아낌없이 주는 나무

1. 펌프의 분류

가. 원심펌프 (Centrifugal pump)

  ▣ 원심펌프는 Vane (Blade)이 달린 임펠러 (Impeller)가 밀폐된 케이싱 (Casing)내에서 회전함으로써 발생하는 원심력을

       이용하여 비압축성 유체를 이송하거나 압력을 높여 주는 회전기기이다.

  ▣ 원심펌프에서 유체를 이동시키는 원력력은 압력이다.

 <원심펌프의 원리>

   ① 유체는 Impeller 중심에서 강제로 유입된다.

   ② 베인 (Vane)을 따라 반지름 방향으로 흐르는 사이에 유체는 운동에너지를 얻는다.

   ③ 유체가 볼류트 (Volute)를 통과하는 사이에 운동에너지가 압력에너지로 변환된다.

  ▣ 축류 펌프는 다수 (보통 3~5)의 깃을 가진 회전차를 동력장치에 직접 연결하여 작은 용량으로 큰 유량을 수송할 수

       있게 설계된 펌프이다.

​

다. 왕복펌프 (Reciprocating pump)

   ▣ 왕복펌프는 펌프를 구성하고 있는 피스톤 등의 왕복운동에 의해 실린더 내를 진공에 가까운 압력상태로 만들어 낮은

        곳에 있는 물을 흡입하고 여기에 압력을 가하여 필요한 거리로 수송하는 설비를 말한다.

​

2. 펌프의 양정 및 동력

  ▣ 펌프의 전양정 = 흡입양정 + 토출양정 + 관내 마찰손실수도

    ⊙ 펌프의 실양정 = 흡입양정 + 토출양정

가. 펌프 양정의 구성

  ① Weisbach - Darcy의 마찰손실 공식​​

     여기서, △h : 배관의 마찰손실수두 (mAq),             f : 관의 마찰손실계수

                  L : 배관의 길이 (m) U : 유속 [m/sec]          D : 배관의 직경 [m] g : 중력가속도 (9.81 m/sec2)

      ∴ 압력손실수두 : P = γh 를 적용시키면​​

  ② 하젠 - 윌리암스의 식​

      여기서, △P : 마찰손실압력 (kgf / ㎠),        Q : 유량 (ℓ/min, lpm),           D : 관경 [㎜]

                   L : 배관의 길이 (linear 및 상당길이의 합),         C : 관벽의 조도에 의한 계수

  ③ 흐름에서의 미소손실 : 관이 휘어지거나 관의 중간에 엘보(elbow), 조인트 (joint), 밸브 (valve) 등과 같은 부속들을 사용

                  하여 관에서의 단면의 형태가 변화되는 곳에서 발생하는 손실을 미소손실이라고 한다. 미소손실에 의한 손실

                  수두 HL은 다음과 같다.​

          여기서, HL : 손실수두,        K : 미소손실수두계수,      U2/(2g) : 속도수두

​

나. 펌프 소요동력의 산출

  ▣ 힘(F)은 질량(m)에 가속도(g)가 가해진 값이며, 일(W)은 힘(F)에 거리 변화가 발생한 값과 같다.

       또한 동력은 일(W)을 시간으로 나눈 값과 같은 의미를 가진다.

       그러므로 유체를 수송하는 펌프의 동력값에 대해 살펴보면 다음과 같이 나타낼 수 있다.​

  ▣ 펌프의 효율이 η이고 축동력 전달계수를 K라고 하면 펌프의 동력값은 다음과 같다.​

     여기서, P : 동력(kW),          Q : 정격 토출량 (㎥/min),              H : 양정 (유체 이송 높이) [m]

                   η : 펌프의 효율,     K : 축동력 전달계수 (보통 1.1을 사용)

​

3. 펌프에서 발생하는 현상

가. 공동현상 (cavitation)

  ▣ 액체 속을 고속도로 움직이는 물체의 표면은 액체의 압력이 저하하는데, 이 때의 압력이 액체의 포화 증기압 보다 낮아

       진 범위에 증기가 발생하거나 액체 속에 녹아 있던 기체가 나와서 공동현상을 이룬다.

       이것은 수력터빈이나 선박용 프로펠러를 운전할 때 자주 발생하는 현상으로 압력 면에 발생하는 경우도 있지만,

       주로 날개의 등 부분에 발생한다. 발생한 기포는 압력이 높은 부분에 이루면 급격히 부서져 소음이나 진동의 원인이

       되며, 터빈이나 프로펠러의 효율을 떨어뜨린다.

  ① 발생원인

     ㉠ 펌프 임펠러 깃에서 물의 압력이 포화증기압 이하로 내려가면 증발하여 기포가 발생한다.

     ㉡ 펌프의 흡입측 낙차가 클 경우

     ㉢ 이송하는 유체가 고온일 경우

     ㉣ 펌프의 마찰손실이 클 경우

     ㉤ 임펠러 속도가 지나치게 클 경우

  ② 발생현상

     ㉠ 소음과 진동이 발생한다.

     ㉡ 펌프의 성능 (토출량, 양정, 효율)이 감소한다.

     ㉢ 임펠러 (Impeller)의 침식이 발생한다.

     ㉣ 심하면 양수불능상태가 된다.

  ③ 방지대책

     ㉠ 펌프 내에서 포화증기압 이하의 부분이 발생하지 않도록 조치한다.

     ㉡ 펌프의 설치위치는 가능한 낮게 한다.

     ㉢ 펌프의 회전수를 낮추고, 흡입 비속도를 크게 한다.

     ㉣ 펌프의 마찰손실을 작게 한다.

     ㉤ 펌프의 유량을 줄이고 양흡입펌프를 사용한다.

​

나. 수격 작용 (Water hammering)

  ▣ 관 내를 흐르고 있는 물의 유속이 바뀌면 유체의 운동에너지가 압력에너지로 변하여 관내 압력이 상승하게 되어 배관

       과 펌프에 손상을 주는 현상으로 수격작용은 펌프의 운전중은 물론이고 펌프가 정지될 때도 발생할 수 있으므로 대용

       량인 펌프와 배관이 길어지는 경우에는 적절한 대비책이 있어야 한다.

  ① 발생원인

     ㉠ 정전 등으로 갑자기 펌프가 정지할 경우

     ㉡ 밸브를 급히 개폐할 경우

     ㉢ 펌프의 정상운전시 유체의 압력 변동이 있는 경우

  ② 발생현상

     ㉠ 압력상승에 의해 펌프, 밸브, 플랜지, 관로 등 여러 기기가 파손된다.

     ㉡ 압력강하에 의해 관로가 압괴하거나 수주분리가 생겨 재결합시에 발생하는 격심한 충격파에 의해 관로가 파손된다.

     ㉢ 소음과 진동의 원인이 된다.

