아낌없이 주는 나무

▣ Ka는 산 이온화(해리) 평형상수 (acid ionization constant)

▣ 대부분의 산은 약산 (weak acid)으로 물에서 작은 비율로만 이온화된다.

▣ 평형상태에서 약산의 수용액은 이온화되지 않은 산 분자(대부분)과 약간의 하이드로늄

     이온 및 약산의 짝염기로 구성된다.

▣ 약산이 이온화 되는 정도는 산의 농도(Concentration)와 이온화에 평형상수 (equilibrium constant),

     즉 산 이온화 상수(Ka)에 의존한다.

▣ 산은 산의 acid 때문에 HA라고 쓴다. 왜냐면 산은 물에 녹아서 H+가 나올 것이고

     acid는 여기서 A- 이렇게 쓰고 산이 H+를 내놓아 H3O+가 되고 A- 가 이 산의 짝염기가 된다.

     순수한 액체는 활동도가 "1"이기 때문에 평형상수식에 넣지 않는다. 그러므로 이온화되는

    반응의 평형상수는 Ka라고 쓰는 이유는 acid 즉, 산이 이온화되는 반응의 K 평형 상수라는 것을

    표현하기 위해 Ka라고 쓴다.

    평형상수식에서 분모가 HA이고 분자가 H3O+가 되고 A-로 이온화되는 과정이라고

    생각하면 된다. 산의 이온화 상수 Ka는 분모에 HA 그리고 H3O+가 분자가 된다. 이렇게

    하이드로늄 이온상태로 존재하지만 H+라고 써도 상관없다. A-라고 쓰면 되는 것인데

    이 때 Ka를 산의 이온화 해리 상수라고 한다. 산은 대부분 강산 족보만 외웠는데 강산을

   외울 수 있도록 반복하겠다. 즉 HCl < HBr < HI 이 3개는 강산이고 그 다음 산소 개수 빼기

    수소개수가 2보다 크거나 같은 경우 강산이다. 이 족보에 들어가지 않은면 모두 약산이다.

   그래서 약산의 종류가 몇 천가지 이상으로 많다. 약산은 물에서 아주 작은 비율로만 이온화되니까

   정반응, 역반응이 모두 일어 나므로 평형상수를 쓸 수 있다.

  실제 평형상수 상태에서 약산의 수용액은 거의 이온화가 안되고 약산 물질로 남아 있기

  때문에 약간의 아이드로늄 이온 그리고 약산의 짝 염기로 구성된다. 약산의 이온화 정도는

  산의 농도와 이온화에 대한 평형상수 즉, 산의 이온화 상수에 의존한다.

​

▣ 일반적으로 널리 사용되는 약산들의 25[℃]에서 이온화 상수

위 식은 원래 이차방정식의 근의 공식으로 풀어야 하는데 x2이 0.5가 분자에 곱해지면

7.1인데 0.5가 곱해지니까 3×10-4가 된다. x2이 10-4이니까 x는 10-2가 될 것이고

그렇게 생각하면 0.5보다 약간 작을 것으로 추정된다. 따라서 단순화 계산법 또는 근사

법이라고 한다. Ka값이 작다면 곱해진 상수를 생각해서 x2의 값을 예측했을 때 그 값은

10-2 가 되어 0.5보다 5[%] 보다 작을 것 같다는 확신이 든다면 0.5 - x를 0.5로 쓸 수

있을 것이다. x를 구해 보면 1.9 × 10-2 이다. 1.9 × 10-2 값은 계산해 보면 거의 같다.

​

다. 단순화 계산 (근사법)

▣ 단순화 계산법 (5% rule)은 x의 크기가 산의 초기농도의 5[%] 보다 작을 때 사용 가능

▣ 실제로 x의 계산된 값이 초기 산 농도의 5[%] 보다 작으면 이차방정식 근의 공식을 사

    용한 것과 차이가 거의 없음

▣ 초기 농도가 높을 경우 (0.5M)일 때는 단순화 계산이 가능하나 초기 농도가 낮은(0.050 M) 경우 사용 불가능

▣ 일반적으로 농도가 묽은 용액일 수록 이온화 정도가 더 크다.

▣ 근사값으로 계산한 때와 근의 공식으로 푼 것과 값이 거의 유사하다.

     앞에서 x 값이 1.9 × 10-2 이니까 HF 값이 0.48 남아 있고 H3O+ 와 F-는 0.019이니까

     -log를 붙여서 PH값은 1.72이다. 이렇게 계산할 수 있다.

▣ 단순화 계산법에서 제일 중요한 것은 변화량 x의 크기가 산의 초기 농도의 5[%] 보다

     작을 때만 쓸 수 있다. 그런데 0.05 M인 HF 묽은 용액에 대하여 x를 풀면 6.0 × 10-3

     M이 된다. 이는 12[%]가 되므로 근사법을 사용할 수 없다.

​

라. Ka를 이용한 PH 계산

  예제) 아이포아염소산 (HClO)의 Ka는 3.5 × 10-8 이다. 25[℃] 에서 0.0075 M인 HClO

           용액의 PH를 계산하시오.

   ▣ 평형문제는 반응표를 쓰는 것이 중요하다.

마. PH를 이용한 Ka 계산

▣ 약산 용액의 PH를 사용하여 Ka의 값을 결정할 수 있음

▣ 어떤 약산 HA 0.25 M 용액의 PH가 25 [℃]에서 3.47 일 때 이 약산의 Ka를 구하시오.

▣ 약산이 있다. 약산은 이 HA이다. 약산이 이온화되어 짝 염기 A-가 나오고 이 짝염기는

    물에 넣었을 때 물에서 H+를 받아서 다시 약산 HA로 복귀한다. 결국 짝 염기는 물에 녹

    으면 다시 약산 HA로 회복이 된다. 따라서 어떤 산과 이 산의 짝 염기, 이 둘의 이온화식

    2개를 더하면 물 2개가 H+와 OH-로 해리되고 합은 물이 이온화 되는 것이다.

   위의 오른쪽 식은 약 염기가 이온화되는 과정을 나타낸 것이다. 물에서 H+를 받아서

   HB+가 되고 OH-를 만들었다. 따라서 이 염기의 짝산이 된다. 이 짝산이 이온화되는 것

   을 쓰면 짝산이 원래대로 회복하는 것이 된다.

   이 둘을 합하면 자동 이온화가 되고 Ka × Kb = Kw 가 된다.

   어떤 산 그리고 그 산의 짝염기 산의 이온화 상수, 짝 염기의 이온화 상수를 곱하면

   항상 물의 이온곱 상수인 1 × 10-14이 된다. 그러므로 기본적으로 산의 Ka값과 염기의

   Kb를 곱하면 1 × 10-14 이다.

​

4. 완충용액

가. 공통이온효과 (아세트산과 아세트산소듐의 혼합용액)

▣ 아세트산은 CH3COOH, CH3CO2H로 쓴다. 아세트산 소듐은 아세트산에서 H가 떨어

    지고 대신에 Na+가 붙은 것이다. CH3COONa이다. 용해도 규칙에서 강조했듯이 일단

    Na가 있다는 것은 CH3COO-와 Na+가 있는데 Na가 있으면 100[%] 이온화 된다.

    1족 원소와 암모늄이 있으면 무조건 100[%] 이온화 된다. 따라서 CH3COONa는

    100 [%] 이온화 된다.

▣ 공통이온효과는 예를 들어 하나의 플라스크 안에 아세트산 100개와 아세트산 소듐

    100개를 넣게 되면 다음과 같이 이온화된다.

    CH3COONa → Na+ + CH3COO-

    화살표 하나로 쓴 것은 100[%] 이온화 되기 때문이다. 똑같은 물에 지금 똑같은 플라

    스크 속에 아세트산이 있다.

    CH3COOH + H2O ↔ H3O+ + CH3COO- 가 생긴다.

    여기에서 공통 이온효과라는 것은 원래 아세트산은 물에 잘 녹지 않는다.

