 용해도가 감소하여 CO2(g)가 용액에서 빠져나 오게 된다. 에 들어 있는 염의 80 °C에서 KCl의 용해도는 같은 온도에서 NaCl의 용해도와 비교 할 때 어떠한가? 질소의 용해도 곡선은 어느 두 기체 사이에 위치하겠는가? 용해도 용 해 도 온도 온도 ▲ 그림 13.14 물에 대한 몇 가지 이온 결합 화합물의 온도에 따른 용해도 Brown15_CH13(0591-0636).indd 604 ▲ 그림 13.15 물에 대한 네 가지 기체의 온도에 따른 용해도 기체상에서 전 체 압력을 1 atm으로 일정하게 유지한 경우, 용해도의 단위는 mmol/L이다. 2022-12-21 오후 4:30:32 요약 및 중요 용어 627 해답 (a) 삼투압을 나타내는 식은 식 13.14이며, P ＝ iMRT이다. 온도 T＝27 °C＝300 K, 기체 상수 R＝8.314 m3-Pa/mol-K이다. CaCl2 몰농도 의 질량 및 부피로부터 용액의 몰농도를 계산하면 다음과 같다. 가용성 이온 결합 화합물은 강전해질이다. 따라서 CaCl2는 금 속 이온(Ca2＋)과 비금속 이온(Cl－)으로 구성된다. 완전히 용 해되었을 때 CaCl2 단위는 이온화하여 세 개의 이온(한 개의 Ca2＋와 두 개의 Cl－)을 생성한다. 따라서 계산된 삼투압은 다 음과 같다. (b) 전해질 총괄성의 실제값은 계산값보다 작다. 왜냐하면 이온들 사이의 정전기적 상호 작용이 그들의 자유로운 이동을 제한하 기 때문이다. 이 경우에 있어서, 전해질이 실제적으로 어느 정 측정값 비전해질에 대한 계산값 도 이온으로 해리되는지를 측정하는 van’t Hoff 지수는 다음과 같다. 따라서 이 용액은 마치 CaCl2 용액이 이상값 3 대신에 2.62 입 자로 해리되는 것처럼 작용한다. (c) 용액이 0.0397 M CaCl2이고 전체 부피가 0.100 L이면, 용질의 몰수는 다음과 같다. 따라서 용액을 만들 때 발생하는 열량은 다음과 같다. 용액은 이 열량을 흡수하여 온도를 증가시킨다. 온도 변화와 열 사이의 관계는 식 5.22로 주어지며, 다음과 같다. 용액이 흡수한 열량은 q＝＋0.323 kJ＝ 323 J이다. 0.100 L 용액의 질 량은 (100 mL)(1.00 g/mL)＝100 g(유효 숫자 3)이다. 따라서 온도 (비열) ( 수) (용액의 비열) (용액의 그램수) 변화는 Kelvin은 섭씨 온도와 같은 크기이다. 용액 온도가 0.773 °C 증 가하므로 초기 온도는 요약 및 중요 용어 용해 과정(13.1절) 용액은 한 물질이 다른 물질 전체에 균일하게 분산될 때 용질의 농도가 더 크면, 이 용액은 과포화(supersaturated)라고 한다. 과포 생성된다. 용매 분자와 용질과의 인력 상호 작용을 용매화(solvation)라고 화 용액은 불안정한 상태이고, 용질의 결정씨에 의해서 용액으로부터 용 한다. 용매가 물일 때 상호 작용을 수화(hydration)라고 한다. 물에서 이온 질이 일부 분리될 수 있다. 어떤 특정 온도에서 포화 용액을 형성하는 데 성 물질의 용해는 극성 물 분자에 의한 분리된 이온의 수화에 의해서 일어 필요한 용질의 양을 그 온도에서의 용질의 용해도(solubility)라고 한다. 난다. 용액을 만들 때 전체 엔탈피 변화는 양수일 수도, 음수일 수도 있다. 용해도에 영향을 주는 인자(13.3절) 어떤 물질 속에 있는 한 물질의 용해도 용액 형성은 음수의 엔탈피 변화(발열 과정)와, 양수의 엔트로피의 변화와 는 공간에 더 분산되려는 것에 의해서 계가 더 무질서해지려는 경향과, 용 상응하는 용액 성분의 공간상에 증가된 분산에 의해 유리하게 된다. 질-용매 사이의 상호 작용과 비교해서 상대적인 분자간 용질-용질, 용 포화 용액과 용해도(13.2절) 포화 용액과 녹지 않는 용질 간의 평형은 동적 매-용매 사이의 에너지에 의존한다. 극성과 이온성 용질은 극성 용매에 이다. 용해 과정과 그 역과정인 결정화(crystallization)는 동시에 일어난다. 용해되려는 경향이 있고, 무극성 용질은 무극성 용매에 용해하려는 경향 녹지 않은 용질과 평형에 있는 용액에서 두 과정은 포화(saturated) 용액을 이 있다(‘비슷한 물질은 비슷한 물질을 녹인다’). 