     ㉣ 주기적인 압력변동 때문에 자동제어계 등 압력을 컨트롤하는 기기들이 난조를 일으킨다.

  ③ 방지대책

     ㉠ 관경을 굵게 하여 가능한 한 유속을 느리게 한다.

     ㉡ 펌프 회전축에 플라이휠(Flywheel)을 설치하여 펌프의 급속한 속도변화를 방지한다.

     ㉢ 펌프의 토출측에 조압수조(Surge tank) 또는 수격 방지기(water hammering cusion)를 설치한다.

     ㉣ 유량조절 밸브를 펌프 토출측 직후에 설치하고 적당한 밸브 제어를 한다.

​

다. 맥동현상 (Surgeing)

  ▣ 펌프의 운전중에 압력계기의 눈금이 어떤 주기를 가지고 큰 진폭으로 흔들림과 동시에 토출량은 어떤 범위에서 주기적

       으로 변동이 발생하고 흡입 및 토출 배관의 주기적인 진동과 소음을 수반한다. 이를 맥동(Surging)현상이라 한다.

  ① 발생원인

     ㉠ 펌프의 H - Q 곡선이 오른쪽 상승부에서 운전 시

     ㉡ 펌프의 토출관로가 길고, 배관 중간에 수조 또는 기체가 존재 시

     ㉢ 수조 또는 기체상태가 잇는 부분의 하류측 밸브에서 토출량을 조절 시

  ② 발생현상

     ㉠ 흡입 및 토출 배관에 주기적인 진동과 소음이 발생한다.

     ㉡ 한번 발생하면 그 변동주기는 비교적 일정하고, 송출밸브로 송출량을 조작하여 인위적으로 운전상태를 바꾸지 않는

          한 이 상태가 지속된다.

  ③ 방지대책

     ㉠ 펌프의 H - Q 곡선에 오른쪽 하향구배 특성을 가진 펌프를 채용한다.

     ㉡ 회전차나 안내깃의 형상 치수를 바꾸어 그 특성을 변화시킨다.

     ㉢ 바이패스관을 사용하여 운전점이 펌프 H-Q 곡선의 오른쪽 하향구비 특성 범위 위치에 오도록 한다.

     ㉣ 배관 중간에 수조 또는 기체 상태인 부분이 존재하지 않도록 배관한다.

     ㉤ 유량조절밸브를 펌프 토출측 직후에 위치시킨다.

     ㉥ 불필요한 공기탱크나 잔류공기를 제어하고, 관로의 단면적, 유속, 저항 등을 바꾼다.

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#펌프출력 #안내깃 #임펠러

1. 층류와 난류

 가. 층류

   ① 평균 유속에 정비례한다.

   ② 흐름이 닿은 벽면의 조도에 거의 관계 없다.

   ③ 유체의 점성계수 (μ)에 정비례하므로 온도에 의해 많은 영향을 받는다.

나. 난류

   ① 평균 유속의 약 2제곱에 비례한다.

   ② 흐름에 접하는 벽면의 조도에 의해서 크게 다르다.

   ③ 유체의 점성계수 (μ)에 영향을 받으나 층류의 경우처럼 심하지는 않다.

​

2. 레이놀즈의 수

  ▣ 레이놀즈는 실험을 통하여 층류, 난류의 구분이 속도 (U)에 의해서만 결정되는 것이 아니고 유체의 점성계수(μ), 밀도

       (ρ), 관의 관경 (d)에도 관계됨을 알았다. 이들 변수에 의한 무차원함수를 정의하였는데

       이 함수를 레이놀즈수 (Re)라 부르며, 이에 대한 일반식은 다음과 같다.

           여기서, ρ : 유체의 밀도, U : 유체의 특성속도, L : 특성길이

                        μ : 유체의 점성계수, v : 유체의 동점성계수

  ▣ 무차원수인 Re가 작을 때의 흐름은 층류이며, Re가 커지면 난류로 변하는데

       이 때의 천이점의 Re를 임계 Reynolds 수 (Critical Reynold's number) Rec라고 한다.

​

3. 바이스바흐 - 달시 (Weisbach - Darcy)의 식

  ▣ 다음 그림과 같은 내경 d인 관로속을 평균 유속 V로 유체가 흐르고 있을 때 임의의 거리 l 만큼 떨어진

       두 점의 압력을 p1, p2라 하면 유체의 마찰에 의한 압력손실 hL은 다음 식으로 표시된다.

   ▣ 바이스바흐 - 달시의 유체마찰손실

    이를 Weisbach-Darcy 의 식이라 부르고, λ를 관 마찰계수라 부른다.

​

4. 관 마찰계수의 실용식

  ▣ 보통의 철관 등에 있어서는 관벽 돌기의 간격이 다르거나, 또는 작은 돌기 사이에 큰 것들이 섞여 있는

       경우가 많기 때문에 관마찰계수는 다음 Mises의 실험식으로 구한다.​

    ▣ Scobey의 실험식은 다음과 같다.​

      여기서, d의 단위는 m이고, 콘크리트관에 적용하며, 정수 c의 값은 다음과 같다.

       ⊙ 내면이 매끈한 콘크리트관 : c = 0.156

       ⊙ 연결된 콘크리트관으로서 수년간 사용한 것 : c = 0.218

       ⊙ 특히 조심성 없이 연결된 관 : c = 0.029

​

5. 원관(둥근관) 이외의 관 마찰

  ▣ 단면이 원형이 아닌 관의 관마찰을 생각할 경우에는 관의 단면적을 A, 그 단면의 젖은 길이를 lw, 관의

       길이 l 사이의 압력손실을 △p, 관 단면의 평균유속을 V라 하고, 흐름은 관측과 평행인 것으로 생각하여

       관벽의 평균 횡응력 τ 를​​

     v는 수두손실이 생기는 곳의 영향을 받지 않는 단면에 있어서의 평균유속이고, 손실이 생기는 곳의 전후에

      평균유속이 변화할 대 일반적으로 큰 쪽의 유속을 사용한다.

​

 가. 관로가 급히 넓어질 때 (급확대관)

   ▣ Borda - Carnot의 수두 손실

 나. 관로가 급속히 좁아질 때 (급속축소관)​​

 다. 밸브(valve)와 콕(cock)에 의한 손실

   ▣ 관로 속의 유량 또는 흐름의 방향을 제어 (control)하기 위하여 각종 밸브가 사용되는데, 그 손실수두는 밸브가 달린

        부분에서 흐름의 단면적이 변화하기 때문에 생기며, 그 크기는

      으로 표시된다. 단, V는 관로 속에서 밸브의 영향을 받지 않는 곳에서의 평균유속이다.

  ① 슬루스 밸브 (sluice valve) : 슬루스 밸브에 있어서는 주로 밸브 선단의 직후에 있어서 흐름의 단면적이 급속히 확대됨

                                                     으로 인하여 수두손실이 생긴다.

