아낌없이 주는 나무

1. 물질의 특성

가. 물질과 물체

 ① 물질(物質, Substance)의 고전적 정의는 물체를 이루는 존재를 말하며 공간을 채우고 질량을 갖는 것을 말한다.

      즉, 부피와 질량을 함께 가져야 한다. 예) 나무, 쇠, 유리 등

 ② 물체(物體, object)는 물질로 이루어진 하나의 사물을 의미한다. 물체는 무게와 형태를 갖는다.  예를 들어 하나의 물체

      로 다루어지는 야구공은 여러 종류의 물질들로 이루어진 사물이다.  예) 책상, 거울, 축구공, 선풍기 등

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나. 물질의 성질 (물리적 성질과 화학적 성질)

 ① 물리적 성질 : 물질 자체가 갖고 있는 특유한 상태로서 그 물질을 동일한 외적 조건에 두면 항상 동일한 성질을 나타내

                            며, 시료의 크기나 분할 방법에는 별로 영향을 받지 않는다. 물리적 성질로서의 밀도, 녹는 점, 끓는점,

                            전도율, 열전도율, 점성도, 결정의 쪼개짐면 등은 높은 정밀도로 측정할 수 있다

   ※ 물질의 고유 특성은 변화없이 상태만 변할 때 나타나는 성질.  예 : 밀도, 녹는점, 끓는 점, 어는 점, 색 및 용해도 등

  ㉠ 물질의 상태 변화

   ⊙ 진동운동 : 입자를 구성하는 단위입자 사이의 거리가 늘었다, 줄었다 하는 운동 (고체의 주요 열운동)

   ⊙ 회전운동 : 입자의 무게 중심을 축으로 회전하는 원운동 (액체의 주요 열운동)

   ⊙ 병진운동 : 입자가 평행이동할 때와 같은 직선운동. 즉, 평행이동을 하는 운동 (기체의 주요 열운동)

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 ※ 입자 : (粒子, particle, corpuscule)는 물리적 · 화학적 성질을 가진 작은 물체이다. 원자보다 작은 아원자 입자, 원자

               몇 개 단위로 구성된 미시적 크기의 미립자, 거시적 크기의 밀가루와 같은 입자 등으로 나뉜다.

               물리학에서 입자는 점과 같이 작거나 크기가 없는 역학(mechanics) 운동의 기본 단위를 말한다. 이상적으로는

               크기가 없고 질량, 위치와 속도등의 성질만을 갖는다. 때때로 물질의 기본 단위를 일컬으며 이를 기본입자 또는

               소립자라고 부르기도 한다.

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[참고] 다음에서 일어나는 현상들의 상태변화를 구분하라.

   ⓐ 양초의 촛농이 흘러 내리며 굳어 버린다. (응고)

   ⓑ 풀잎에 맺힌 이슬이 한낮이 되면 사라진다. (기화)

   ⓒ 차창가에 물방울이 맺힌다. (액화)

   ⓓ 옷장 속의 좀약의 크기가 조금씩 작아진다. (승화 : 고체 → 기체)

   ⓔ 늦가을 맑은 날 아침, 들판에 서리가 내린다. (승화 : 기체 → 고체)

  ㉡ 물의 상태 변화와 삼상태 ★

    ⓐ 물의 현열 : 100 cal/g

    ⓑ 얼음의 융해열 (잠열) : 80 cal/g

    ⓒ 물의 기화열 (잠열) : 539 cal/g

    ⓓ 물의 비열 : 1 cal/g · ℃

    ⓔ 얼음의 비열 : 0.5 cal/g · ℃

    ⓕ 수증기의 비열 : 0.47 ~ 0.5 cal/g·℃

 ※ 현열(顕熱)은 물질을 가열이나 냉각했을 때 상변화없이 온도변화에만 사용되는 열량이다.

     잠열(潛熱)은 숨은열이란 뜻이다. 어떤 물체가 온도의 변화 없이 상태가 변할 때 방출되거나 흡수되는 열을 말하며 증발

                           과 응결에 의해 발생하는 열로써 물이 수면이나 습윤한 흙의 표면으로부터 증발할 때 열에너지가 수증기

                           속으로 들어가는 현상으로 나타난다.