모든 비율로 혼합되는 액 형성하면서 같은 속도로 일어난다. 용액의 포화에 필요한 양보다 용질의 체는 ‘혼합되는(miscible)’이라고 말하고, 서로 상당히 용해되지 않는 물질 양이 적으면, 이 용액은 불포화(unsaturated)라고 한다. 평형 농도 값보다 은 ‘혼합되지 않는(immiscible)’이라고 말한다. 용질과 용매 사이의 수소 결 Brown15_CH13(0591-0636).indd 627 2022-12-21 오후 4:30:41 628 13장 용액의 성질 합 상호 작용은 종종 용해도를 결정하는 데 중요한 역할을 한다. 예를 들 어는점 내림을 의미한다. 온도 변화는 식 DTb＝iKbm, DTf ＝－iKf m에 의해 면 분자들 간에 서로 수소 결합을 하는 에탄올과 물은 혼합할 수 있다. 액 주어진다. i는 van’t Hoff 지수(van’t Hoff factor)로, 용매에서 용질이 몇 개 체에 대한 기체의 용해도는 일반적으로 Henry 법칙(Henry’s law), 즉 Sg ＝ 의 입자를 형성하는지를 나타낸다. NaCl 1 mol이 물에 녹을 때, 녹은 염은 kPg에 의해 나타난 바와 같이, 용액에 대한 기체의 압력에 비례한다. 물에 2 mol의 용질 입자를 생성한다. 그러므로 끓는점과 어는점은 각각 대략적 대한 대부분 고체 용질의 용해도는 용액의 온도가 증가함에 따라 증가한 으로 같은 농도의 비전해질 용액의 두 배 정도 증가하거나 감소한다. 이와 다. 대조적으로 물에 대한 기체의 용해도는 일반적으로 온도가 증가함에 같은 고찰은 다른 강전해질에도 적용된다. 따라 감소한다. 삼투 현상(osmosis)은 반투막을 통한 묽은 용액에서 더 진한 용액으로의 용 용액 농도 표시법(13.4절) 용액의 농도는 질량 백분율(mass percentage)[(용질 질 매 분자의 이동이다. 용액의 알짜 이동으로 삼투압(osmotic pressure, P) 량/용액 질량)×100], 백만분율(parts per million, ppm), 십억분율(parts 이 생기는데, 이것은 기압과 같은 기체 압력의 단위로 측정될 수 있다. 용 per billion, ppb), 몰분율을 포함해서 몇 가지 다양한 척도를 이용해 정량 액의 삼투압은 용액의 몰농도에 비례한다(P ＝ iMRT). 삼투 현상은 생체 적으로 표시할 수 있다. 몰농도(molarity, M)는 용액 리터당 용질의 몰수로 계에 있어서 중요한 과정인데, 세포벽은 물을 통과시키지만, 이온 및 거대 정의한다. 몰랄 농도(molality, m)는 용 매의 킬로그램당 용질의 몰수로 정 분자 성분의 통과를 제한하는 반투막으로 작용한다. 의한다. 용액의 밀도를 안다면, 몰농도는 다른 농도 단위로 변환될 수 있 콜로이드(13.6절) 분자 규모로는 크지만 용매계에서 오랫동안 분산 되어 있 다. 을 만큼 충분히 작은 입자들은 콜로이드(colloid) 또는 콜로이드 분산(colloi- 총괄성(13.5절) 용질의 특성에 관계없이 용액 중 용질 입자의 농도에 의존 dal dispersion)을 생성한다. 용액과 불균일 혼합물 사이의 중간 물질인 콜 하는 용액의 물리적 성질을 총괄성(colligative property)이라고 한다. 총괄 로이드는 실제적으로 많이 응용되고 있다. 콜로이드의 유용한 물리적 성 성에는 증기 압력 내림, 어는점 내림, 끓는점 오름, 삼투압이 있다. 증기 질 중 하나인 가시광선의 산란을 Tyndall 효과(Tyndall effect)라고 한다. 수 압력 내림은 Raoult 법칙(Raoult’s law)으로 표시한다. 이상 용액(ideal solu- 용성 콜로이드는 친수성(hydrophilic)과 소수성(hydrophobic)으로 분류한 tion)은 Raoult 법칙에 따른다. 용매-용매 및 용질-용질의 분자간 힘과 비교 다. 친수성 콜로이드는 살아 있는 유기체에서 흔히 발견된다. 이 안에서 해서 용매-용질에 있어서 분자간 힘의 차이로 인하여 많은 용액이 이상적 거동 거대 분자의 집합체(효소, 항체)는 물과 상호 작용하는 표면에 많은 극성 으로부터 벗어나게 된다. 