    만약 아세트산을 10개 중에 20개가 이온화되고 80개가 남아 있는 것이 정상인데 약산인

    아세트산은 같은 플라스크 내에 아세트산나트륨이 들어가 있어서 Na는 100[%]

    이온화 되므로 아세트산도 100[%] 이온화 되어 버린다. 아세트산이 쪼개져서

    CH3COO- 를 만들려면 원래 80개는 이온화되지 않고 20개만 이온화되는데 플라스크

    안에 이미 100개의 CH3COO- 가 있어서 아세트산은 20개만 있고 싶은데 100개는

    아세트산 입장에서는 너무 많이 이온화된 것이다. 이런 경우 르샤틀리에 원리에 의해서

    플라스크 안에 CH3COO- 가 너무 많으니까 플라스크에 남아 있을 수가 없어서 이온화가

    어떤 식으로 변하는가 하면 아무 것도 없었다면 이온화될 20개가 공통 이온 즉,

    CH3COO- 가 너무 많으니까 역반응을 많이 하게 된다. 원래 20개가 이온화가 되려하고

    역반응이 훨씬 많이 일어나게 되어 CH3COOH 는 99개 남아 있고 H3O+와

    CH3COOH- 는 1개씩만 발생하게 된다. 따라서 완충용액을 만들면 플라스크에 넣은

    산이 그대로 남아 있게 된다. 짝염기도 100[%] 이온화되니까 그대로 99개가 남아 있으니

    100개가 있는 것이나 거의 마찬가지이다. 이 용액에 H3O+ 염산을 10개를 떨어뜨리면

    이 H+는 CH3COO- 와 바로 결합을 하여 CH3COOH로 변한다. 이렇게 CH3COO-가

    용액 속에 남아 있지 못하게 한다. 이렇게 바로 바로 이온화 되지 않은 상태로 회복시키니까

    산을 첨가해도 줄어들지 않는다. H+ 개수가 많아지면 PH가 줄어 들어야 하는데

    이 경우는 줄어들지 못한다. 그럼 이번에는 위 플라스크에 OH-를 10개 넣었다고 하자.

    아세트산은 100개 중에 20개가 이온화되고 80개가 남아 있어야 하는데 그런데 공통

    이온 때문에 이온화를 하지 못한다. CH3COOH 는 이온화가 20개가 되어야 하는데

    공통 이온 때문에 1개 밖에 못한 상황이었는데 즉, 산이 이온화되고 싶었는데 여기에

    OH-가 들어 온 상황이 된다. 그러면 이 산은 바로 이온화 되어 H+ 를 내놓아서 OH-를

    없애 준다. 즉, 이 용액에 OH-를 넣던 H+ 를 넣던 PH는 변화가 없게 된다.

    이런 현상을 공통 이온효과, 약산과 짝염기를 이용한 공통 이온효과로 PH 변화가 없는

    용액을 만들어 (거의 변화가 없는) 아주 미소한 PH 변화를 만드는 것을 완충용액, 버퍼

    솔루션이라고 한다.

​

나. 완충용액

  ▣ 완충용액 (Buffer solution) : 약산과 그것의 짝염기 (또는 약염기와 그것의 짝산)를 포함한 용액

  ▣ 완충용액은 혼합물이므로 산이나 염기의 적은 양의 첨가에 의한 PH의 변화에 효과적으로 저항할 수 있음

  ▣ 아세트산이 1.0 M이고 아세트산 소듐이 1.0 M인 용액에 0.1 [mol]의 HCl을 첨가하는 경우를 가정해 보자.

      (용액의 전체 부피는 변하지 않는다고 가정한다.)

   ⊙ 소량의 산이 첨가되면 강산(H3O+)이 아세트산 이온에 의해 완전히 소모되면서 약산(CH3COOH)으로 전환

       H3O+ (aq) + CH3COO- (aq) → CH3COOH (aq) + H2O (l)

   ⊙ 원래 강산을 넣는 것은 용액의 PH를 감소하게 한다.

   ⊙ 강산을 약산으로 전환하는 완충 용액의 능력은 PH에 대한 산 첨가의 효과를 최소화

▣ 염산을 첨가하기 전의 PH = 4.74 → 단지 0.08개만 변함

▣ 순수한 물 1[ℓ] 에 HCl 0.10 [mol]을 첨가했다면, PH는 7.00 에서 1.00까지 변했을 것이다.

​

다. 핸더슨 - 하셀 바흐식

  ⊙ log 항은 -1 부터 1까지의 값만 가질 수 있음

  ⊙ 완충용액의 PH는 그것이 포함하는 약산의 pKa와 차이가 한 PH단위 (1PH)보다 많을 수 없음

  ⊙ 완충용액의 범위는 PH = pKa ± 1

  ⊙ 원하는 특정 PH를 가지는 완충용액을 만들기 위해 우리가 적절한 짝 쌍을 선택 가능하게 함

▣ 첫째, pKa가 원하는 PH와 가까운 약산을 선택

▣ 둘째, 필요한 [짝염기] / [짝산] 의 비율을 얻기 위해 Henderson-Hasselbalch 식에 PH와 pKa 값을 대입

   ⇒ 이 비율은 완충용액을 만들기 위한 물량으로 전환 가능

5. 산 염기 적정

가. 강산 - 강염기 적정

  ▣ 산 염기 적정은 농도를 모르는 용액에 농도를 아는 용액을 넣어서 원래 농도가 얼마인지를 알아내는 과정을 말한다.

  ▣ 0.100[M] NaOH 용액을 0.100 [M] HCl [㎖] 이 들어 있는 플라스크에 넣는다고 가정해 보자.

▣ 위 그림에서 OH- 를 더하면 반응을 하여 남아 있는 H3O+ 는 줄어 들게 된다. HCl과 같은 양이 되면

     모두 반응을 해서 H3O+ 는 없어지게 되고 이 때의 PH는 7이 된다.

▣ 위 그림은 이를 그래프로 나타낸 것이다.

▣ 강산 - 강염기 적정의 적정곡선 (더해진 적정 제외의 부피 함수로서이 PH)

▣ 적정제인 0.100 M NaOH 은 부렛으로 부터 삼각 플라스크의 0.100 M HCl 용액으로 더해짐

 ▣ (+1), (-1) 이 만나면 물에 잘 녹는데 예외로 AgCl, AgBr, AgI는 물에 잘 녹지 않는다.

    (+2), (-2), Ehsms (+3), (-3) 이들이 만나면 침전물이 생긴다. 플러스(+)는 1족 원소

    와 암모늄 이온이 물에 잘 녹는다. 마이너스는 CH3COOH-, NO3-, ClO4- 등이 물에 잘 녹는다.

 ▣ 강전해질은 강산과 강염기 물질이 되고

 ▣ 약 전해질은 약산과 약염기 물질들이 많다.

​

2. 산(Acid)과 염기(base)

가. 아레니우스 (Arrhenius) 산

 ▣ 산이란 수용액 즉, 물에 녹였을 때 H+ 이온을 생성할 수 있는 물질을 말한다.

    ※ 아레니우스의 산과 염기의 한계는 물에 녹았을 때 산은 H+를 내놓고 염기는 물에

        녹았을 때 OH-를 내놓는다는 것인데 수용액이 아닌데도 산,염기를 나타내는 기체가 있다.

▣ 산의 일반적인 성질은 신 맛을 내고 푸른색 리트머스 시험지를 빨간색으로 변화시킨다.

▣ 금속의 이온화 경향이란 금속이 전자를 버리고 플러스(+)가 되고자 하는 성질을 말한다.

     예를 들면 아연과 염산을 반응시킬기 위해 염산용액에 아연을 넣었다 하면 염산용액은

      H+도 2개, Cl-도 2개 만들어 진다. 위 그림에서 안연은 수소보다 이온화 경향이 커서

     전자를 잘 버린다. 염산에 아연을 넣으면 아연은 기분이 나쁜 상황이 된다. 아연 보다

     이온화 경향이 낮은 수소가 플러스(+)가 되어 있기 때문이다. 그래서 아연은 전자 2개를

     내놓고 Zn2+가 되어 녹아 들어가게 된다. 2개의 Cl-는 이제 결합을 바뀌게 된다.

    수소는 전자를 받아서 H2 기체가 되어 기포가 생겨 날아가 버린다. 따라서 금속의 이온화

    경향에 수소가 들어가 있는 이유는 수소보다 왼쪽에 있는 것들은 산에 다 녹는 물질로

     수소기체를 발생시킬 수 있다. 반면 수소보다 오른쪽에 있는 물질들은 그렇지 못하다.

     산의 공통된 반응은 금속중에서 자신보다 반응성이 큰 금속들과 반응해서 수소(H2)기체를

     생성하는 것이 산의 공통된 특징이다.

▣ 산의 마이너스(-)와 염기의 플러스(+)가 만나서 생긴 부산물을 염이라고 한다. 산들은

    탄산이온과 반응하면 짝 바꾸기를 한다. H+, Cl-와 Ca2+, CO32- 는 물에 잘 안녹지만

    H+와 Cl- 이들은 서로 짝을 바꾸어 물에 녹게 된다. 이렇게 반응해서 탄산이 탄산이 되고

    이산화탄소가 되고 물이되는데 이 반응이 탄산수를 만들 때의 반응과정이다.