  ② 글로브 밸브 (globe valve) : 다음 그림의 글로브 밸브에 있어서도 x/d1이 커질수록 ζ는 작아지지만 완전히 열었을 때

                                                    도 ζ는 6 ~ 8의 값을 가진다.

  ③ 너비 너트 밸브 (Butterfly valve) : 이 밸브에 있어서는 밸브만의 경사각 θ 가 커지면 밸브 직후의 단면적의 급증이

                                                              현저해져서 손실계수 ζ가 커진다.

                                                              원형 나비 너트 밸브에서 θ = 0 일 때는 다음과 같다.

               이다. 단, t, dy는 밸브 원관 (둥근관)의 두께와 지름이다.

  ④ 콕 (cock) : 콕에 있어서도 각 θ 의 증가와 함께 흐름의 단면적의 변화가 현저해지고, 손실계수  ζ 는 커진다.

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#콕 #점성계수 #동점성계수

1. 기본량의 단위계와 차원

2. 중력단위와 절대단위의 차원비교

3. 압력 환산인자

4. 점도의 단위​​

5. 점도의 종류

6. 비압축성 유체와 압축성 유체

 가. 비압축성 유체

   ① 액체는 보통 비압축성 유체

   ② 물체 (굴뚝, 건물 등) 둘레를 흐르는 기류

   ③ 달리는 물체 (자동차, 기차 등) 주위의 기류

   ④ 저속으로 나는 항공기 둘레의 기류

   ⑤ 물속을 주행하는 잠수함 둘레의 기류

​

 나. 압축성 유체

   ① 기체는 보통 압축성 유체

   ② 음속 보다 빠른 비행체 주위의 공기 흐름

   ③ 수압철관 속의 수격 작용

   ④ 디젤엔진에 있어서 연료 수송관의 충격파

​

7. 단위와 차원

 가. 힘의 단위​

 나. 일의 단위​

 다. 동력의 단위​

9. 1차원 정상류의 연속방정식

  ▣ 질량 보존의 원리를 적용하여 연속방정식을 구할 수 있다.

  ▣ 평균속도, 밀도, 단면적을 각각, V1, V2, ρ1, ρ2, A1, A2 라 하면 단위시간에 단위면적을 통과하는 유체

       질량은 같으므로​

  ▣ 여기서 m 을 질량 유량 (mass flowrate)이라 하고, 이 식의 미분형은 다음과 같다.

          d (ρ ·A·V) = 0 ------ 식2

    그러므로, 연속방정식은​

   비압축성 유체이면 ρ = 일정이므로 위의 식은 다음과 같이 변형할 수 있다.​

10. 중량 유량과 체적 유량

  ▣ 압축성 유체의 정상흐름에서는 유관의 모든 단면을 통과하는 질량 유량 (또는 중량 유량)이 일정하고,

       비압축성 유체의 정상흐름에서는 유관의 모든 단면을 통과하는 체적 유량이 일정하다.​

     여기서, G = 중량유량 (weight flowrate)

     만약, 비압축성 유체라면

11. 오일러 운동방정식

  ▣ 유선 또는 미소단면적의 유관을 따라 움직이는 비점성 유체의 요소에 뉴턴의 운동 제2법칙을 적용하여

       얻은 미분방정식을 오일러 (Euler)의 운동방정식이라 한다.

 ▣ 오일러의 운동방정식은 다음과 같이 나타낼 수 있다.​

12. 베르누이 방정식

  ▣ 베르누이 방정식은 유체역학적인 에너지 보존법칙이며, 일반적인 흐름에 적용가능하고 비점성 유체에

       적용가능한 오일러의 운동방정식에 몇 개의 가정조건을 대입함으로써 얻을 수 있다.

  ▣ 실제 관로에서 유체의 마찰을 고려한 수정 베르누이 방정식은 다음과 같다.​

#차원 #단위 #질량 #속도 #중력가속도 #비중량 #뉴턴 #점도 #유체 #압축성 #베르누이 #오일러 #연속방정식

1. 가역반응과 비가역 반응

가. 가역반응​

  ▣ 정반응(반응물에서 생성물)과 역반응(생성물에서 반응물)이 모두 일어나는 반응

나. 모든 화학반응 : 원론적으로 가역반응

다. 비가역 반응

  ▣ 역반응이 너무 느리거나 조금 일어나서 정반응만 일어나는 것 처럼 보이는 반응

  ※ 실제 화학반응은 동적 평형 상태이다. 실제 반응은 계속 일어나고 있는데 정반응과 역반응의 속도가 같아서 반응이

       일어나고 있지 않는 것 처럼 보이는 것 뿐이다.

​

나. 포화용액의 동적 평형

   ▣ 포화용액의 동적 평형은 다 녹지 못한 용질과 용해된 물질 사이에 계속하여 왔다 갔다하는 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 생긴다는 것이다.

       평형상태는 반응물의 농도와 생성물의 농도가 같아지는 상태를 말한다.

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

       없이 평형상태에 도달한다. 평형상태에는 반응물과 혼합물이 함께 있는 상태이다.

3. 평형상수

가. 평형

  ▣ 정방향과 역방향 반응속도가 동일하게 진행되는 상태를 말한다.

  ※ Kc 를 평형상수라고 부를 수 있는 이유는 반응물 농도와 생성물의 농도는 변하지 않으 므로 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)

다. 평형상수 계산

  ▣ 74[℃]에서 이 반응의 Kc = 216 이다.

​

라. 평형상수의 크기로 부터 알 수 있는 사실

마. 불균일 평형

  ▣ 불균일 (heterogeneous) 평형

    ⊙ 가역적 화학반응에서 화학종이 모두 같은 상이 아닐 때의 평형

   ⊙ 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 평형이

           라고 한다.

  ▣ 금속의 이온화 경향 : 금속물질이 전자를 잘 버리는 정도

               K > Ca > Na > Mg > Al > Zn > Fe > Ni > Sn > Pb

               H > Cu > Hg > Ag > Pt > Au

​

바. 평형상수의 변형

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 기체의 압력 / 1atm 인 활동도 값이다.

나. 농도평형상수(Kc)와 압력평형상수(Kp) 사이의 변환

    ※ 일반적인 경우 압력 평형상수는 농도 평형상수에 RT의 델타n승의 곱으로 표현한다.

5. 평형상수의 응용

가. 평형상수를 이용한 평형농도 계산

 [농도 계산 절차]

  1. 반응표를 만들고 초기 농도를 표시 (농도가 0인 것도 표시)

  2. 소모되는 특정 화학종의 양을 x로 두고 반응의 화학양론을 이용하여 다른 반응물과 생성물의 농도 변화량을 x를

      사용하여 표시

  3. 평형에 있는 각 화학종의 평형농도를 물질의 초기 농도와 x를 사용하여 표시

  4. x를 구하기 위해 3에서 구한 평형 농도를 평형 상수식에 대입

  5. 계산된 x값을 이용하여 평형에 존재하는 모든 화학종의 농도를 결정

  [풀이]

   가장 중요한 단계 : 반응표 쓰기 !!