또는 전하를 띤 원자기들을 가지고 있기 때문에 서스펜션을 유지하고 있 비휘발성 용질을 포함하고 있는 용액은 순수한 용매보다 끓는점이 높다. 다. 작은 기름 방울과 같은 소수성 콜로이드는 그들 표면에 전하를 띤 입 몰랄 끓는점 오름 상수(molal boiling-point-elevation constant, Kb)는 순수 자의 흡착을 통해 서스펜션으로 존재한다. 한 용매와 비교할 때 용질 입자 1 m 용액에 대한 끓는점 오름을 나타낸다. 콜로이드는 액체 내에서 기체 분자의 삼차원적인 무질서한 운동과 유사하 이와 유사하게 몰랄 어는점 내림 상수(molal freezing-point-depression con- 게 Brown 운동(Brownian motion)을 한다. stant, Kf )는 순수한 용매와 비교할 때 용질 입자 1 m 용액에 대한 용액의 학습 정리 이 장을 공부한 후에 여러분은 다음을 할 수 있어야 한다. • 엔탈피와 엔트로피 변화가 용액 형성에 어떻게 영향을 주는지 기술하기 (13.1절). 관련 연습 문제: 13.6, 13.40, 13.56 • “비슷한 물질은 비슷한 물질을 녹인다”라는 법칙의 사용을 포함해서, 분자간 힘과 용해도 사이의 관계를 기술하기(13.1절, 13.3절). 관련 연 습 문제: 13.3, 13.53 • 용해 과정에 있어서 평형의 역할과 용질의 용해도에 대한 관계를 기술 하기(13.2절). 관련 연습 문제: 13.8, 13.57 • 액체에서 고체와 기체의 용해도에 미치는 온도의 효과에 대해 기술하기 (13.3절). 관련 연습 문제: 13.16, 13.63 • 기체의 부분 압력과 용해도 사이의 관계를 기술하기(13.3절). 관련 연습 문제: 13.16 • 몰농도, 몰랄 농도, 몰분율, 질량 백분율, 백만분율의 농도를 계산하 고, 그들 사이의 상호 변환하기(13.4절). 관련 연습 문제: 13.22, 13.69 Brown15_CH13(0591-0636).indd 628 • 총괄성이 무엇인지 기술하고, van’t Hoff 지수에 대해 설명하기(13.5절). 관련 연습 문제: 13.28, 13.78, 13.83, 13.84 • 용액에 작용하는 용매의 증기압 계산하기(13.5절). 관련 연습 문제: 13.79, 13.81 • 용액의 끓는점 오름과 어는점 내림 계산하기(13.5절). 관련 연습 문제: 13.32, 13.86 • 용액의 삼투압 계산하기(13.5절). 관련 연습 문제: 13.33, 13.89 • 용액의 총괄성을 이용하여 용질의 몰질량 계산하기(13.5절). 관련 연습 문제: 13.34, 13.90 • 용액과 콜로이드 사이의 차이점 설명하기(13.6절). 관련 연습 문제: 13.37, 13.94 • 친수성 콜로이드와 소수성 콜로이드가 어떻게 물속에서 안정화될 수 있 는지 설명하기(13.6절). 관련 연습 문제: 13.39, 13.95 2022-12-21 오후 4:30:41 연습 문제 629 핵심 공식 •Sg 5 kP [13.4] 기체 용해도가 부분 압력과 관련있는 Henry 법칙 [13.5] 질량 백분율의 농도 정의 [13.6] 백만분율(ppm)의 농도 정의 [13.7] 몰분율의 농도 정의 용질의 몰수 용액의 리터수 [13.8] 몰농도의 농도 정의 용질의 몰수 용매의 kg수 [13.9] 몰랄 농도의 농도 정의 8 •P용액＝X용매 P용매 [13.10] 용액에 작용하는 용매의 증기 압력을 계산하는 Raoult 법칙 •DTb 5 iKbm [13.12] 용액의 끓는점 오름 계산 •DTf 5 -iKf m [13.13] 용액의 어는점 내림 계산 • [13.14] 용액의 삼투압 계산 •성분의 질량 백분율(%) 5 •성분의 ppm 5 용액 속의 성분의 질량 3106 용액의 총질량 •성분의 몰분율 5 •몰농도 5 •몰랄 농도 5 용액 속의 성분의 질량 3100 용액의 총질량 성분의 몰수 모든 성분의 총 몰수 연습 문제 눈으로 보는 개념 13.40다음 용기를 엔트로피가 증가하는 순서로 나열하시오. [13.1절] (b) 다음 중 K＋보다 Li＋에서 이온-용매 상호 작용이 큰 이유를 설 