▣ 분필가루가 CaCO0이고 염산 HCl이 서로 반응하면 부글부글 끓게 되는데 이는 이산화

     탄소(CO2)가 발생하기 때문이다.

​

나. 아레니우스 (Arrhenius) 염기

▣ 수소는 가운데에 양성자가 하나 있고 바깥에 전자가 하나 있는데 H+가 되었다는 것은

    전자하나늘 버렸다는 것이다.

▣ 브렌스테드의 산은 양성자 (H+)를 줄 수 있으면 무조건 산이고 염기는 양성자 (H+)를

     받을 수 있으면 무조건 염기라고 한다. HCl은 산이다. H+를 내 놓는다. 그래서 물이 H+를

     받아서 H3O+가 되고 이 반응의 부산물인 Cl를 짝염기라고 한다. 어떤 산에서 플러스를 내놓고

     남은 부산물은 염기가 되는데 위 식에서 H3O+ 는 염기의 짝산이 된다.

  ※ H+는 가운데 양성자가 하나만 있어 다른 마로 프로톤이라고 부른다.

  ※ 물은 양성자(H+)를 줄 수도 있고 받을 수도 있어 양쪽성 물질이다.

▣ 화학물질의 산, 염기를 판별해 주는 것을 지시약이라 한다.

▣ 페놀프탈레인은 많이 쓰이는 지시약인데 산성과 중성에서는 무색인데 염기에서는 빨간색이 된다.

​

마. 지시약의 색 변화

▣ 강산의 종류에는 염산, 질산, 황산 등이 있는데 이들은 대부분 17족의 원소들로 구성된다.

▣ 염소보다 브롬이 브롬 보다 요오드가 이온화 경향이 크기 때문에 전자가 떨어지기 쉽다.

     염산보다 브로민화수소산, 아이오딘화수소산이 점점 더 강산이 된다.

▣ 산에는 산소가 있다. 산소와 수소가 있다. 산의 화학식에 산소가 들어 있는 산을 옥소에시드 산소산이라고 한다.

▣ 산소산은 특징이 정해져 있다. 산소산의 분자를 구성하는 산소의 수에서 수소의 수를 빼서 2보다 크거나 같으면

     강산이라고 한다. 전자의 비편재화를 통해 음이온이 안정화 되 는 정도가 커서 H+가 잘 떨어진다.

▣ 산소가 없는 비 산소산의 경우에는 예를 들어 HCN, HF 등이 있는데 염산을 기준으로

     하여 그 밑에 있는 원소들이 강산이다.

​

다. 강염기의 종류

▣ 강염기는 물에 녹으면 완전히 이온화되는 염기물질을 말한다. 보통 OH-가 있는 수산화,

    리튬수산화나트륨, 수산화칼륨 등이 있다. 1족과 2족 원소들로 구성되어 있다. 2족에서 위에 있는

    베릴륨(Be), 마그네슘(Mg)은 무시한다. 베릴륨(Be)은 금속이라기 보다  비금속의 성질을 많이 가지고 있어

    특이한 성질의 물질이다.

    마그네슘(Mg)은 수산화 마그네슘(MgOH2)인데 이 물질은 겔포스 형태로 먹는 위산

    중화제이다. 이 물질이 강염기라면 먹는 순간부터 혀부터 시작하여 단백질이 다 녹아야

    한다. 수산화마그네슘은 물에 너무 안 녹는 물질이라서 약한 염기로 작용한다.

​

라. 약산과 약염기

▣ 약산인 불산이 이온화 되는 과정을 보면 화살표가 양쪽으로 있다는 것은 정반응과 역반응이 함께

    일어난다는 것을 나타낸다. 불산은 분자 100개 중에서 물이 녹으면 10개 정도가 이온화된다.

▣ 암모니아는 물에서 수소를 떼와야만 물을 OH-로 만들수 있다. 암모니아도 물에 녹으면

     분자 100개 중에서 1.3개 정도가 이온화 된다.

​

마. 약산과 약염기의 종류

▣ 강산 기준 산소의 개수 빼기 수소 개수가 2보다 크거나 같다의 기준을 총족시키지 못하는 분자구조가 약산이다.

▣ 약염기는 암모니아(NH3) 기준이다. 암모니아에 에틸아민의 경우는 암모니아의 H하나에

    다른 원소가 온 것 것이다. 피리딘은 암모니아의 3개 H를 대헤하여 다른 물질이 고리

    형태로 결합한 것이다.

 ※ 약 염기는 간단하게도 기준이 암모니아다. 암모니아에 수소를 대신해 다른 물질이 결합

     하면 약염기가 되므로 뒤집으면 탄소화합물에 중간, 중간에 누가 바뀌었다면 산소와 수

     소로 된 탄화수소에서 알았듯이 탄소화합물 중간 중간에 질소가 있다면 이것은 암모니아에서

     온 물질이라서 약 염기라고 생각하면 된다. 따라서 DNA 염기는 왜 염기라고 부 를까?

     DNA 염기는 다음과 같은 분자구조이다.

​

바. 약염기의 특징

▣ 복잡한 탄소화합물 중간 중간에 질소가 있는 경우가 약염기이다. 즉, 탄소화합물에 질소가 있으면 모두 약염기가 된다.

   ※ 자연계에 있는 산염기가 몇 천만 가지이다. 구별법으로 식별하게 된다.

​

사. 강산과 강염기 구별법

▣ 강산은 산소한은 산소 개수 빼기 수소 개수 하여 이것이 2보다 크거나 같다.  HCl < HBr < HI 이다.

▣ 강염기는 1족 원소들로 구성되어 있다. 2족 원소중에서는 베릴륨(Be)와 마그네슘(Mg)은 아니다.

▣ 탄산수소나트륨은 NaOH와 H2CO3인 결합한 화합물인데 H2CO3가 탄산이다. NaOH는 수산화나트륨이다.

     탄산은 산소 3 - 수소2 = 1 이므로 약산이다. 수산화 나트륨은 강 염기이다.

     강염기와 약산이 만나서 남은 부산물이 탄산수소나트륨(NaHCO3)이니까  강한 쪽을 따라 간다.

     따라서 약 염기이다.

​

예제) 다음 산들이 강산인지 약산인지 쓰시오.

예제) NaClO는 산성일까, 염기성 물질일까 ?

▣ 이온결합물질은 NaOH + HClO 이렇게 산과 염기 물질이 만난 결합물이라고 생각하면 된다.

     NaOH는 강염기, HClO는 약산인데 강한 쪽을 따라가야 하므로 염기성을 띤다.  HClO는 락스이다.

​

아. 일반적인 산과 염기의 용도

▣ 산과 염기가 만나서 물을 만들고 이온 결합물을 만드는데 이 이온결합물질을 염이라고 한다.

     즉, 물과 염을 생성하는 것을 중화반응이라고 한다.

​

나. 중화반응의 모식도

▣ 중화반응이 왜 생기는가 ? H+가 있다. OH-가 마이너스이르로 H+ 하나를 주면 N+와 X-가 만나서 가열하면

     염이 결정으로 떨어지고 물이 증발하고 이런 중화반응이 발생한다.

예제) 처방전 없이 살 수 있는 제산제는 일반적으로 수산화 마그네슘 [Mg(OH)2] 현탁액이다.

         이 용액이 위산 (HCl, 염산)과 만나면 다음과 같이 중화반응 한다. 다음 중화반응 화 학식으로 쓰시오.

【 목 차】

1. 반응지수와 평형상수

2. 평형문제 해결

3. 평형이동 : 르샤틀리에 원리

4. 화학평형과 촉매

​

1. 반응지수와 평형상수

가. 반응지수의 정의

  ▣ 반응지수 (Qc)는 평형상수식에 현재 실험에서 측정된 실제 농도를 대입한 값을 말한다.

  ▣ 화학반응이 평형에 도달했는지의 여부와 앞으로 일어날 반응의 방향을 예측하는데에유용하다.

   ※ 근의 공식으로 풀었을 때 농도는 마이너스(-)가 될 수 없다. 값은 양수여야 한다.

​

3. 평형이동 : 르 샤틀리에 원리

가. 르 샤틀리에 (Le Chatelier)의 원리

  ▣ 평형에 있는 화학계가 자극을 받으면 전체 반응은 그 자극을 완화하는 방향으로 진행하여 다시 평형에 도달한다.

    ※ 화학반응의 평형은 동적 평형이기 때문이다.