[평형상수를 이용한 평형농도 계산]

[평형상수를 이용한 평형농도 계산]

[풀이]

나. 열 화학식

  ▣ 물질이 화학변화를 일으키는 경우에는 열을 방출하거나 흡수한다.

       이 열의 출입을 나타낸 식을 열 화학반응식이라 한다.

   ① 발열반응 : 발열반응이 클수록 생성되기 쉽고 안정하다.

   ② 흡열반응 : 흡열반응을 일으키기 위해서는 계속 열을 가해야 하며, 반응이 일어나기 힘들다.

   ③ 반응 엔탈피 (enthalpy of reaction) : 어떤 물질이 생성되는 동안 그 물질 속에 축적된 에너지를 말한다. 화학반응에서

                                                                 열효과란 생성물질의 엔탈피와 반응물질의 엔탈피간의 차이이다.

       △ H = 생성물질의 엔탈피 - 반응물질의 엔탈피

다. 헤스의 법칙

  ▣ 화학반응 전 물질의 종류와 상태, 반응 후 물질의 종류와 상태가 결정되면 중간 반응이 어떤 단계로 일어나든 발생하는

       열량, 또는 흡수하는 열량의 총합은 같다. 이를 헤스의 법칙이라 한다.

2. 반응속도

가. 반응 속도

  ▣ 화학반응이 얼마나 빨리 일어나는지를 양적으로 취급할 때 이 빠르기를 반응속도라고 하는데, 반응속도는 온도, 농도,

       압력, 촉매, 작용하는 물질의 입자 크기, 빛, 전기, 교반, 효소 등에 따라 달라진다.

<참고> 반응 속도

  ◈ 단위시간에 감소 또는 증가한 물질의 농도로 표시

       금속과 산과의 반응에서 금속은 양으로 (g수), 산은 농도로 나타낸다.

나. 반응속도에 영향을 주는 요소

  ① 농도 (농도 표시 → [ ]) : 일정한 온도에서 반응물질의 농도(몰/ℓ)가 클수록 반응속도가 커지는데, 반응속도는 반응하는

                                             순간에 반응물질의 농도의 곱에 비례한다.

  ② 반응속도와 온도 활성화 에너지 : 온도를 상승시키면 반응속도는 증가한다. 일반적으로 수용액의 경우 온도가 10℃

                                             상승하면 반응속도는 약 2배 증가하고, 기체의 경우는 그 이상이다.

  <참고> 온도가 상승할 수록 반응속도가 커진다.

              열을 가하여 온도를 높게 하면 활성화하는 분자의 수가 증가하기 때문에 반응속도는 그만큼 커진다.

다. 반응속도와 촉매

  ▣ 촉매는 자신은 변화하지 않고 반응속도만을 증가시키거나 혹은 감소시키는 물질이다.

    ① 정촉매 : 반응속도를 빠르게 하는 촉매

    ② 부촉매 : 반응속도를 느리게 하는 촉매

        ex : 2H2O2 → 2H2O + O2

  <참고> 정촉매 → 활성화 에너지 낮아짐 → 반응속도 증가

               부촉매 → 활성화 에너지 높아짐 → 반응속도 감소

  <참고> 가역반응

  ◈ 조건의 변화로 정 · 역 방향으로 진행하는 반응

       온도나 농도, 압력 등의 조건 변화에 따라 반응이 정 · 역 어느 방향으로도 진행되는 반응을 가역반응이라 한다.

​

3. 반응속도와 화학평형

  ▣ 화학반응이 일어나면 반응이 진행됨에 따라 반응물질의 농도 감소가 처음에는 빨리 일어나다가 점점 천천히 일어난다.

       어느 시간에 이르러서는 더 이상 감소하지 않게 되는 상태가 되는데 이러한 상태를 정반응과 역반응의 속도가 같은

       상태, 즉, 화학평형상태(Chemical equilibrium state)라 한다.

  ▣ 화학 평형상태의 계를 이루고 있는 생성물과 반응물의 상대적 비율을 결정하기 위해 다음의 일반적 반응식을 생각해

       보자.

    A와 B를 한 용기에 혼합하고 시간에 따른 A, B의 농도를 측정하여 다음 그림에 나타내었다.

여기서, [A], [B], [C], [D]는 각 물질의 농도를 나타낸다.

이들은 시간 te 에서 변화없이 일정한 값을 보인다.

이 상태를 화학적 평형에 도달했다고 한다.

위 반응에서 C와 D가 생성되는 정반응과 A와 B가 생성되는 역반응의 속도는 각각 다음과 같다.

kf와 kr 은 정반응 속도정수, 역반응 속도 정수를 나타낸다.

정반응과 역반응의 속도가 같은 상태를 화학평형상태라 하고 이를 식으로 나타내면 다음과 같다.

화학평형 상태에서 생성물과 반응물의 농도는 kf 와 kr의 비에 의하여 결정되는 이 값을 평형상수 Kc 라고

한다. 이 관계는 질량작용의 법칙이라고 하며, 이 식을 질량작용식이라 한다.

4. 압력으로 나타낸 평형상수

  ▣ 기체의 농도는 그 물질의 분압으로 나타낼 수 있다.

       따라서, 기체의 화학반응에서의 평형상수도 기체의 농도 대신 분압으로 표시할 수 있다.

       평형상수와 구분하기 위해 농도에 대한 평형상수를 Kc, 압력에 의한 평형상수를 Kp로 표시한다.

       예를 들어 다음 반응의 평형상수는

  로 나타낸다.

  이 때, PNH3, PN, PH2 는 평형상태를 유지하는 NH3, N2, H2의 분압이다.

  여기서, △n 은 생성물의 몰수 - 반응물의 몰수이다.

  생성물과 반응물의 몰수가 같으면 △n = 0 으로 Kc 와 Kp는 같은 값을 보인다.

5. 르 샤틀리에 (Le Chatelier)의 원리

  ▣ 평형계의 조건인 온도와 압력이 변화하면 그 평형계는 어떻게 될까 ?

       1884년 Le Chatelier는 평형에 이른 계가 외부에서 교란을 받으면 그 교란을 없애려는 방향으로 반응하여 새로운 평형

        상태에 이른다고 설명하였다.

        -이를 Le Chatelier의 원리라 한다.

​

가. 농도 변화

  다음의 계가 평형을 이루었다고 하자.

  반응물이나 생성물의 농도를 조금이라도 변화시키면 이 평형이 깨진다.