명한 것은? a. Li＋가 K＋보다 질량이 작다. b. Li의 이온화 에너지가 K의 이온화 에너지보다 크다. c. Li＋가 K＋보다 이온 반지름이 작다. d. Li가 K보다 밀도가 작다. e. Li가 K보다 물과 더 느리게 반응한다. 13.42단일 전하를 갖는 이온들로 구성되고, 격자 에너지가 다른 두 이 온성 고체를 생각해 보자. [13.1절] (a) 이 고체들은 물에 대한 용해도가 동일한가? 13.41다음 그림은 양이온과 주위의 물 분자 간의 상호 작용을 보여 준 다. [13.1절] (b) 그렇지 않다면 격자 에너지가 큰 고체와 격자 에너지가 작은 고체 중 어느 고체가 물에 잘 녹겠는가? (용질-용매 상호 작 용은 두 고체에서 동일하다고 가정하라.) 13.43기체 혼합물에 관한 다음 설명 중 옳은 것 두 가지는 ? [13.1절] (a) 기체 입자들은 서로 상당히 멀리 떨어져 있어서 분자간 인력이 나 반발력에 의해 크게 영향을 받지 않기 때문에 기체는 다른 기체와 언제나 섞인다. (b) 물과 기름이 액체상에서 섞이지 않는 것처럼, 두 기체는 서로 섞이지 않으며 기체상에서 섞이지 않는다. (c) 만일 기체 혼합물을 냉각시킨다면 같은 온도에서 모든 기체를 액화시킬 수 있다. (d) 기체는 혼합되면서 계의 엔트로피가 증가하기 때문에 기체는 부분적으로 모든 비율로 섞인다. (a) 물 분자의 원자 중 양이온과 결합한 원자는 어느 것인가? 그 이유는? Brown15_CH13(0591-0636).indd 629 2022-12-21 오후 4:30:42 630 13장 용액의 성질 13.44다음 중 포화 용액을 가장 잘 나타낸 것은? 그 이유를 설명하시오. [13.2절] 13.45물에 대한 비활성 기체의 용해도를 비교할 경우, 원자량이 증가하 는(Ar , Kr , Xe) 순서로 용해도가 증가한다는 것을 알 수 있다. 다음 설명 중 가장 정확한 것은 ? [13.3절] (a) 기체는 무거울수록 물속에서 바닥에 더 가라앉게 되면서 물 상 층부에는 기체가 녹을 수 있는 공간이 남게 된다. 13.49다음 그림은 휘발성 용매와 이 용매에 비휘발성 용질이 녹아 있는 용액의 증기 압력 곡선을 나타낸 것이다. [13.5절] (a) 용액을 나타내는 선은 어느 것인가? (b) 용매와 용액의 정상 끓는점은 얼마인가? (b) 기체는 무거울수록 분산력이 커지게 되고, 따라서 물 분자와 의 친화 작용이 더 커진다. (c) 기체는 무거울수록 물과 수소 결합을 더 잘 할 수 있다. (d) 기체는 무거울수록 물과 포화 용액을 더 잘 만들 수 있다. 13.46다음 그림은 바이타민 E와 B6를 나타낸 것이다. 어떤 것이 물에 잘 녹고, 어떤 것이 지방에 잘 녹을지 예측하시오. [13.3절] 13.50반투막으로 만들어진 풍선이 있다고 가정하자. 이 풍선을 용질이 녹아 있는 0.2 M 용액으로 완전히 채운 후, 같은 용질이 녹아 있 는 0.1 M 용액에 담갔다. 이 풍선의 초기 부피는 0.25 L이다. 그림 에 나타낸 것과 같이 반투막 외부의 부피가 크다고 가정하고 삼투 압을 통하여 평형에 도달하였을 때 풍선 내부 용액의 부피를 예측 바이타민 바이타민 하시오. [13.5절] 13.47상온에서 공기와 접촉하고 있는 물 시료를 취하여 진공 상태에 놓 았다. 즉시 물에서 빠져나오는 방울들을 볼 수 있지만, 좀 더 시간 이 지난 후 방울들이 멈추는 것을 관찰할 수 있다. 진공 상태를 계 속 유지하면 더 많은 방울을 볼 수 있다. 한 친구는 첫 번째 방울 이 수증기이며, 낮은 압력이 물의 끓는점을 낮추어 물이 끓게 한 것이라고 하였다. 다른 친구는 첫 번째 방울은 물에 녹아 있는 대 기 중의 기체 분자(산소, 질소 등)라고 하였다. 어느 친구가 옳은 가? 그러면 두 번째 방울들은 무엇인가? [13.4절] 13.48다음 그림은 두 온도에서 같은 용액이 담겨 있는 동일한 부피 플 라스크를 나타낸 것이다. [13.4절] 13.51다음 중 우유와 같은 액체-액체 유제를 잘 나타낸 것은? 색을 띠 는 입자들은 서로 다른 액체 분자를 나타낸다. [13.6절] (a) 온도 변화에 따라 용액의 몰농도가 변하는가? 