  ▣ 이 때 "자극"은 다음의 방법에 따라 평형에 있는 계를 교란하는 것을 의미한다.

     A. 농도변화 (반응물 혹은 생성물의 첨가나 제거)

     B. 계의 부피 또는 압력 변화 (반응물과 생성물이 기체인 경우)

     C. 온도 변화

     ※ 농도, 부피, 압력 변화의 경우 평형상수 Kc, Kp는 불변이다. 온도를 변화시키면 평형상수는 변화한다.

  ▣ 질소를 첨가하여 농도를 2.05[mol]에서 3.51[mol]로 증가시키면 계는 더 이상 평형상태에 있지 않게 된다.

  ▣ 반응지수가 평형상수와 같지 않게 되므로 반응지수가 평형상수를 찾아 가도록 화학반응이 확대된다.

  ※ 평형상태에 있는 계에 반응물을 더 첨가하면 정반응을 통해 새로운 평형에 도달하게 된다.

       (농도 변화시 평형상수는 동일하다 !!!)

​

다. 농도변화 (반응물의 첨가)

   ▣ Qc가 Kc 보다 작기 때문에 반응은 평형에 도달하기 위해 정반응 (오른쪽)으로 진행

   ▣ N2와 H2 농도는 감소하고 (반응지수의 분모를 작게 함) NH3 농도는 증가 (반응지수의 분자를 크게함)

   ▣ Qc가 다시 Kc와 동일하게 될 때 까지 정반응이 우세하게 진행되고 계는 다시 새로운 평형 위치

        (equilibrium position)에 도달하게 됨

   ※ 고체는 평형상수를 쓰지 않기 때문에 S(s)를 첨가하면 평형이동과는 관계가 없다.

        즉, 평형이동에는 아무런 영향을 주지 않는다.

​

라. 부피와 압력의 변화

  ▣ 기체 물질의 압력(농도) 변화 = 반응용기의 부피 변화

  ▣ 비활성 기체 (반응에 참여 하지 않는 기체)의 첨가 : 평형위치에 영향 없음

      (전체 부피는 같기 때문에 반응물과 생성물의 농도는 변하지 않으므로 평형은 교란되지 않고

       평형 이동도 일어나지 않음)

 예제) 각 반응에 대해 반응용기의 부피가 감소할 때 어느 방향으로 평형이 이동하는지 예측하시오.

   ※ 기체의 몰수가 줄어드는 방향으로 반응이 일어난다.

  [풀이]

      (a) 반응물 쪽은 기체 1[mol], 생성물 쪽은 기체 2[mol] → 왼쪽으로 이동

      (b) 반응물 쪽은 기체 3[mol], 생성물 쪽은 기체 2 [mol] → 오른쪽으로 이동

      (c) 양쪽 모두 기체 2[mol] → 이동하지 않음

​

  예제) 다음 반응에서 생성물을 더 얻으려면 반응 용기의 부피를 어떻게 변화시켜야 하는가 ?

  [풀이]

   (a) CO2만 기체이다. 수득율을 증가시키기 위해서는 부피를 늘린다. (압력감소)

   (b) 기체가 반응물 쪽에 더 많이 있으므로 부피를 줄인다. (압력증가)

   (c) 반응식 양쪽의 기체 몰수가 같으므로 부피(압력)의 변화는 수득률에 아무런 변화를 주지 않는다.

​

마. 온도 변화

  ▣ 부피나 농도 변화는 평형의 위치 (즉, 반응물과 생성물의 상대적 양)를 변화시킬 수 있으나

       평형상수값은 변화하지 않는다.

  ▣ 온도의 변화만 평형상수를 변화시킬 수 있다.

 ▣ 발열반응이기 때문에 온도가 증가할 때 평형은 왼쪽으로 이동하고 온도가 내려가면 오른쪽으로 이동한다.

​

 예제) 온도의 증가가 각 반응의 평형상수와 밑줄친 물질들의 평형 농도에 어떤 영향을 줄지 서술하시오.

 [풀이]

   (a) 역반응 : [Ca(OH)2]와 평형상수는 감소할 것이다.

   (b) 정반응 : [CO2]와 평형상수는 증가할 것이다.

   (c) 정반응 : [SO2]는 감소하고 평형 상수는 증가할 것이다.

​

4. 화학평형과 촉매

  ▣ 촉매는 반응의 활성화에너지를 낮춰서 반응을 촉진한다.

  ▣ 촉매는 정방향과 역방향 반응의 활성화 에너지를 같은 정도로 낮추기 때문에 평형상수를

       바꾸지도 못하고 평형의 위치도 이동시키지 못한다.

  ▣ 평형에 있지 않은 반응 혼합물에 촉매를 넣으면 평형에 도달하는 시간만 짧아진다.

  ▣ 평형 혼합물에서 얻어지는 생성물의 양은 촉매의 유무화 상관없이 일정하지만 촉매가

      있는 경우 훨씬 시간이 단축되는 효과가 나타난다.

​

가. 촉매작용

 ※ 비가역 반응의 예로 이온결합 물질이 침전되는 경우로 이 앙금은 물에 잘 녹지 않아 앙금이 생기는 것이므로

      역반응이 거의 일어나지 않는다. 이 앙금의 경우에는 10-15 비율로 역반응이 일어난다.

 ※ 강산과 강염기가 만나 중화반응을 하는 경우로 강산과 강염기는 100[%] 이온화 할 수있는 물질이고

     이온화하여 H와 OH가 만나 물이 되는데 물은 자연상태에서 오억5천 오백만개 중의 하나만 역반응이 일어난다.

     약산인 아세트산 (CH3COOH)은 1.3[%] 만 이온화되어 불안정하다.

     즉, 약산이 들어 있는 물질의 중화반응은 불안정하여 물을  쪼개서 원래의 산으로 가려는 성향이 있어 가역 반응을 한다.

 ※ 비가역 반응에는 기체 생성반응으로 연소가 되어 날아가 버리는 경우와 금속이 산화되 는 반응이 있다.

​

2. 화학평형

가. 화학평형

  ▣ 정반응의 속도와 역반응의 속도가 같아져서 외부에서 보기에 변화가 없는 것 처럼 보이는 상태를 화학평형이라 한다.

  ▣ 포화용액의 동적 평형은 다 녹지 못한 용질과 용해된 물질 사이에 계속하여 왔다 갔다 하는 상태를 말한다.

​

다. 포화용액의 동적 평형의 예시

  ▣ N2O2 와 NO2 실험의 예를 많이 드는 이유는 색깔이 무색과 갈색으로 뚜렷하기 때문이다.

      무색인 비어커는 N2O2 만 있다는 것이고 갈색이 짙어진다는 것은 NO2 가 생긴 다는 것이다.

      평형상태는 반응물의 농도와 생성물의 농도가 같아지는 상태를 말한다.

  ▣ 평형은 초기에 반응물 또는 생성물만 있어도 도달이 가능하며 초기에 반응물과 생성물의 혼합물이

       있는 경우에도 상관없이 평형상태에 도달한다. 평형상태에는 반응물과 혼합물이 함께 있는 상태이다.

  ※ Kc 를 평형상수라고 부를 수 있는 이유는 반응물 농도와 생성물의 농도는 변하지 않으므로 일정한 값이 된다.

     분모는 반응물 농도, 분자는 생성물 농도이며 물질의 계수는 차수로 올려 지수가 된다.

      [   ]안은 몰농도이며 몰농도 제곱을 물농도로 나누었는데  단위에 몰농도가 남아있지 않은 것은 몰농도는

      단위가 없기 때문이다. 평형일 때 농도 그 숫자만 사용하기 때문이다.

​

나. 평형 농도를 이용한 평형상수 계산 (실험적 근거)

  ⊙ 평형 상수식에 단위가 없는 이유 : 사용되는 평형 농도가 사실은 농도/1M로 단위를 없앤 값이다. (활동도)

  ⊙ 순수한 고체나 액체의 경우 농도의 변화가 없으므로 활동도 = 1 로 한다.

  ⊙ 평형 상수식의 평형 농도 자리에 순수한 고체나 액체는 "1"을 사용하는 것이므로 식에 나타나지 않는다.

    ※ 위 화학반응식에서 기체와 고체가 만나서 기체가 되는 반응인데 이렇게 상이 다른  반응에서의 평형을

        불균일 평형이라고 한다.

4. 농도평형상수(Kc)와 압력평형상수(Kp)

가. 압력평형상수 (Kp)

  ▣ 반응물과 생성물이 모두 기체일 때 몰농도를 측정하는 것 보다 기체의 부분압력(atm)을 측정하는 것이 훨씬 간단하다.