  예를 들면 H2 농도를 증가시키면 평형이 깨지고 다시 새로운 평형을 이루기 위해 H2의 농도를 감소시키는 방향,

  즉 오른쪽으로 반응이 진행된다. H2가 소모됨으로써 HI가 더 생성되어 처음의 평형상태에서의 HI 농도 보다 더 증가하게

  된다. 이 때 평형의 위치가 오른쪽으로 이동하였다고 한다.

​

나. 온도 변화

  평형 상수는 온도함수이다.

  그러므로 온도가 변하면 평형의 위치도 변하고 평형상수값 자체도 영향을 받는다.

  다음의 발열반응 예를 보자.

     3H2(g) + N2(g) ↔ 2NH3 (g) + 22.0 kcal

  이 계가 평형에 이르렀을 때 온도를 가해 주면 평형은 깨지고 가해진 열의 일부를 소모하는 방향으로 반응이 진행된다.

  그러므로 흡열변화를 일으켜 NH3의 분해 반응이 진행된다.

  따라서 발열반응의 경우 계의 온도를 높이면 평형의 위치는 왼쪽으로 이동한다.

  NH3의 농도는 작아지고 N2와 H2의 농도가 커지므로​​

  Kc 의 값은 식에 따라 작아진다.

​

다. 압력 변화

6. 산의 이온화 평형

  ▣ Arrhenius의 산은 물과 반응하여 수소 이온과 짝염기 이온을 만든다.

      이 과정을 산이온화 또는 산해리 (acid ionization or acid dissociation)라 한다.

강한 산이라면 용액에서 완전히 이온화되고 이온의 농도는 산의 처음 농도로 부터 화학양론적인 반응으로

결정된다. 그러나 약한 산은 용액에서 이온의 농도를 구할 때 그 산의 이온화에 대한 평형 상수인 산이온화

(해리) 상수로 결정된다.

약한 1가의 산 HA를 예를 들어 보자.​

산의 이온화에 대한 평형상수 (또는 산이온화 상수) Ka 는 아래와 같다.​

주어진 온도에서 산 HA의 세기는 Ka가 크면 클수록 산의 세기는 더욱 크고 결국 그것은 산의 이온화 때문

에 평형에서 H+ 이온의 농도가 더 크다는 것을 의미한다.

약한 산의 이온화는 결코 완전할 수 없기 때문에 모든 화학종 (이온화되지 않은 산, 수소이온 및 A- 이온)이

평형에서 존재한다.

​

7. 용해도 곱

  ▣ 염의 포화 용액을 만들면 이온과 용기 밑바닥에 있는 녹지 않은 고체 사이에 동적평형이 이루어진다.

       염화은의 포화 용액에서 평형을 이루고 있다고 가정하면 다음과 같이 나타낼 수 있다.​

이 상태에 대한 평형상수는 다음과 같다.​​

순수한 고체 농도는 존재하는 고체의 양과는 무관하다. 즉, 고체의 농도는 일정하며 상수 K 속에 포함시킬

수 있다. 따라서, 평형 상수 K에 고체 AgCl의 농도를 곱한 것은 여전히 상수이며, 이것을 Ksp로 표시하고

용해도를 상수라고 부른다.

      K [AgCl (s)] = Ksp = [Ag+] [Cl-]

Mg(OH)2와 같이 녹지 않는 고체의 경우에는 해리평형의 계수가 전부 1이 아니다.​

용해도 곱 상수는 포화 용액에서의 이온농도들을 해리반응식의 화학양론적 계수 만큼 거듭 제곱한 다음

서로 곱해 준 것과 같다.

포화용액은 이온 곱, 즉 알맞게 제곱승한 이온농도들의 곱이 엄밀하게 Ksp와 같을 때만 존재할 수 있다.

이온곱이 Ksp 보다 작을 때는 이것과 같아질 때까지 더 많은 염이 녹아서 이온농도를 증가시키므로

불포화 용액이다. 반면에 이온곱이 Ksp 보다 클 때는 이온농도를 낮추려고 염의 일부가 침전되며 이를

과포화 용액이라 한다.

​

#반응속도 #화학평형 #열화학반응식 #헤스의법칙 #촉매 #열량 #가역반응 #정촉매 #부촉매

#르샤틀리에 #평형상수 #용해도곱 #이온화평형

1. 방향족 화합물

가. 벤젠

  ▣ 벤젠 구조의 표현방법은 공명구조이론에 의한 것이다.

       벤젠에는 2종류의 기여구조 (寄與構造)가 있고 그것들이 공명혼성체 (resonance hybrid)로 된다.

       따라서 Kekule의 구조식은 그 한쪽만을 나타내고 있고 실제의 구조식은 π 전자가 6개의 탄소 사이에

       비편재화 (delocalization)된 π결합으로 되어 있는데 보통 다음과 같은 구조식을 사용한다.

  ▣ 즉, 6개의 수소원자는 등가 (等價)이고 6개의 탄소 - 탄소 원자간의 거리도 각각 1.40 A 이며, σ 결합의 거리 1.54 A과

       π결합의 1.33 A의 거의 중간치이다.

       이 구조를 통하여 1, 2 dichlorobenzene이 1개 종류 밖에 존재하지 않는 이유도 이해된다.

 나. 방향족 화합물의 명명법

   ① 치환벤젠의 명명법 : 벤젠의 6개의 탄소원자가 등가이어서 1 치환 벤젠에서는 그 치환위치를 나타낼 필요가 없고 치환

                                         기의 명칭 뒤엔 'qpswps ( - benzene)'을 붙이면 된다.

        또한, 방향족 탄화수소에는 많은 관용명이 사용되고 있으며, 그 예는 다음과 같다.

    ▣ 관용명으로 불리는 2치환 벤젠의 예는 다음과 같다.

다. 다치환 벤젠의 명명법

<벤젠형 방향족 화합물 및 그 성질>

2. 지방족 탄화수소의 유도체

가. 알코올류 (R-OH)

​

  ① 알코올의 분류

  ② 주요 알코올

    ㉯ 2차 알코올의 산화

       ▣ 2차 알코올 산화시키면 케톤이 된다.

나. 에테르류 (R - O - R')

  ▣ 산소원자에 2개의 알킬기가 결합된 화합물이다.

      디메틸에테르 [CH3OCH3 (b.p. -23.7℃]와 디에틸에테르 [C2H5OC2H5 (b.p. 34.6℃]의 두가지가 있다.

  ① 제법 : 알코올에 진한 황산을 넣고 가열한다.

  ② 일반적 성질

    ㉮ 물에 난용성인 휘발성 액체이며, 인화성 및 마취성이 있다.

    ㉯ 기름 등 유기물을 잘 녹인다. (유기 용매)

    ㉰ 수소원자를 알킬기로 치환한다.

        ex : (C2H5)2O [에틸에테르]

               C2H5OCH3 [에틸메틸에테르]

    ▣ 보통 사용하고 있는 에테르는 디에틸에테르로서 단지 에테르라고 부르기도 한다.