     비열용량(比熱容量, Specific heat capacity) 또는 비열은 단위 질량의 물질 온도를 1도 높이는데 드는 열에너지를 말한

                          다. 비열은 물질의 종류에 따라서 결정되는 상수이며, 밀도, 저항률 등과 같이 물질의 성질을 서술하는 데

                          중요한 물리량이다.1kg의 물의 온도를 1°C만큼 올리는 데 필요한 열량은 1kcal이므로 물의 비열은 1이 된

                          다. 그러나 비열은 단순한 숫자가 아니라 단위를 갖는 양이다. 1kg을 1°C 올리는 데 필요한 칼로리수가

                          비열이므로 비열의 단위는 kcal/kg·°C이다

   * 현열 : Q = mC△t, 잠열 : Q = mγ , 비열 : C = Q/m△t

      여기서, Q : 열량 (cal), C : 비열 (cal/℃), m : 질량 (g), △t : 온도차 (℃), γ : 잠열 (cal/g)

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 ② 화학적 성질(化學的性質, chemical property) 또는 화학적 특성(化學的 特性)은 어떤 물질의 화학 반응 도중, 또는 화학

                  반응이 일어난 후에 명백히 드러나는 성질이며, 그 물질 자체가 바뀌지 않는 이상 변하지 않는다. 즉, 화학적

                  성질은 그 물질을 단순히 보거나 만지는 것만으로는 알 수 없고 는 것이다. 물질의 화학적 성질을 알기 위해서는

                   그 화학 구조를 살펴보고, 구조에 화학적 변화를 줘봐야 알 수 있다.

   예 : 화합, 분해, 치환, 복분해, 반응열, 엔탈피 등

           → 수소와 산소가 반응하여 물을 만들 때 반응 전후의 수소와 산소를 만들 수 없다.

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다. 물질의 분류

        따라서 1 mol을 amu 단위와 관련시키면 다음과 같다.

                    1 mol = 6.022137 × 1023 amu (아보가드로 수)

  ex : 칼슘 (Ca)의 원자량을 40.08로 정한 것은 칼슘이 탄소 - 12 에 비해 (40.08/12) = 3.38 배 무겁다는 것이다.

 ② g 원자량 : 원자량에 g을 붙여 나타낸 값, 즉, 원자 6.022 × 1023개의 질량을 그 원자의 1g 원자량이라 한다.

     ex : 탄소(C) 1g 원자량는 12 g 이다.

 ※ 아보가드로 수 : 아보가드로는 기체 1 mol (22.4ℓ)에는 모든 기체 분자가 6.022137 × 1023 amu (아보가드로 수) 만큼

                               존재한다고 했다. 따라서 모든 기체분자 1 mol에는 같은 수 만큼 기체 분자가 존재하므로 각각의 기체

                               1mol의 질량은 분자량에 g를 붙인 것과 같다. 이를 1g 분자량이라 한다.

 ③ 원자량을 구하는 방법

   ㉠ 듀롱페티 (Dulong-petit)의 법칙 (금속의 원자량 측정) : 고체 물질의 원자량 측정에 사용하는 근사적인 실험값이다.

       ⊙ 원자량 × 비열 ≒ 6.4

   ㉡ 원자가와 당량으로 원자량을 구하는 방법 : 원자가 × 당량 = 원자량

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나. 분자량 ( 分子量, Molecular weight, molecular mass)

  ① 분자량 분자량(分子量, molecular weight 또는 molecular mass)은 원자 질량 단위로 나타낸 분자의 질량을 말한다.

       분자 질량(分子質量)이라고도 하며, 탄소-12를 기준으로 한 상대적 질량이므로 상대 분자 질량이라고도 한다.

       : 상대적인 질량을 나타내는 분자량도 원자량 처럼 수치로 표시한다.

  ※ 분자량 : 각 분자를 구성하는 원소의 원자량을 합한 것이 분자량이다.