   ⊙ 이 때에도 단위는 생략하며 실제로 평형상수식에 사용되는 기체의 부분압력은 기체의압력 / 1atm 인 활동도 값이다.

【 목 차 】

1. 화학반응속도

2. 속도 법칙과 반응 차수

3. 적분 속도 법칙 : 1차 반응

4. 적분 속도 법칙 : 2차 반응

5. 적분 속도 법칙 : 0차 반응

6. 반응 메커니즘과 속도 결정 단계

​

1. 화학 반응 속도

  ▣ 화학반응 속도는 단위시간동안의 반응물 농도 감소량 또는 생성물 농도 증가량으로 정의 된다.

  ▣ 언제나 양수인 값으로 단지 반응의 빠르기만 판별한다.

    ⊙ 반응물의 농도 감소량 = -(반응물의 농도 변화량)

▣ 화학반응식에서 A가 2개의 B로 변한다고 하면 한개의 반응에서 물질이 2개가 있는데

    예를들어 A가 10개가 없어지고 반응해서 B가 20개가 생긴다면 이 반응에 걸린 시간이

    10초라면 A를 기준으로 하면 반응속도는 10/10으로 1이 되고 B를 기준으로 하면

    20/10으로 2가 된다. 이는 반응물과 생성물의 속도 차이가 아니고 물질의 계수의

    문제이다. 따라서 똑같은 반응식에서 물질의 앞에 있는 계수가 다르면 항상 그 계수로

    나누어 반응속도를 산정한다.

    위 암모니아 생성식을 보면 질소는 그대로 적용하고 수소는 계수가 3이므로 1/3, 암모

    니아는 계수가 2이므로 1/2로 나누어 반응속도를 산정한다.

▣ 일반적인 화학반응에서 반응속도는 각 물질의 계수로 각 물질의 반응속도를 나누어 산정한다.

나. 일차 반응 반감기

  ▣ 반감기(half-life, t1/2)는 반응물 농도가 원래 값의 절반으로 떨어지는데 필요한 시간을 말한다.

  ▣ 농도와 무관한 일차 반응의 반감기와 다르게 이차반응의 반감기는 초기 반응물의 농도에 반비례한다.

6. 반응 메커니즘과 속도 결정단계

가. 반응 메커니즘 (reaction mechanism)

  ▣ 반응물로 부터 생성물까지의 실제 경로를 기술하는 단계별 반응의 순서

  ▣ 반응 메커니즘에서 하나의 단계는 단일 단계 반응 (elementary reaction) 또는 단일단계(elementary step)라고 한다.

▣ 용액은 균일 혼합물이다. 따라서 균일하게 섞지 못하면 용액이 아니다. 2가지 이상의

     성분이 균일하게 섞여 있으면 용액이라고 한다.

▣ 용해된 용질은 크기상으로 분자사이즈나 이온사이즈 즉, 크기가 1[㎚] 10-9[m] 이다.

     이 보다 작아야만 용액이라고 부를 수 있다. 이 보다 크면 분산계라고 하지 용액이라고

     부르진 않는다.

▣ 용액은 그 입자로 인해서 불투명한 상태가 생기진 않는다.

▣ 용질은 계속 녹아 있는 상태이고 순수한 균일 혼합물이 되기 위해서는 침전이나 분리되면 안된다.

▣ 분별 증류나 기화와 같은 물리적인 방법으로 용매와 용질을 분리할 수 있다.

​

2. 용해도

가. 용해도의 정의

▣ 용해도의 정의는 화학에서 10가지가 넘는다.

     가장 간단한 정의는 정해진 온도에서 용매에 최대로 녹일 수 있는 용질의 양으로 정의한다.

▣ 일반 화학에서는 몰 용해도를 많이 쓰는데 몰용해도는 용액 1[ℓ] 에 들어 있는 용질의 몰수로 나타낸다.

▣ 물과 기름은 잘 섞이지 않으므로 불용성이라 하고 용해도 측정의 의미가 없다.

  ※ 가용성 : 용매와 용질이 충분히 섞여서 서로간에 골고루 균일하게 섞일 수 있는 즉, 용액

                    이 될 수 있는 경우를 가용성이라고 한다.

​

나. 물질의 종류에 따른 용해과정

▣ (+), (-)이 만나면 녹는다(용해), (+2), (-2)와 (+3), (-3)들이 만나면 침전된다. (+1)이

    (-2), (-3)과 만나면 (+1)은 알칼리 금속이나 암모늄이면 무조건 녹는다. (+2), (+3)이

    마이너스(-1)과 결합하면 이 때 (-1)이 질산, 아세트산, 염소산이면 무조건 녹는다.

    (-1)중에 염화이온, 브로민화 이온, 아이오딘화 이온은 은, 수은, 납과 결합하면 침전된

    다. 황산은 녹는 경우가 반반이고 (-2)를 만나면 대부분 녹는데 (+1)도 녹지만 은은 녹지 않는다.

  ▣ 꿀은 당분과 물로 구성되어 있는데 벌이 당분을 가져와서 물이 전체 용액의 20[%] 가

      되도록 날개짓을 해서 물을 증발시킨 과포화 용액 중 하나이다. 꿀은 당도가 80[%] 이

      상이 되도록 하여 농도가 너무 높아서 상하지 않는다. 이 농도에서 살아 남을 세포가 없다.

​

마. 화학반응을 위해서 용액을 만드는 이유

  ▣ 몰농도가 제일 중요하다. 몰농도는 용액 1[ℓ]당 용질의 몰[mol]수로 나타낸다.

  예제) 350.0[g]의 12.3[% w/w] 수용액을 만들기 위해 필요한 Na2CO3의 질량을 구하시오.

▣ 총괄성은 용액에 녹아 있는 용질의 종류와 상관없이 입자의 개수가 몇 개냐에 따라

     좌우되는 용액만의 고유 성질을 의미한다.

▣ 용액은 증기압이 낮아지는데 설탕물을 예로 들면 용액 표면에 있는 입자가 증발하여

     증기압을 만드는데 설탕입자가 표면에 있으면 증발을 방해하여 증기압을 낮추게 된다.

▣ 증기압이 "1"일 때 온도가 끓는 점이라고 했는데 용액은 증기압이 낮아지니 끓는 점이 높아진다.

  ▣ 끓는 점이 오르는 특징은 용매가 물이냐 벤젠이냐, 아세트산이냐에 따라 결정되는 용매의 특징이다.

​

다. 일반적인 용매의 끓는 점 오름 상수와 어느 점 내림 상수

▣ 동일한 농도의 2개의 용액은 동일한 삼투압을 가지며 서로에 대해 등장성(isotonic)이라 정의한다.

▣ 전해질은 물에 녹으면 해리(dissociation) 되기 때문에 따로 구분해서 고려

▣ CaCl2 화학식 단위 1개가 녹으면 용액에 3[mol]의 이온을 얻음

▣ 총괄성은 입자의 유형에 의존하는 것이 아니라 용해된 입자의 수에만 의존

▣ 이런 효과를 설명하는 것이 Van't Hoff 인자 (Van't Hoff factor, i)

▣ 전해질 용액에 어는 점 내림을 이용하는 것은 눈 제설제로 사용하는 염화칼슘(CaCl2)이다.

     염화칼슘을 뿌리면 열을 방출하는 발열반응이 나타나고 염화칼슘이 이온화하여

      Ca2+, Cl- 가 되어 어는 점이 -20[℃]까지 떨어진다.

​

예제) 0.0100 M 아이오딘화 포타슘 [KI] 용액의 삼투압은 25[℃]에서 0.465 [atm]이다.

         이 농도에서 KI 에 대한 실험적인 Van't Hoff인자를 결정하시오.

▣ 고체는 크게 2가지 종류로 분류할 수 있다.

 ⊙ 물론 고체를 구성하는 입자들의 종류에 따라서 나눌 수 있지만 가장 기본적인 형태로

     결정성 고체와 비결정성 고체로 나눌 수 있다.

 ⊙ 결정성 고체는 고체를 구성하고 있는 이온, 원자, 분자들이 잘 정렬되어 있는 (규칙적으로

      배열되어 있는) 고체를 말한다. 규칙적으로 배열되어 있어 방향성이 있다.

 ⊙ 결정성 고체가 결정상태를 띠고 있을 때는 입자들이 규칙적으로 배열되어 있어 빛이

      지나가는 길에도 적당한 길이 생긴다던지 하는 물리적 성질이 있다.