  ③ 용도 : 용매, 마취제로 사용된다.

​

  예제 : 다음 중 에테르의 일반식은 어느 것인가 ?

     ① R - O - R         ② R - CHO          ③ R - COOH           ④ R - CO - R

    [풀이] R - O - R (C2H5OC2H5) 답 : ①

​

다. 알데하이드류 (R - CHO)

  ▣ 알데하이드는 일반적으로 R - CHO로 표시되고 (R은 알킬기) 원자단 - CHO를 알데하이드기라고 한다.

  ① 알데하이드기 (-CHO)는 산화되어서 카르복실기로 되는 경향이 강하므로 일반적으로 강한 환원성을 가지고 있다.

       이 경우에 알데하이드는 카르복시산으로 된다.

  ② 펠링 용액을 환원하여 산화 제1구리의 붉은 침전 (Cu2O)을 만들거나 암모니아성 질산은 용액을 환원하여 은을 유리

       시켜 은거울 반응을 한다. 알데하이드 검출에 이용한다.

​

라. 케톤 (R - CO - R')

  ▣ 일반적으로 R - CO - R'로 표시되는 (R, R'은 알킬기)물질을 케톤이라 한다. 케톤은 카르보닐기 (>C=O)를 가진 두개의

       알킬기로 연결된 화합물을 말한다. 양쪽에 모두 알킬기로 결합한 카르보닐기를 케톤기라 한다.

    ex : 디메틸케톤 : CH3COCH3, 에틸메틸케톤 : C2H5COCH3, 아세톤 : CH3-CO-CH3

​

마. 카르복시산류 (R - COOH)

  ① 일반적 성질

    ㉮ 유기산이라고도 하며, 유기물 분자 내에 카르복실기 (-COOH)를 갖는 화합물을 말한다.

    ㉯ 알데하이드 (R-CHO)를 산화시키면 카르복시산 (R-COOH)이 된다.

    ㉰ 물에 녹아 약산성을 띤다.

       ex : CH3COOH + H2O = CH3COO- + H3O+

    ㉱ 수소결합을 하므로 비등점이 높다.

    ㉲ 알코올 (R - OH)과 반응하여 에스터 (R - O - R')가 생성된다.

    ㉳ 염기와 중화반응을 한다.

        ex : RCOOH + NaOH → RCOONa + H2O

    ㉴ 알칼리 금속 (K, Na 등)과 반응하여 수소 (H2)를 발생시킨다.

        ex : 2R - COOH + 2Na → 2RCOONa + H2

  ② 용도 : 저급 알코올의 초산 에틸은 좋은 향기를 가지므로 과실 에센스로 사용되며 용매로도 사용된다.

      ex : 초산에틸 (CH3COOC2H5) : 딸기 냄새

             초산아밀 (CH3COOC5H11) : 배 냄새

             낙산에틸 (C3H7COOC2H5) : 파인애플 냄새

​

#벤젠 #공명혼성체 #방향족 #치환벤젠 #알코올류 #알킬기 #에테르 #알칼리금속 #알데하이드 #케톤

#카르복시산 #에스터

1. 탄화수소

 가. 탄화수소의 특징

  ▣ 탄소와 수소로 이루어진 탄화수소는 그 종류가 무궁무진하다.

  ▣ 탄소와 수소의 결합은 분자 구조에서 알아 보았듯이 단일결합, 이중결합, 삼중결합 방식을 통해 다양하게

       결합을 하므로 화합물의 종류가 무궁무진하다.

​

나. 탄화수소의 종류

  ▣ 메탄, 에탄, 프로판은 상온에서 기체이다. 천연가스의 주성분인 메테인은 메탄가스, 천연가스, 도시가스라고도 부른다.

       프로테인과 부테인을 합하여 LPG 가스라고 한다.

   * LPG : Liqufied Petoleum Gas 의 약자로 우리말로는 '액화석유가스'라는 의미이다.

                휘발유 성분인 펜테인, 헥세인, 헵테인이 있다. 또한 옥테인, 데케인, 도데케인까지 있는데 옥탄(옥테인)은 탄소

                가 8개가 있는데 이는 엔진 속에서 성능이 제일 좋아 노킹도 일어나지 않고 휘발유와 고급 휘발유로 나누는 기준

                이 된다. Octane value (옥탄가)가 보통 97[%] 정도면 보통휘발유, Octane value가 100[%] - 순수한 물질과 마찬

                가지 - 이면 이를 고급 휘발유라고 한다.

       탄소 성분이 많아지면 경유라고 디젤연료의 성분이 되고 탄소의 개수가 20개인 이 화합물을 '에코센' 이라고 한다.

        탄소 개수가 적으면(1~4개) 기체, 조금 많으면(5~16개) 액체, 탄소개수가 더 많아지면 고체 - 파라핀 왁스 (일반적으로

        양초)가 되는데 에코센은 바세린 - 페트롤륨 젤리(Petroleum jelly)도 있다.

​

다. 구조 이성질체

  "분자식은 같지만 원자가 결합 순서가 달라서 물리적, 화학적 성질이 달리 나타나는 분자"

    ▣ 마찬가지로 폴리 프로틸렌도 같은 계열이 될 수 있다.

​

나. 시스/트랜스 이성질 현상

  ▣ 삼중결합을 하나 갖은 불포화 탄화수소를 알카인(alkyne)이라고 한다.

       삼중결합을 갖는 유기화합물은 너무 불안정하여 많은 물질이 있지 않다.

       이중에서 '에타인(C2H2)가 있는데 관용적으로 '아세틸렌'이라고 한다.

  ▣ 분자구조는 아래와 같다.

  ① 분자 중에서 가장 긴 탄소사슬을 골라 그 탄소사슬의 알칸 명칭을 모체로 하여 명명하고 치환기를 갖는 것은 그 화합물

       의 유도체로 생각한다.

  ② 치환기의 결합 위치를 탄소번호로 나타낸다. 이 때 번호의 숫자가 가능한 한 작게 되도록 모체 알칸의 어느 안쪽으로

       부터 번호를 붙인다.

  ③ 치환기가 있는 화합물의 명칭은 모체가 되는 탄소사슬의 명칭 앞에 치환기의 이름을 붙인다.

  ④ 같은 치환기가 분자 중에 2개 이상 있을 경우는 그 수를 접두어인 디 (di = 2), 트리(tri- = 3), 테트라 (tetra - = 4) 등을

       사용하여 표시한다. 또한 2개 이상의 치환기가 같은 탄소에 결합되어 있는 경우에는 그 탄소번호 사이에 ','를 붙이고

       이어서 붙여 나간다. 접두어는 알파벳 순을 고려하지 않아도 된다.

  ⑤ 모체가 되는 가장 긴 사슬이 여러 개 있는 경우에는 치환 정도가 가장 높은 것을 우선하여 명명한다.