설명하시오. (b) 온도 변화에 따라 용액의 몰랄 농도가 변하는가? 설명하시오. Brown15_CH13(0591-0636).indd 630 2022-12-21 오후 4:30:43 추가 연습 문제 633 기술된 용액 위의 증기에 존재하는 벤젠의 몰분율은 얼마인가? 13.83 (a) 0.10 m KCl 수용액은 0.10 m 유레아(요소, CO(NH2)2) 수용액 13.91 라우릴 알코올은 코코넛 기름으로부터 얻어지며, 세제를 만드는 데 사용된다. 벤젠 0.100 kg에 5.00 g의 라우릴 알코올을 녹인 용 과 비교하여 끓는점이 높은가, 낮은가, 아니면 같은가? (b) KCl이 액은 4.1 °C에서 언다. 이 자료로부터 라우릴 알코올의 몰질량은 용액에서 완전히 해리된다고 가정할 때, 실험적으로 얻은 KCl 용 얼마인가? 액의 끓는점이 계산한 끓는점보다 낮다. 그 이유를 설명하시오. 13.84각 용질이 10%(질량비)로 들어 있는 다음 수용액을 끓는점이 증가 13.92 유기 화합물 1.25 g을 물에 녹여 0.150 L의 용액을 만들었다. 20 °C 에서 이 용액의 삼투압은 112.8 kPa이다. 유기 화합물이 비전해질 이라고 가정할 때, 이 유기 화합물의 몰질량은 얼마인가? 하는 순으로 나열하시오. 글루코스(C6H12O6), 슈크로스(C12H22O11), 질산 소듐(NaNO3) 13.85다음 수용액을 끓는점이 증가하는 순으로 나열하시오. 0.080 M KBr, 0.130 M 유레아(CO(NH2)2), 0.080 M Mg(NO3)2 13.3의 자료를 이용하여 다음 용액의 어는점과 끓는점을 각각 13.86 표 계산하시오. (a) 에탄올 중 0.22 m 글리세롤 (b) 클로로폼 2.45 mol 중 나프탈렌(C10H8) 0.240 mol (c) 물 0.250 kg 중 NaCl 1.50 g (d) 물 188 g 중 글루코스(C6H12O6) 4.82 g과 KBr 2.04 g 13.87 －10.00 °C에서 어는 용액을 만들기 위해서는 물 2.00 kg에 에틸렌 글라이콜(C2H6O2) 몇 g을 가해야 하는가? 13.93 0.010 M CaCl2 수용액의 삼투압은 25 °C에서 68.3 kPa이다. 용액 의 van’t Hoff 지수(i)를 계산하시오. 콜로이드(13.6절) 13.94 (a) 기체로만 만들어진 콜로이드가 존재하는가? 왜 그런지, 왜 그 러하지 않은지 설명하시오. (b) 1850년에 Faraday는 물에서도 무 한히 안정한 금 입자의 루비빛 콜로이드를 최초로 제조하였다. 이 밝은색의 콜로이드는 육안으로 용액과 구별되지 않는다. 색깔을 띤 조제물이 용액인지, 콜로이드인지 어떻게 구별할 수 있는가? 소수성 용매에 있는 친수성 콜로이드(또는 친수성 용 13.95 ‘유화제’는 매에 있는 소수성 콜로이드)를 안정화시키는 화합물이다. 다음 중 가장 좋은 유화제는? 13.88 105.0 °C에서 끓는 수용액의 어는점은 얼마인가? (a) CH3COOH (b) CH3CH2CH2COOH 13.89 3 7 °C에서 물 0.100 L에 아스피린(C9H8O4) 0.50 mg을 녹인 용액의 (c) CH3(CH2)11COOH (d) CH3(CH2)11COONa 13.96 전해질을 가하여 수용액으로부터 단백질을 침전시킬 수 있다. 이 삼투압은 얼마인가? 13.90 아드레날린은 비상시나 스트레스를 받을 때 여분의 글루코스 분 자를 방출하도록 하는 호르몬이다. CCl4 36.0 g에 아드레날린 0.64 g이 있는 용액의 끓는점은 0.49 °C 증가한다. 아드레날린의 몰질량 와 같은 과정을 ‘염석(salting out)’이라고 한다. (a)같은 농도의 같은 전해질을 사용할 경우, 모든 단백질이 같은 정도로 침전이 일어나겠는가? (b)한 단백질이 염석이 일어나면, 전해질을 넣기 전보다 단백질- 을 계산하시오. 단백질 상호 작용이 강해지는가, 약해지는가? (c)생화학 강의를 수강한 한 친구가, 염석 현상이 일어나는 것은 전해질을 첨가하면 단백질을 둘러싸고 있는 수화물의 물이 전 해질을 둘러싸기 때문이며, 따라서 단백질의 수화물 껍질이 벗겨지고 단백질이 침전하게 된다고 한다. 