 ⊙ 그런데 같은 석영 고체라도 비결정성 고체가 되면 방향성이나 규칙성이 없는 입자 배열이 된다.

 ⊙ 이 비결정성 고체는 특정 부분이 입자가 부족하여 약하거나 특정 부분은 입자가 빽빽하게 모여 있어

      단단해지는 등 특성을 나타내며 비결정성 고체인 유리의 경우 특이한 성질이 나타난다.

​

나. 비결정성 고체인 유리의 종류와 특징

▣ 유리는 3가지 종류가 있다.

  ⊙ 순수 석영 유리는 가열했을 때 팽창이 잘 안되고 넓은 범위의 파장을 투과시키기 때문에

       광학연구의 카메라, 렌즈 등에 쓰인다.

  ⊙ 파이렉스(Pyrex) 유리는 가정의 냄비 등에 사용하는데 약간의 갈색을 띠는 유리로

      석영 (SiO2)이 60~80[%]이고 삼산화 이붕소가 약간 함유되어 있고 산화알루미늄이

     들어 있다. 순수한 석영유리처럼 열팽창율이 낮아 가열기구에 사용되고 적외선과 가시

     광선은 투과시키나 자외선은 투과시키지 못한다. 플라스크, 피펫 등 유리제품 등에 사용된다.

 ⊙ 우리가 많이 볼 수 있는 창문과 유리병 등에 사용되는 소다 석회 유리가 있다.

     이 유리는 석영(SiO2)의 함량이 75 [%]인데 산화나트륨, 산화칼슘 등이 들어 있다.

     가장 값 싼 유리이다. 화학물질에 취약하고 열충격에도 민감하고 (조금만 가열해도

     깨지기 쉬운) 가시광선은 투과시키지만 자외선은 흡수한다.

  ※ 코렐이라는 식기는 깨지지 않는 아름다운 유리제품으로 선전하는데 유리를 삼중으로

      접합시키고 압축한 제품으로 굉장히 단단하다. 1.5[m] 높이에서 떨어져도 잘 깨지지

      않는다. 그런데 삼중결합 상태라 갑자기 뜨거웠다, 차가워졌다 하면 즉, 급격한 열팽

      창이 일어나면 유리속에 채워져 있던 응력 - 물체가 외부 힘에 저항해서 자기 모양을

      지키려는 힘 - 떨어져서 폭발할 위험이 있다.

 ▣ 비결정성 고체의 특성중의 하나는 물질이 깨졌을 때 입자들의 크기나 모양이 아무런

     규칙성이 없이 완전 박살나는 특성이 있다. 비결정성 유리는 자동차에 사용하면 깨졌을

     때 뾰족해서 다칠 수 있어 이런 경우 결정성을 부여하기 위해 온도와 압력 조건 그리고

     그 안에 들어 가는 물질 조건을 다르게 하여 유리가 깨졌을 때 네모모양(날카로움을 없

      애는)으로 규칙성을 갖게 제조한다.

​

다. 결정성 고체의 종류

▣ 공유성 고체는 구성입자가 원자다. 원자들이 공유결합을 하는데 공유결합은 구성원자

    들이 전자를 상호교환 공유하는 것으로 팔전자 규칙을 만족하기 위하여 원자들이 화학

    결합을 하는 기본적인 방법이다.

▣ 공유결합은 그 결합을 끊기가 사실상 어렵다. 원자들이 전자 하나씩을 두고 결합을 해서

    새로운 분자가 되었기 때문에 이 분자가 분자하나로 똑 떨어져 있는 것이 아니고 다이아

    몬드의 경우 사면체로 계속하여 연속하여 결합을 지속하므로 즉, 모든 결합이 원자공유

    결합으로 되어 있기 때문에 공유성 고체는 매우 강력한 결합을 하는 단단한 고체이다.

▣ 다이아몬드는 녹는 점이 3,000[℃]까지 올라 가야 하고 소금도 녹는 점이 매우 높다.

    여기서 의문점은 흑연은 우리가 연필심으로 사용하는데 이 물은 굉장히 무른 것 처럼

    보여진다. 흑연은 단단하게 결합된 것이 아닌가 ? 흑연이 무른 것 처럼 보이는 것은 흑연은

    층으로 구성되어 있기 때문이다. 흑연은 탄소가 육각형 고리 모양을 만들어서 각각의

    층을 만든다. 연필심을 사용할 때는 육각형 판 하나가 1,2,3번 판이 종이 위에 얹어지는

    원리이다. 흑연 같은 경우 연필로 글씨를 쓴 경우 1억년 이후에 우리 후손들이 이 글씨를

    보면 종이만 부서지지 않았다면 흑연의 글씨를 읽게 된다. 그렇게 흑연은 변하지 않는다.

    흑연은 층과 층 사이 결합만 약하지 층 자체를 구성하는 탄소 사이의 결합은 매우 강하다.

​

2. 액체

가. 액체의 물리적 성질 : 표면 장력 (Surface tension)

  ▣ 메니스커스 플라스크에 물을 담았을 때 물의 낮은 부분을 읽으라고 하는 것에서 처럼

      액체간에는 잡아 당기는 힘이 있으므로 벽 부분은 점착력으로 붙어 있어 높이 있고

      물의 중앙 부분은 물의 응집력으로 낮게 있는 현상이 발생한다. 즉, 물이 유리벽과의

      점착력이 물의 응집력 보다 강하기 때문이다.

  ▣ 수은의 경우에는 입자간 당기는 힘(응집력)이 매우 커서 떨어져 나온면 (球) 모양이 된다.

​

다. 액체의 물리적 성질 : 점성도 (Viscosity)

  ▣ 액체의 흐름에 대한 저항을 나타내는 척도

  ▣ 단위 : N · s/㎡

  ▣ 점성도가 클 수록 액체는 느리게 흐름

  ▣ 강한 분자간 힘을 갖을 수록 점성도가 큼

  ▣ 보통 점성도는 온도가 증가함에 따라 감소

  ▣ 화학적 성질은 다른 물질과 상호작용을 하거나 다른 물질로 변할 때 나타내는 성질을 말한다.

    ⊙ 철은 산소와 결합하여 녹이 슨다. (산화철이 된다) 산화철 즉 녹이 슨 철은 긁으면 부스

         러진다. 강도가 약해진다.

     ⊙ 탄소는 연필심을 생각하면 되는데 연필심 자체는 글씨를 쓰는데 사용하는데 탄소를 높은 온도로

         가열하면 불에 탄다. 산소와 결합하여 이산화탄소(CO2)가 된다.

  ▣ 화학적 성질은 다른 물질과 반응하여 새로운 물질이 되고 이런 변화가 나타 날 때 일어

       나는 성질을 화학적 성질이라고 한다.

▣ 용융열은 고체 결정구조를 깨어 액체로 만드는데만 사용하므로 온도가 올라가지 않는다.

  ▣ 액체에 열을 계속 가열해 주면 액체 입자들의 분자운동을 증가시켜 점점 온도가 올라간다.

  ▣ 액체와 기체가 평형상태를 이루면 기화열은 액체를 기체로 만드는데만 사용하므로 온도 변화가 없다.

  ▣ 고체 - 액체 상 경계선이 음의 기울기 (일반적이지 않다)

     ⊙ 얼음에 압력을 가하면 액체가 될 수 있음

  ▣ 상계계 (Phase boundary line) : 두 영역을 나누는 곡선

  ▣ 상중점 (triple point) : 세개의 상경계가 모두 만나는 점

  ▣ 임계온도 (Critical temperature, Tc) : 아무리 높은 압력을 가해 주어도 기체가 액화될 수 없는 온도

  ▣ 임계압력 (Critical pressure, Pc) : 아무리 온도를 높여도 액체가 가화될 수 없는 압력

  ▣ 초임계 유체 (Supercritical fluid) : 유체가 Tc와 Pc 보다 높은 온도와 압력 조건에 있을 때

                     액체와 기체의 구분이 없는 상태

  ※ 물의 고체 - 액체의 기울기가 음수라는 것은 압력을 높여 주면 녹는 점이 낮아지는데

      예를 들어 스케이트를 타면 얼음에 압력이 가해져 녹게 된다. 즉, 얼음의 경우 압력을 높

      여 주면 기울기가 음수여서 녹는 점이 0[℃] 이하가 된다. 압력을 가해 주면 낮은 온도에

      서 얼음이 녹기 때문에 아이스링크에서 일정시간 후에 정빙 시간을 갖게 된다.

  ※ 삼중점은 고체, 액체, 기체가 모두 있는 온도로서 물의 경우는 매우 낮은 온도라서 보통

       은 관측되지 않는다.