   ⊙ H2 분자량 = 2 (H의 원자량) = 2 × 1 = 2

   ⊙ H2O 분자량 = 2 (H의 원자량) + (O의 원자량) = 2 × 1+ 16 = 18

   ⊙ NH3 분자량 = (N의 원자량) + 3 (H의 원자량) = 14 + 3 × 1 = 17

  ② g 분자량 (mol) : 분자량에 g 단위를 붙여 질량으로 나타낸 값으로서 6.02 × 1023 개의 분자의 질량을 나타낸 값이며

                                 분자 1 mol 의 질량을 말한다.

    ex : O2 : 1 mol (1g 분자량) = 32 g, 2 mol (2g 분자량) = 64 g

           CO2 : 1 mol (1g 분자량) = 44 g, 2 mol (2g 분자량) = 88 g

 다. 몰 (mole)

   ▣ 물질의 양을 표현하는 단위로 1 몰 (mole)이란 원자, 분자, 이온의 개수가 6.02 × 1023개 (아보가드로수)개 일 때의

        부피를 말한다. 기체의 경우 이 양은 22.4ℓ 이고 이는 기체의 종류에 관계없이 일정하다.

예제 2 : 64g 의 메탄올이 완전연소되면 몇 g의 물이 생성되는가 ?

   [문제풀이] 먼저 메탄올의 완전연소시 화학반응식을 세워 보자.

                     2CH3OH   +   3O2    →    2CO2    +    4H2O

             1mol 의 CH3OH는 32g 이므로 64g의 메탄올은 2mol이다.

              또한 1mol의 H2O는 18g이다. 이제 계수비를 이용하여 생성물의 질량을 알아보자.

              2 mol의 CH3OH이 반응하면 4mol의 H2O 생성되고 1mol의 H2O 질량이 18g 이므로

              완전연소로 생성되는 물 (H2O)의 질량은 4 × 18 = 72 g 이 된다.

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6. 화학반응식과 화학양론

가. 화학반응식

  ① 화학식 : 화합물을 구성하는 원소들을 간단한 원소기호로 나타낸 것으로 구성 원소의 수와 종류를 나타낸 식을 말한다.

       ex : 실험식, 시성식, 분자식, 구조식

  ② 화학반응식 : 화학반응에 관여하는 물질을 화학식으로 표시하여 반응식으로 나타낸 것으로 반응물 (reactants)과 생성

                            물 (products)의 관계를 기호로 나타낸 식이다.

   ※ 화학반응식을 통해 알 수 있는 내용

     ⊙ 반응물 (반응하는 물질), 생성물 (생성되는 물질)

     ⊙ 화학반응을 하는 물질들의 화학양론적 관계

     ⊙ 물질의 상태

  ㉠ 화학반응식에서는 반응물을 화살표 왼쪽에, 생성물을 화살표 오른쪽에 표기한다.

       반응물 + 반응물 → 생성물 + 생성물

  ㉡ 기본식을 세운다. (반응물과 생성물의 분자식을 표기한다)

        프로판 (C3H8)과 산소 (O2)의 반응을 가정하면

        C3H8 + O2 → CO2 + H2O

   ㉢ 양변 각각의 원자수가 같도록 계수를 맞춘다.

        a C3H8 + b O2 → c CO2 + d H2O

       C : 3a = c

       H : 8a = 2d

       O : 2b = 2c + d

       미지수가 4이고, 식이 3개 이므로 임의의 a를 1로 놓고 계산한다.

         ∴ a = 1, b = 5, c = 3, d = 4

   ㉣ 계수를 정수로 맞춘다.

        C3H8 + 5 O2 → 3 CO2 + 4 H2O

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예제1. C3H8 (g) + 5O2 (g) → 3 CO2 (g) + 4 H2O (ㅣ) 반응식에서 2.3 mol 의 C3H8 이 연소할 때,  다음 물음에 답하시오.

  ① 필요한 O2 의 몰수를 구하시오.

       1 mol : 5 mol = 2.3 mol : x x = 2.3 × 5 = 11.5 mol

  ② 생성되는 CO2의 몰수를 구하시오.

       1 mol : 3 mol = 2.3 mol : x x = 2.3 × 3 = 6.9 mol

예제 2. 다음 반응식을 이용하여 리튬 6.5 mol로 부터 생성되는 산화리튬의 질량을 구하시오.