  ⑥ 아이소프로판, 아이소부탄, 아이소펜탄, 네어펜탄 등과 같이 관용어로 불려지는 알칸이 치환기로 되는 경우에는 아이

       소프로필기, 아이소뷰틸기, 아이소펜틸기, 네어펜틸기 등으로 부른다.

  ⑦ 할로겐 치환기는 어미 인(ine)을 오 (-o)로 명명한다.

        F (fluoro), Cl (Chloro), Br (Bromo), I (iodo)

나. 알칸의 물리적 성질

  ① 알칸의 특성은 비극성 (nonpolar)이므로 비점 (b.p. : 끓는 점)과 융점 (m.p. : 녹는점)이 다른 극성 (polar)이 있는 화합물

       에 비하여 낮아진다.

  ② 실온에서 탄소수가 적은 C1의 메탄에서 C4의 부탄까지는 기체이고, C5에서 C17까지는 액체이며, 탄소수가 많은

        C18 이상은 고체이다.

  ③ 물에 대한 용해도 (Solubility)는 비극성 때문에 대단히 낮고, 가장 높은 메탄인 경우에는 물 100 ㎖ 중에 0.0025g 밖에

       용해되지 않는다.

  ④ 알칸은 물에는 불용해성이지만 비극성인 알칸, 알켄, 벤젠 등의 탄화수소에는 잘 용해되고 사염화탄소 (CCl4), 클로로

       프름 (CHCl3), 염화메틸렌 (CH2Cl2) 등의 염소계 유기화합물에도 잘 녹는다.

       "비슷한 물질 끼리는 잘 녹는다"라고 하는 일반 법칙이 잘 맞으며 이것은 극성에 관계된다.

  ⑤ 알칸의 화학적 특징은 일반적으로 반응성이 낮고 불활성인 것이다. 알칸은 파라핀 ( paraffin)이라고도 한다.

  ⑥ 알칸은 실내온도 조건하에서 알칼리, 산, 과망가니즈산칼륨, 금속 나트륨 등과는 반응하지 않는다.

       그러나 조건을 강하게 하면 독특한 반응을 일으키기도 한다.

​

다. 알칸의 반응

  ① 알칸의 할로겐화 : 보통의 조건하에서 알칸은 할로겐에 의하여 할로겐화 (Halogenation) 되지 않는다.

                                    그러나 알칸 및 할로겐을 가열하거나 자외선 (ultraviolet ray)을 비춰주면 반응이

                                    개시되고 알칸의 수소 1원자가 할로겐 1원자와 치환반응 (Substitution reaction)을

                                    일으킨다. 이 때에 할로겐화수소가 1분자 생성된다.

             여기에서 X는 할로겐을 나타내며 알칸이 할로겐 분자와 반응하는 속도는 F2 ≫ Cl2 > Br2 > I​2의 순이다.

  ② 알칸의 산화 : 알칸은 고온하에서 산소화 반응하여 이산화탄소와 물을 생성한다. 이 산화반응(Oxidation reaction)을

                             일반적으로 연소 (Combustion)라고 하는데 발열반응 (發熱 反應)이다.

                             알칸의 methylene기 ( - CH2 -) 1개당 약 160 kcal/mol 의 열을 방출한다.

  ③ 알칸의 열분해 : 석유의 높은 끓는 점 유분 (留分)의 긴 사슬알칸을 고압하에서 가열 (500 ~700 ℃)하여 저분자량의

                                 알칸이나 알켄으로 변화하는 방법을 가열크래킹 (Cracking)이하고 하는데 프로판의 열분해 

                                  (Thermolysis)에서는 프로필렌, 에틸렌, 메탄, 수소가 각각 생성된다.

4. 고리모양 알칸

가. 고리모양 알칸의 명명법

  ▣ 고리모양 알칸의 명명은 알칸과 같으며, 고리를 형성하고 있는 탄소수를 모체의 이름으로 하고, 그 앞에 고리를 나타내

       는 접두어 사이클로 (Cyclo)를 붙인다.

  ▣ 치환기가 1개 있는 경우에는 치환기의 명칭을 먼저 붙이고 사이클로알칸을 명명한다. 치환기가 2개 이상 있는 경우에

       는 알파벳 순으로 치환기 명칭을 배열한 후 최초 치환기가 붙어 있는 탄소원자를 C1으로 하고, 다른 치환기가 붙는

       번호를 가급적 작게 하는 방향으로 고리에 따라서 번호를 붙인다.

나. 고리모양 알칸의 변형과 형태

  ▣ 2종 화합물의 C - C 결합은 약하고 수소첨가에 의하여 용이하게 환원되어 고리가 열려 사슬알칸이 된다.

       사이클로프로판이 사이클로부탄보다 쉬운 조건에서 개환하는 것은 그 만큼 변형이 크다는 것이다.

5. 알켄

가. 알켄

  ▣ 지방족 불포화탄화수소 중에 탄소 - 탄소 이중결합을 갖는 유기화합물을 알켄 (Alkene 또는 Olefine) 이라고 총칭한다.

나. 알켄의 명명법

       다음 예에서 규칙들이 어떻게 적용되는지를 알 수 있다.

나. 알킨의 반응

  ① 수소의 첨가 : 알킨에 백금, 니켈, 파라듐 등의 촉매를 사용하여 수소를 첨가하면 최종 생성물로서 알칸이 얻어진다.

                             또한 활성을 저하시키는 촉매(觸媒), 예를들면, Pd/BaSO4 또는 Pd/Pb(OCOCH3)2 등을 사용하면

                             1 mol의 수소만을 흡수하고 반응이 정지되며 cis - 알켄이 생성된다.

  ② 할로겐의 첨가 : 탄소 - 탄소 3중 결합에 2mol의 할로겐을 첨가하면 1, 1, 2, 2- 테트라할로겐화합물이 된다.

                                 일반적으로 염소와 브로민이 반응을 잘 한다.

​

다. 알칸 (CnH2n+2), 알켄 (CnH2n), 알킨 (CnH2n-2)의 특징 비교

#알칸 #에탄 #메탄 #프로판 #부탄 #테트라 #알켄 #이성질체 #알킨 #할로겐 #치환기 #탄소사슬

1. 유기화학 (Organic chemistry) vs 무기화학 (Inorganic ch.)

가. 유기화합물의 예

  ▣ 유기화합물에 공통적으로 들어 있는 원소들은 수소와 탄소가 들어 있다.

      그리고 일부에서는 산소와 질소가 들어 있다.

  ▣ 이와 같이 유기화합물은 탄소와 수소가 결합된 것이 기본이다.

​

나. 유기(Organic) 이란 ?

  ▣ 유기화합물 즉 탄소화합물이 가장 많이 얻어지는 원료로는 화석연료이다. 화석연료는 옛날 생물이었던 물질로 인해

       만들어진 연료인데 크게 석탄과 석유로 나뉜다.