같은 생화학 강의 를 듣는 다른 친구는, 염석 현상은 첨가된 이온들이 단백질에 강하게 흡착되어 단백질 표면에 이온쌍을 형성하게 되어 결과 아드레날린 적으로 물속에서 단백질의 알짜 전하가 0이 되어 단백질이 침 전하기 때문이라고 한다. 이 두 가정에 대하여 토의하시오. 이 두 가정을 구별하기 위하여 어떤 종류의 측정이 필요한가? 추가 연습 문제 13.97 코카인(C17H21NO4)의 ‘자유 염기’ 형태와 수소화된 염화 수소 형 태(C17H22ClNO4)는 다음과 같으며, 자유 염기 형태는 HCl 한 개 (b)코카인의 두 형태(자유 염기 또는 염화 수소 형태) 중 하나는 상대적으로 불용성이다. 어느 것인가? 와 결합하여 염화 수소 형태로 전환될 수 있다. 뚜렷하게 보이기 (c)자유 염기 형태 코카인의 물에 대한 용해도는 에탄올 6.70 mL 위하여 모든 탄소 원자와 수소 원자를 표시하지는 않았다. 각각의 당 1.00 g이다. 에탄올에서 자유 염기 형태의 코카인 포화 용 꼭짓점은 적절한 개수의 수소 원자를 지니고 있는 탄소 원자를 나 타내며, 각 탄소는 다른 원자들과 네 개의 결합을 하고 있다. (a)코카인의 두 형태(자유 염기 또는 염화 수소 형태) 중 하나는 상대적으로 수용성이다. 어느 것인가? Brown15_CH13(0591-0636).indd 633 액의 몰농도를 구하시오. (d)염화 수소 형태 코카인의 물에 대한 용해도는 물 0.400 mL당 1.00 g이다. 물에서 염화수소 형태의 코카인 포화 용액의 몰농 도를 구하시오. 2022-12-21 오후 4:30:44 694 14장 화학 반응 속도론 (CH3)3AuPH3의 분해 반응에 대하여 제안된 메커니즘은 다음과 (d)이 계산을 5.0 nm 백금 나노 입자에 대하여 반복해 보시오. (e)어느 크기의 입자가 촉매로서의 활성이 더 클 것으로 예측되 같다. 단계 는가? 그 이유는 무엇인가? 빠름 단계 느림 단계 빠름 14.123 인체에서는 서로 밀접하게 연관되어 있는 복잡한 화학 반응들이 일어난다. 이러한 반응들이 적절한 속도로 일어나기 위해서는 많 은 종류의 효소가 필요하다. 효소는 매우 선택적으로 반응을 촉진 (a)전체 반응식은 무엇인가? 하며 효소 반응은 특이적으로 일어난다. 자물쇠-열쇠 모형을 이 (b)메커니즘에서 중간체는 무엇인가? 용하여 효소의 특이성을 설명하시오. (c)각 단일 단계 반응의 분자도는 무엇인가? 14.124 어느 생화학 반응이 촉매 없이 정상 체온(37 °C)에서 초당 x번 일 (d)속도 결정 단계는 어느 것인가? 어난다고 가정하자. 생리학적으로 유용하기 위해서는, 반응이 촉 (e)메커니즘으로부터 예상되는 속도 법칙은 무엇인가? 매가 없는 경우에 비하여 5000배 빠르게 일어날 필요가 있다. 이 (f)(CH3)3AuPH3 용액에 PH3를 첨가하면 반응 속도에 어떠한 영 반응이 유용하기 위해서는 효소가 반응의 활성화 에너지(kJ/mol) 향이 있겠는가? 14.122 지름이 약 2 nm인 백금 나노 입자는 CO를 CO2로 산화하는 반응 에 사용되는 중요한 촉매이다. 백금은 변의 길이가 392.4 pm인 면 를 얼마나 낮추어야 하는가? 14.125 효소 반응은 대체로 다음의 두 단계 메커니즘으로 설명한다. 빠름 느림 심 입방체로 결정화된다. (a)2.0 nm 백금 구에 들어 있는 백금 원자의 수를 계산하시오. 구 의 부피는 (4/3)pr3이다. 1 pm＝1×10-12 m, 1 nm ＝1×10-9 m임을 기억하라. (b)2.0 nm 백금 구의 표면에 있는 백금 원자의 수를 계산하시오. 구의 표면적은 4pr2이며 백금 원자 하나의 ‘발자국 면적’은 원 (E＝효소, S＝기질, ES＝효소-기질 복합체, P＝생성물) (a)효소가 이 반응 메커니즘을 따를 때, 예상되는 속도 법칙은 무 엇인가? (b)효소의 활성 자리에 결합하지만 생성물로 전환되지 않는 분자 를 효소 억제제(enzyme inhibitor)라고 한다. 효소 E와 억제제 I 자 지름 280 pm으로부터 계산될 수 있다고 가정한다. 의 반응에 해당하는 단일 단계 반응을 위 메커니즘에 추가하 (c)(a)와 (b)의 결과로부터 2.0 nm 백금 나노 입자 표면에 존재하 시오. 