        4 Li (s) + O2 (g) → 2 Li2O (s)

       * 리튬(Li) mol 질량 : 6.941 g/mol, Li2O : 13.882+16 = 29.882 g/mol

    [문제풀이] 4 : 2 = 6.5 : x 4x = 6.5 × 2 x = 13/4 = 3.25 mol

                     산화리튬 질량 = 29.882 × 3.25 = 97.1165 ≒ 97.12 g

나. 화학방정식을 이용한 계산

   ① 반응물질과 생성물질을 확인한다.

   ② 반응에 관여한 물질의 화학식과 물질의 상태를 쓴다.

   ③ 화학반응식을 완성한다. (계수를 맞춘다)

   ④ 분자량과 mol수를 사용하여 mol을 g으로 환산하고 g을 mol로 환산한다.

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예제. 프로판(propane) C3H8을 산소 (O2) 중에서 연소하면 다음 식과 같이 이산화탄소 (CO2)와 물 (H2O)이 생성된다.

          다음 물음에 답하시오.

          C3H8 + 5 O2 → 3 CO2 + 4 H2O

  ① 22g의 프로판이 연소하면 몇 mol의 이산화탄소가 생성되는가 ?

       1 mol의 프로판(C3H8)의 질량 : 12 × 3 + 1× 8 = 44g

       1 mol : 3 mol = 0.5 mol : x x = 1.5 mol ∴ 이산화탄소 CO2 1.5 mol

  ② 22g의 프로판이 연소되면 몇 g의 물이 생성되는가 ?

       1 mol : 4 mol = 0.5 mol : x x = 2 mol 물(H2O) 1mol의 질량 : 18 g/mol

       물 2 mol 의 질량 = 2 × 18 = 36 g

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다. 화학양론 (한계반응물과 이론적 수득량 및 실제 수득량)

  ① 화학양론 (stoichiometry) : 화합물을 이루는 원소들의 구성비를 수량적 관계로 다루는 이론 (반을물과 생성물 간의

                                                   정량적 관계)

   ㉠ 일정성분비의 법칙 (화합물을 구성하는 각 성분 원소의 질량비는 일정하다)

   ㉡ 배수비례의 법칙 (2종의 원소가 2종 이상의 화합물을 형성할 때 한쪽 원소의 일정량과 결합하는 다른 쪽 원소의 질량

        에는 간단한 정수비가 성립되는 것)

  ② 과잉반응물 (excess reactant) : 한계반응물과 반응하고 남은 반응물, 즉 이론량 보다 많은 양의 반응물이 첨가된

                                                          반응물

  ③ 한계반응물 (limiting reactant) : 반응을 종료한 후 미반응물이 없는 반응물, 즉 전부 다 반응하는 반응물로 이론량

                                                            만큼 첨가된 반응물

  ④ 화학양론을 이용한 계산

    ㉠ 반응물질과 생성물질을 확인한다.

    ㉡ 반응에 관여한 물질의 화학식과 물질의 상태를 쓴다.

    ㉢ 화학반응식을 완성한다. (계수비를 맞춘다)

    ㉣ 한계량에 맞추어 구하려는 생성물의 양을 구한다.

    ㉤ 분자량과 mole 수를 사용하여 mole을 g으로 환산하고 g을 mole 로 환산한다.

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 [예제] 16.0 g의 CH4 가 48g의 O2와 반응에 의해 생성하는 CO2의 양(g)은 ?

           CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O

    [문제풀이] 16.0 g의 CH4 = 1 mol CH4 , O2 1mol의 질량 = 32g/mol, 2mol = 64 g

                      O2 48g = 1.5 mol, O2 1.5 mol과 반응할 수 있는 CH4 mol 수는 ?

                      1 : 2 = x : 1.5, x = 1.5 / 2 = 0.75 mol

                      CH4 0.75 mol 반응시 CO2 생성 mol 수는 ? 0.75 mol

                      CO2 0.75 mol 의 질량은 44 × 0.75 = 33 g

     ※ 생성되는 CO2의 몰수는 한계반응물인 O2가 결정

          1 mol의 CH4 와 반응하는 O2는 2 mol 이며, 1.5 mol의 O2와 반응하는 CH4는 0.75 mol 이다.

           따라서 한계반응물은 O2, 과잉반응물은 CH4 이다.