  ※ 임계온도는 아무리 압력을 가해도 기체를 액체로 만들 수 없는 온도를 말하는데 기체를

       액체로 만들려면 분자의 운동량을 줄여 주어야 하는데 압력을 가해주면 입자(분자)의

       활동공간이 작아지므로 운동량이 작아 지는데 열을 가해주면 즉 온도를 높이면 입자

       (분자)의 운동량이 커져서 압력에 의한 효과 보다 열에 의한 효과가 커져서 기체가 액체

       로 되지 않는 온도를 말한다.

  ※ 임계압력은 임계 온도와 반대의 경우이다.

  ※ 초임계 유체는 임계압력, 임계온도 위에 있는 경우에만 액체와 기체의 구분이 없는 상태

      가 된다. 플라즈마 처럼 초임계 유체로 만들어서 반응시키는 경우가 있다.

【목 차】

1. 기체의 성질

2. 기체법칙

3. 이상기체상태 방정식

4. 돌턴의 부분 압력 법칙

5. 몰분율

6. 기체 분자 운동론

​

1. 기체의 성질

 가. 기체의 성질

   ▣ 기체의 시료는 용기의 모양과 부피를 따름

   ▣ 기체는 압축 가능

   ▣ 기체의 밀도는 액체와 고체에 비해 훨씬 낮음

     ⊙ 기체는 입자와 입자 사이의 거리가 굉장히 먼 상태로 존재하기 때문이다.

   ▣ 온도와 압력에 의존하여 부피가 크게 변함

   ▣ 기체는 어느 부분에서든지 서로 균일한 혼합물 (용액)을 형성

    ⊙ 기체는 일단 어느 통안에만 넣으면 어느 부분에서든지 기체를 섞어 쓸 때 서로 균일한 혼합물을 형성

   ※ '용액'이라는 단어는 '균일 혼합물'라는 의미의 또 다른 단어이다.

      보통 '용액'하면 소금물, 설탕물 등 액체 상태를 떠올리는데 '용액'은 순수한 단일 물질이 아닌

      안에 있는 성분들이 다 골고루 섞여 있는 균일 혼합물을 '용액'이라고 부른다.

  ※ 고체는 자기모양이 있다. 왜냐면 고체의 입자는 움직이지 못하기 때문이다. 반면 액체,

      기체은 자기 모양이 없어 넣는 용기에 따라 모양이 바뀌는데 이는 액체와 기체의 입자

      들이 유동성이 있기 때문이다. 기체는 입자와 입자들 사이의 거리가 멀어서 압축이 잘

      되고 혼합이 잘 되는 특성이 있다.

​

나. 상온에서 기체로 존재하는 원소

   ▣ 이원자 분자 - 수소(H2), 질소(N2), 산소(O2), 플루오린(F2), 염소(Cl2)

   ▣ 단원자 분자 - 비활성기체 (He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn, 8A족)

   ▣ 상온에서 의외로 기체로 존재하는 원소들이 많지 않다. 원소들 대부분이 금속, 비금속으로

       고체 상태의 물질이 대부분이다.

​

다. 기체 압력

  ▣ 기체는 가만히 있지 않고 끊임없이 움직인다. 통속에서 계속해서 움직이므로 압력이발생한다.

      기체 입자를 어느 통 안에 넣었을 대 끊임없이 하는 무작위적인, 끊임없이  하는 어떤 특징을 가지고

      있지 않은, 그냥 무질서한 운동의 결과, 기체 입자들이 계속  하여 움직이면서 통의 벽을 통통치게 된다.

      기체 입자가 벽을 통통치게 되면 벽에 힘이  작용하게 되는데 벽면에 작용하는 단위면적당 작용하는

      힘을 '압력'이라고 한다.

      움직이는 피스톤이 있는 용기에서 기체 시료는 더 작은 부피로 압축될 수 있는데, 이는

      부피가 크면 기체 입자들간 거리가 머니까 입자들이 통의 벽에 부딪히는 횟수가 적게된다.

      반면 부피가 작아지면 입자수는 같은데 부피가 작아져 입자들간의 간격이 좁아  지게 되고

      이로 인해서 기체 입자가 통의 벽에 충돌하는 빈도가 높아져 압력이 높아 지게 된다.

​

라. 기체 압력의 단위

  ▣ 기체는 끊임없이 움직이면서 접촉하는 모든 것에 압력을 가하므로 즉, 그 접촉하는 단위

      면적당 힘을 가하기 때문에 (압력의 정의는 단위 면적에 가해지는 힘) 압력이 발생한다.

  ▣ 힘의 SI 단위는 - 과학에서 정해진 표준단위 - 뉴턴(Newton, N)을 쓰고 힘은 일반적으로 F = ma 라고 하는데

       이는 질량 1[kg]을 가속도 [m/s2]를 갖게 하는 힘을 1[N]이라 한다.

  ▣ 압력의 단위는 파스칼(Pascal, Pa)을 사용하는데 1[pa]이라는 압력의 표준단위는

       1[㎡]에 1[N] 즉 1[kg·m/s2] 의 힘이 가해지는 경우를 말한다.

  ▣ 기체의 압력은 Pa 단위 보다는 1[atm]이라는 단위를 더 많이 사용한다.

  ▣ [㎜Hg] 와 torr는 같은 단위이다. [㎜Hg] 는 기압계 즉 수은 기둥을 해수면에 가서

       뒤집어 엎으면 76[㎝]의 높이가 된다. 따라서 [㎜Hg]의 Hg는 수은의 원소기호이다.

  ▣ [bar]의 값은 [atm]과 비슷한 단위인데 차이는 다음과 같다.

​

마. 대기압의 단위 변환

  ▣ 대기압은 1[atm]을 의미하는데 지표면, 해수면에서 즉, 지표면에서 대기권 끝까지 올라 간

      공기기둥을 가정한다면 이 공기기둥의 면적을 가로 × 세로를 1×1 [㎠]인 공기기둥 의 질량이 약 1[㎏]이다.

  ▣ 이 공기의 질량 1[㎏]의 힘으로 지표면(해수면)을 누르고 있는 힘의 이 면적으로 공기기둥의 질량을 ... 1[㎏]이라고

       했지만 정확하게 1[㎏]은 아니다. 이 공기기둥의 실제질량 을 구해서 이 공기기둥이 누르고 있는 힘을

       단위면적으로 나눈 것을 1[atm]이라고 한다.

       정확히 1[㎏]은 아니지만 공기기둥의 질량은 약 1[㎏]이다. 따라서 공기기둥이 1×1[㎠] 의 단위면적을

       누르는 힘이으로 이를 1[atm]이라고 한다. 1[atm]은 수은 기둥을 뒤로  확 이렇게 거꾸로 했을 때

       수은의 높이가 위 그림에서 공기가 누르는 힘과 이 수은이 누르는 힘이 똑 같으니까

       수은 기둥의 높이가 되는데 이 수은 기둥의 높이가 76[㎝]이라서  밀리미터로 환산하면 760[㎜],

        760[㎜] 수은 기둥의 높이를 1[atm]이라고 정의한다.

  ▣ [㎜Hg]와 torr는 똑같은 값이므로 [㎜Hg]는 torr로 직접 변환이 된다.

  ▣ 이들 압력을 Pa로 변환하면 101.3[㎪]이고 1[bar]는 100[㎪]이므로 [atm]과 [bar]는 큰 차이가 없다.

      예전에는 표준 대기압을 1[atm]을 기준으로 했는데 요즘은 1[bar] 를 기준으로 하는 추세이다.

​

바. 기체 압력의 측정

  ▣ 기압계 (barometer) : 대기압을 측정하기 위해 사용되는 도구

    ⊙ 수은 기둥이 가하는 힘은 대기압이 가하는 힘과 동일

  ▣ 표준 대기압 (Standard atmospheric pressure, 1[atm])은 0[℃]의 해수면에서 정확히 760[㎜Hg]의

       수은 기둥이 지지하는 압력

  ▣ 기체는 압축을 할 수 있기 때문에 온도나 압력에 따라서 부피 변화가 심하다. 또한 똑같은 온도와 압력이라면

       용기 안의 기체 입자가 몇 개가 있는지에 따라 부피가 변한다.

       기체법칙에 이 4가지 변수가 중요하다.

       즉, 기체의 온도, 압력, 부피, 몰수가 중요하다.