는 백금 원자의 백분율을 계산하시오. 통합 연습 문제 14.126 반응 4 PH3(g) P4(g) 1 6 H2(g)의 실험에서 PH3(g)를 일정한 부 14.128 여러 온도에서 반응 속도를 측정하여 다음과 같은 ln k 대 1/T 그 피의 용기에 넣고 총 압력을 측정하였다. 래프를 얻었다. 시간 (초) 0 30 60 90 120 총 압력(kPa) 13.3 18.5 20.9 22.1 22.8 반응의 차수와 속도 상수를 구하시오. 14.127 에탄올(C2H5OH) 용액 내 아이오딘화 에틸과 수산화 이온의 반 응식은 C2H5I(alc) 1 OH-(alc) C2H5OH(l) 1 I-(alc)이다. 이 반응의 활성화 에너지는 86.8 kJ/mol이고 빈도 인자는 2.1 3 1011 M-1 s-1이다. (a)30 °C에서의 반응 속도 상수를 예측하시오. (b)0.500 g의 KOH를 에탄올에 녹여 500.0 mL 용액을 만들었다. 마찬가지로, 1.500 g의 C2H5I를 에탄올에 녹여 500.0 mL 용액 을 만들었다. 두 용액을 같은 부피만큼 취하여 혼합하였다. 반 이와 같이 특이한 실험 결과에 대하여 분자 수준의 해석을 제시하 여 보시오. 14.129 NO가 F2와 반응하여 NOF와 F를 생성하는 기체상 반응의 활성화 에너지는 Ea ＝6.3 kJ/mol이고 빈도 인자는 A ＝6.0 ×108 M－1 s－1 응이 각 반응물에 대하여 일차라고 가정할 때, 30 °C에서의 초 이다. 이 반응은 이분자 반응으로 여겨지고 있다. 기 속도는 얼마인가? (c)반응이 끝까지 진행된다고 가정할 때, 어느 반응물이 한계 반 응물이 되는가? (d)빈도 인자와 활성화 에너지가 온도에 따라 변하지 않는다고 가정하고, 40 °C에서의 반응 속도 상수를 계산하시오. Brown15_CH14(0637-0696).indd 694 NO(g) 1F2(g) NOF(g) 1F(g) (a)100 °C에서의 속도 상수를 계산하시오. (b)NOF의 화학식 때문에 오해의 소지가 있기는 하지만, 실제로 는 질소 원자가 이 분자의 중심 원자이다. 이러한 사실을 고려 2022-12-23 오전 11:32:25 실험 설계 문제 695 하여, NO와 NOF 분자들의 Lewis 구조식을 그려 보시오. (c)NOF 분자의 모양을 예측하여 보시오. (d)NOF 생성을 위한 가능한 전이 상태를 그려 보시오. 이때, 결 그린 도표에서 어느 곳에 위치해야 하는지를 추정하시오. 이 결과를 사용하여 CH4(g) 1 Cl2(g) 반응의 Ea값을 계산하시오. CH3(g) 1 HCl(g) 1 Cl(g) 합이 형성되려고 하는 약한 결합을 점선으로 나타내시오. (d)반응 3과 4에서 Cl(g)와 CH3(g)는 라디칼이다. 즉, 쌍을 이루지 (e)이 반응의 활성화 에너지가 낮은 이유를 제안하여 보시오. 못한 전자를 갖는 원자나 분자이다. CH3의 Lewis 구조식을 그 14.130 HBr이 O2에 의해 산화되어 2 H2O와 Br2를 생성하는 산화 반응의 메커니즘이 문제 14.38에 소개되어 있다. 려서 이 화학종이 라디칼임을 보이시오. (e)반응 3과 4는 라디칼 연쇄 반응 메커니즘을 구성하는 일련의 (a)반응 과정의 전체 표준 엔탈피 변화를 계산하시오. 반응이다. 왜 이 반응을 ‘연쇄 반응’이라고 하는가? 이 연쇄 반 (b)상온의 일반적인 조건하에서는 HBr과 O2의 반응이 측정 가능 응을 종결시킬 반응을 제안해 보시오 한 속도로 일어나지 않는다. 이로부터 속도 결정 단계의 활성 화 에너지 크기에 관해 어떠한 추론을 할 수 있는가? (c)중간체인 HOOBr의 가능한 Lewis 구조식을 그리시오. 이는 수 소와 산소로 이루어진 어떤 친숙한 화합물의 구조와 비슷한 14.132 많은 일차 아민 RNH2는 정사면체 형태의 전이 상태를 갖는 반응 을 한다. 여기서 R은 CH3, CH3CH2 등과 같이 탄소를 포함하고 있는 작용기를 의미한다. (a)일차 아민에 있는 질소에서의 결합을 보여 주기 위한 혼성 오 가? 14.131 많은 대기 반응의 속도는 반응물들 중의 하나가 빛을 흡수함으로 써 가속화된다. 