라. 화학방정식으로 부터 이론공기량 구하기

  ▣ 연소란 열과 빛을 동반한 산화반응이라고 정의되는 것 처럼 연소와 산화라는 단어는 화재화학 영역에서는 어느 정도

       동의어적 의미로 사용되고 있다. 일반적으로 메탄의 연소상태를 설명할 때 공기중의 산소와 결합하여 생성물로서

       이산화탄소와 물이 생성되는 화학방정식은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

       CH4 + 2O2 → CO2 + 2 H2O

       이와같은 화학방정식에서 1몰의 메탄이 2몰의 산소와 반응하여 1몰의 이산화탄소와 2몰의 물이 생성된다는 것을

        알 수 있다. 즉, 이론적으로 요구되는 산소량과 공기량을 구할 수 있는 것이다.

       만약, 16g의 메탄이 연소하는데 필요한 이론적 공기량을 구하고자 한다면 다음과 같다.

       16 g 메탄은 1mol 이므로 16g의 메탄을 연소시키는데 필요한 O2는 2mol이 필요하다.

       공기중에 산소가 21%라고 한다면 2mol의 산소를 얻기 위한 공기량은 2 × 100/21 = 9.52 mol이 된다.

        공기의 1mol의 질량은 28.84 이므로 9.52 mol의 질량은 28.84 × 8.52 = 274.56 g이다.

        이와 같은 방법으로 아보가드로의 법칙에 의해 각각의 생성되는 CO2 및 H2O의 양도 g, ℓ, 분자 수의 개수 등의 단위

        로 얼마든지 환산하여 낼 수 있다.

  ◈ 16g의 메탄이 연소하는데 필요한 이론적 O2의 양(ℓ)은 ?

       CH4 + 2O2 → CO2 + 2 H2O

       메탄 16g 즉, 1 mol의 메탄을 완전 연소시키는데 필요한 산소는 2 mol 이고 산소 1 mo은 22.4 ℓ 이므로 O2 2 mol은

        44.8 ℓ 이다.

  ◈ 16g의 메탄이 연소하는데 필요한 이론적 O2의 분자개수는 ?

       CH4 + 2O2 → CO2 + 2 H2O

       메탄 16g 즉, 1 mol의 메탄을 완전 연소시키는데 필요한 산소는 2 mol 이고 산소 1 mol 부피속 에는 산소 분자가

        6.02 × 1023 개 들어 있므로 O2 2 mol 속에는 6.02 × 1023 × 2 = 12.04 × 1023 개의 O2의 분자가 들어 있다.

  ◈ 16g의 메탄이 연소하면 생성되는 CO2의 분자개수는 ?

       CH4 + 2O2 → CO2 + 2 H2O

       메탄 16g 즉, 1 mol의 메탄을 완전 연소하면 CO2는 1 mol 이 생성되고 CO2 1 mol 부피속 에는 이산화탄소 분자가

       6.02 × 1023 개 들어 있다.

  ◈ 16g의 메탄이 연소하면 생성되는 물(H2O)의 분자개수는 ?

        CH4 + 2O2 → CO2 + 2 H2O

       메탄 16g 즉, 1 mol의 메탄을 완전 연소하면 H2O는 2 mol 이 생성되고

       H2O 1 mol 부피속 에는 이산화탄소 분자가 6.02 × 1023 개 들어 있다.

       H2O 2 mol 속에는 6.02 × 1023 × 2 = 12.04 × 1023 개의 H2O 분자가 들어 있다.

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 [예제] CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O 인 메탄의 연소반응에서 메탄 1 ℓ 에 대해 필요한 공기 요구량은 약 몇 ℓ인가 ? (단, 0℃,

           1atm이고, 공기 중의 산소는 21%로 계산한다.)

           CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O

  [문제풀이] 메탄 (CH4) 1몰을 완전연소하는 완전연소하는데 산소(O2) 2 mol이 필요하고 공기중에는 산소(O2)가 21 %

                    존재하므로 메탄 (CH4) 1 mol을 완전연소하는데 요구되는 공기량은 2 mol × 100 / 21 이다.

        ∴ 메탄 (CH4) 1 ℓ를 완전연소하는데 요구되는 공기량은