  ▣ 보일은 기체의 압력과 부피 사이의 관계가 반비례함을 알아냈다. 만약 기체가 일정한 양이 있는데

       수은의 압력이 760[㎜Hg]일 때 부피가 50이라고 하면 만약 수은 기둥이  1520[㎜Hg] 이라면

        위 그림에서 수은의 압력이 760[㎜Hg] 일 때는 수은 기둥이 76 [㎝]가 누르는 것과 같으니까

        이 부피가 100이 되고 수은 기둥이 760[㎜Hg]일 때는  대기압 760[㎜Hg]와 수은 기둥 760[㎜Hg]가

        함께 누르는 것이 되므로 50으로 줄고  수은기둥이 1520[㎜Hg]가 되면 대기압과 수은기둥 1520[㎜Hg]가

        함께 누르는  것이 되므로 1/3로 줄어서 33이 된다.

  ▣ 따라서 고정된 양의 기체 - 입자 개수가 똑같다는 의미이다 - 이때 기체압력은 기체의  부피에 반비례한다.

  ▣ 샤를의 법칙은 압력이 일정하다면 기체 온도는 절대온도 (섭씨, 화씨가 아니다)에 비례 한다.

  ▣ 기체의 부피는 -273.15 [℃]에서 부피가 "0"이 된다.

      0 [K] = -273.15 [℃]이다.

  ▣ 온도분의 부피는 항상 일정하다.

​

예제) 1[atm], 25[℃]에서 부피가 15.6[ℓ]인 네온 기체의 온도를 50.0[℃]로 올렸을 때의

    부피를 구하시오. 단, 압력은 동일하게 1[atm]이다.

      V1 / T1 = V2 / T2

      15.6 / (273.15+25.0) = x / (273.15+50)

       x = 15.6 / (273.15+25) × (273.15 + 50) = 16.9 [ℓ]

  ▣ 아보가드로의 법칙은 용기에 들어 있는 기체 입자수 즉, 몰수와 기체의 부피와의 관계를 나타낸다.

   ⊙ 온도와 압력이 일정할 때 기체의 부피는 용기 안에 들어 있는 기체 입자수 (몰수)에 비례한다.

  ⊙ 아보가드로 법칙이 유용한 것은 기체와 기체가 상호 작용하는 화학반응식에서 기체와

      기체가 반응하여 기체를 생성하는 경우 생성물 기체의 부피를 예측하는데 유용하다.

      예를 들어 수소 3몰과 질소 1몰이 만나면 암모니아 2몰이 생긴다.

        3H2 + N2 → 2NH3

      이런 화학반응 결과가 나타나는 것은 화학식 자체가 수소분자 3개와 질소분자 하나가

      만나서 암모니아 분자 2개를 만드는 화학식이기 때문이다. 즉, 입자의 갯수와 부피는 비례관계이다.

​

 예제) 일산화질소 기체와 산소기체가 반응하여 이산화질소 기체를 생성한다. 5.0[ℓ]의

          NO와 2.5[ℓ]의 O2를 반응시켰을 때 생성되는 NO2의 부피를 구하시오.

          (반응물과 생성물 모두 같은 온도와 압력에 있다고 가정한다)

         2NO + O2 → 2NO2

            2    :    1    :    2

        5.0[ℓ] : 2.5 [ℓ] : 5 [ℓ]

  [풀이] 균형반응식 2NO (g) + O2(g) → 2NO2 (g) 생성된 NO2의 부피는 반응하는 NO의 양과 동일할 것이다.

             그러므로 5.0 [ℓ]의 NO2가 생성될 것이다.

  ▣ 화학자들은 비례식을 싫어한다. 위 식에 비례상수 즉 변화하지 않는 상수를 넣어 항등식을 만들었다.

       이렇게 하여 나온 기체에 대한 상태 방정식이 다음과 같다.

  ▣ 표준온도와 압력조건 즉, 0[℃]와 1[atm]에서는 어떤 기체이든지 1[mol]의 부피가 22.4 [ℓ]이다.

       이를 이용하여 기체 상수 R을 구했다.

  ▣ 이상 기체 방정식을 응용하는 방법으로 이산화탄소(CO2)를 예로 들면,

      이산화탄소(CO2) 88[g]이 있다고 하자. CO2 분자의 내 원소인 탄소(C) 원자량은 12,

      산소(O)의 원자량은 16이다. 따라서 이산화탄소(CO2)의 분자량은 12+16×2=44 [g/mol]이다.

      이산화탄소(CO2) 88[g]은 기체 2[mol]이 된다. 따라서 기체의 몰 수는

      현재의 질량을 해당 물질의 몰질량으로 나누어 산정할 수 있다.

 예제) 이산화탄소는 공기보다 밀도가 커서 화재발생시 산소를 차단하는 역할을 하므로

     박물관이나 미술관의 소화 기체로 사용한다. 25 [℃], 1.0[atm]에서 이산화탄소의 밀도를 계산하시오.

    (단, 공기는 25[℃], 1[atm]에서 약 1.2[g/ℓ]의 밀도를 가진다.)

4. 돌턴 (Dalton)의 부분 압력 법칙

​ ▣ 돌턴의 부분 압력 법칙 (Dalton's law of partial pressure)

  ⊙ 기체 혼합물이 나타내는 전체 압력은 혼합물의 각 성분들이 나타내는 부분 압력의 합이다.

​

 예제) 25 [℃], 1.00[ℓ]의 용기에 0.215[mol]의 N2 가스(gas)와 0.0118 [mol]의 H2 기체가 들어 있다.

        각 기체의 부분압력과 용기의 전체 압력을 구하시오.

 예제) 신생아의 폐질환을 치료하기 위해 사용되는 일산화질소 (NO)는 N2와 NO의 혼합물의 형태로

      병원에 공급된다. 25[℃]에서 6.022[mol]의 N2가 들어 있는 10.00[ℓ] 기체  실린더의 전체 압력이

       14.75[atm]일 때 실린더 속 NO의 몰분율을 구하시오.

 <풀이>

  ① 먼저 이상 기체 방정식을 통해 전체 기체의 몰수를 구한다.

6. 기체 분자 운동론 (Kinetic molecuar theory)

가. 기체 분자 운동론의 가정

  ▣ 기체는 무질서하게 운동하는 원자나 분자 같은 작은 입자로 구성되어 있다.

  ▣ 기체 입자 자체의 부피는 기체 전체 부피에 비해 무시할 수 있다. 기체 부피의 대부분은 빈 공간이다.

  ▣ 기체 입자는 서로 독립적으로 행동한다. 입자 사이에는 인력과 반발력이 없다.

  ▣ 기체 입자들 사이에 또는 입자와 용기의 벽에 대한 충돌은 완전탄성충돌이다.

  ▣ 기체 입자의 평균 운동에너지는 시료의 절대온도에 비례한다.

     ※ 에너지는 다음 2가지 방식으로 나타낼 수 있다.

  ▣ 그런데 A기체의 운동에너지는 질량 × 속도의 제곱으로 쓸 수 있고, B 기체의 운동에너

      지도 질량 × 속도의 제곱으로 쓸 수 있는데 온도 T가 일정하다고 했으므로 운동에너지

      Ek = (3/2) KT가 되고 따라서 A기체의 운동에너지와 B기체의 운동에너지는 같게 된다.

     위 식에서알 수 있는 것은 A기체의 질량 × 속도의 제곱은 B기체의 질량 × 속도의 제곱과

     같다는 것이다. 이 식은 기체 입자 하나에 대한 식인데 이를 기체 1[mol]에 적용하여도

     마찬가지 결과를 얻을 수 있다.

     따라서 기체 몰질량의 비는 그 기체의 속도의 제곱근에 반비례 한다는 식을 유도해 낼 수

     있다. 결국 분자의 운동속도는 분자량의 제곱근에 반비례한다는 것을 알 수 있다.

     이것을 그레이엄의 확산 법칙이라고 한다.

     입자가 무거운 기체는 확산속도가 느리고 입자가 가벼운 기체는 확산속도가 빠르다는 것이다.

​

나. 확산과 분출

  ▣ 확산 (diffusion)은 무작위 운동과 빈번한 충돌결과로 2가지 이상의 기체가 혼합되는 과정 (섞이는 과정)

  ▣ 분출 (effusion)은 한 종류의 기체가 용기에서 진공영역으로의 빠져 나가는 과정 (한쪽은 기체가 없었는데

       그 진공 쪽으로 빠져 나가는 과정)

   ※ 확산이나 분출 모두 분자 운동이므로 입자가 가벼운 기체일 수록 속도가 빠르다.

​

 예제) 동일한 온도에서 헬륨 원자가 이산화탄소 분자 보다 얼마나 빨리 이동하는지 구하시오.