예를 들어, 메테인과 염소가 반응하여 염화 메틸 과 염산을 생성하는 반응을 생각해 보자. 비탈의 모양을 그리시오(‘R’을 그릴 때는 C 원자를 사용한다). (b)어떤 종류의 반응물이 일차 아민과 반응하여 정사면체 형태의 중간체를 생성할 수 있겠는가? 14.133 자동차 배가가스인 NOx의 흐름은 NO, NO2와 같은 화학종을 포 반응 이 반응은 빛이 없는 경우 매우 느리다. 그러나 Cl2(g)가 빛을 흡수 하면 Cl 원자들을 생성할 수 있다. 함하고 있다. 대기 오염을 줄이기 위해서는 이러한 화학종들을 N2 로 변환하는 촉매가 필요하다. (a)NO, NO2, N2의 Lewis 점 구조식과 VSEPR 구조를 그리시오. 반응 (b)표 8.3 등의 자료를 이용하여 이 분자들의 결합 에너지를 조사 Cl 원자가 생성되면, 이들은 아래 제안된 메커니즘에서와 같이 CH4와 Cl2의 반응에서 촉매로 작용한다. 하시오. 이 에너지들은 전자기 스펙트럼의 어느 영역에 해당 하는가? (c)NOx가 N2로 변환되는 것을 측정하는 분광학적 실험을 고안하 반응 반응 여 보시오. 어떤 파장의 빛을 시간의 함수로 측정해야 하는지 이들 두 반응의 엔탈피 변화와 활성화 에너지는 다음 표와 같다. 반응 DH ° (kJ/mol) 3 14 17 4 -109 4 Ea (kJ/mol) 에 대한 설명을 포함하시오. 14.134 그림 14.23에서와 같이 에텐(ethene)의 불균일 수소화 반응의 첫 번째 단계는 금속 표면에 에텐 분자가 흡착하는 과정이다. 에텐이 금속 표면에 달라붙는 과정에 대하여 제안된 설명은 C! C p 결합 의 전자와 금속 표면의 비어 있는 오비탈과의 상호 작용이다. (a)Cl2의 결합 엔탈피(표 8.4)를 이용하여 반응 2를 일으키기에 충 (a)이러한 설명이 옳은 것이라면, 에테인이 금속 표면에 흡착하 분한 에너지를 갖는 빛의 최대 파장을 결정하시오. 이 빛은 전 는 것을 기대할 수 있는가? 만약 그렇다면, 에테인은 에텐에 자기 스펙트럼의 어느 영역에 해당하는가? 비하여 얼마나 강하게 결합하겠는가? (b)표에 주어 진 데이터로부터 반응 3과 4의 촉매 반응에 대한 정 (b)Lewis 구조를 고려하였을 때, 암모니아가 에텐과 유사하게 금 속 표면에 흡착할 것으로 예상하는가? 량적인 에너지 도표를 그리시오. (c)결합 엔탈피를 이용하여, 반응물인 CH4(g) 1 Cl2(g)가 (b)에서 실험 설계 문제 우리가 흔히 생각하는 가상적인 반응, a A 1 b B c C 1 d D에 대한 트럼을 얻을 수 있는 적절한 실험 장치를 제공받았다(14.3절의 “자세히 화학 반응 속도론을 고찰해 보자. 모든 물질은 물에 용해되며 수용액 보기”에 나타낸 분광학적 방법의 이용 참조). 위 반응에 대한 반응 속도 내에서 반응이 진행된다고 가정한다. 물질 A와 C는 가시광선을 흡수하 론을 알아내기 위해서 실험을 설계해 보도록 하자. 며 각각 510 nm, 640 nm에서 최대 흡수가 일어난다. 물질 B와 D는 색 (a)실온에서 반응의 속도 법칙과 속도 상수를 결정하기 위해 어떤 실 이 없다. 학생들에게 네 물질의 순수한 시료가 제공되었고, 학생들은 험들을 수행해야 하겠는가? 속도 법칙을 구하기 위해 화학량론적 물질의 화학식을 모두 알고 있다. 또한 학생들은 가시광선 흡수 스펙 상수 a와 c의 값을 알아야 하는가? Brown15_CH14(0637-0696).indd 695 2022-12-23 오전 11:32:26 제 15 판 제 15 판 일반화학 Brown Lemay Bursten Murphy Woodward Stoltzfus 2 일반화학 화학교재연구회 옮김 일반화학 Chemistry The central science 제 15 판 2 화학교재연구회 옮김 1, 2권 세트 55,000원 ISBN 979-11-5808-418-9 ISBN 979-11-5808-419-6 (세트) 9 791158 084196 93430 Brown · Lemay · Bursten · Murphy · Woodward · Stoltzfus Chemistry The central science