       이들이 가장 기본적인 유기화합물인 탄화수소의 주공급원으로 화석연료이다.

  ▣ 석탄과 석유는 지금으로 부터 3억5천만년전에서 2억 9천만년전 사이에 동식물이 무산소 상태에서 부패하여 생긴

       것으로 추정되는데 석탄은 식물이 죽어서 생긴 것이로 고체상태로 생산되어 강철 생산이나 화력발전소에서 전기를

       생산하는데 사용되는데 석탄 속에는 황(S)이나 유해한 환경물질이 포함되어 있어 좋은 연료라고는 할 수 없다.

  ▣ 탄소와 수소로 이루어진 탄화수소는 그 종류가 무궁무진하다.

  ▣ 탄소와 수소의 결합은 분자 구조에서 알아 보았듯이 단일결합, 이중결합, 삼중결합 방식을 통해 다양하게 결합을

       하므로 화합물의 종류가 무궁무진하다.

​

나. 탄화수소의 종류

나. 구조상의 표시방법

다. 이성질체

  ▣ 탄소 원자가 중심이 되어 여기에 수소, 산소가 결합하여 분자를 만들 경우, 탄소 골격의 배열의 차이로 인하여 같은

       분자식으로 표시되어도 분자를 구성하는 원자배열이 다른 것이 생기게 된다.

       이것을 이성질체라 한다.

  ① 메탄계 탄화수소 : CH4로 부터 C3H8 까지는 이성질체가 없고 그 이상에서는 다음과 같이 이성질체가 생긴다.

     ㉠ 부탄 (C4H10) : 프로판 (C3H8)의 수소원자(H) 1개 메틸기 (CH3)로 치환된 것이다.

    ㉡ 펜탄 (C5H12) : 펜탄에는 세가지 이성질체가 있다.

라. 위치 이성질체

  ▣ 위치 이성질체 현상은 사슬상의 작용기의 위치가 변화한다. 아래 표에서 Hydroxy기는 n-펜탄 사슬상의 3가지 다른

       위치를 차지하여 3가지 서로 다른 화합물이 형성될 수 있다.

마. 분자골격에 따른 분류

  ① 사슬 화합물

  ② 탄소고리화합물

  ③ 헤테로 고리 화합물 : 탄소 이외의 원자, 즉 헤테로 원자를 적어도 1개 이상 가지고 있다.

       ex : O, N, S 등

바. 구조식 약식화

▣ 구조식을 완전히 줄여서 쓴다면 탄소 골격만을 나타내서 쓸 수 있다.

5. 유기화합물의 분류

가. 결합형태에 따른 분류

나. 작용기에 의한 분류

  ▣ 화합물을 구성하는 원소나 이온 중에서 그 물질의 특성을 결정하는 원자단을 유기화합물에 있어서 치환기 또는 작용기

       라 하며, 이 작용기에 따라 유기화합물의 특성이나 명명법이 뚜렷이 구별된다.

<주요 알킬기>

#유기화합물 #이성질체 #탄화수소 #메탄계 #펜탄 #헤테르 #작용기 #메틸 #에틸 #하이드록실기

1. 금속과 그 화합물

가. 알칼리 금속 (출제빈도 높음) ★★★

  ① 결합력이 약하고 연하며 가벼운 은백색 광택이 나는 밀도가 작은 금속이다.

       밀도가 매우 작아 물에 뜰 정도로 가볍다.

  ② 반응성이 매우 크다.

  <참고> 알칼리 금속은 화학반응이 가장 활발한 금속이다.

              화학반응은 원자번호가 클수록 활발하다.

          ⊙ 55Cs > 37Rb > 19K > 11Na > 3Li

  ③ 공기 중에서 쉽게 산화된다. 알칼리 금속을 공기 중에 노출시키면 순식간에 산화되어 색이 변한다.

        ex : 4 Na + O2 → 2 NaO

  ④ 알칼리금속은 찬물과 격렬하게 반응함은 물론 공기 중의 수증기와도 반응하여 수소 기체를 발생시키며 수산화물을

       만들고, 많은 열을 낸다. 따라서, 알칼리 금속은 반드시 석유나 유동성 파라핀 속에 보관하여 공기중의 산소와 수분

       으로 부터 격리시켜야 한다.

      ex : 2Na + 2H2O → 2 NaOH + H2

  ⑤ 알칼리금속은 불꽃 반응을 한다. 알칼리 금속은 공기 중에서 연소하면서 특유의 빛을 낸다.

       이 반응을 이용하여 알칼리 금속을 구별할 수 있다.

       Li (빨강), Na (노랑), K (보라), Rb (빨강), Cs (청자)

  ⑥ 산화물의 수용액은 모두 강한 염기성을 나타낸다.

        M2O + 2H2O → 2MOH + H2

        MOH → M+ + OH-

      ex : 2 Na (s) + H2O (l) → 2 NaOH (s)

             NaOH → Na+ + OH-

  ⑦ 끓는 점과 녹는 점이 낮다.

       원자번호가 클수록 원자 반경이 급속히 커져 원자 간의 인력이 작아지기 때문에

       녹는점과 끓는 점이 낮아진다.

         Li > Na > K > Rb > Cs

​

나. 알칼리토 금속

  ① 알칼리토 금속의 일반적 성질

    ▣ 알칼리토 금속은 주기율표 Ⅱ족에 속하는 원소들이다.

          Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra 등 6개 원소가 여기에 속한다.

         이들 원소들은 반응성이 강하며 최외각에 2개의 전자를 갖고 있어 2가의 양이온이 된다.

   ㉠ 알칼리 금속 원소와 흡사하며 은회백색의 금속으로 가볍고 연하다.

   ㉡ 알칼리금속처럼 활발하지 않지만 공기 중에서 산화되며 물과 반응하여 수소를 만든다.

   ㉢ 금속의 염은 무색이고, 염화물, 질산염은 모두 물에 잘 녹는다.

   ㉣ Ca, Sr, Ba의 탄산염, 황산염은 물에 녹기 어렵다.

   ㉤ Be, Mg 을 제외한 금속은 불꽃반응으로 고유한 색을 나타낸다.

 <참고> 양쪽성 산화물과 알칼리 반응

              Al2O3 + 2NaOH → 2NaAlO2 + H2O

              산화알루미늄 알루민산나트륨

   ㉥ 알칼리 금속과 같이 원자번호가 증가할 수록 활성이 커진다.

         Be < Mg < Ca < Sr < Ba

다. 단물과 센물

  ① 단물(연수) : 물 속에 Ca2+, Mg2+ 이 비교적 적게 녹아 있어 비누가 잘 풀리는 물

                            ex : 수돗물

  ② 센물(경수) : 물 속에 Ca2+, Mg2+이 많이 녹아 있어 비누가 잘 풀리지 않는 물

                          ex : 우물물, 지하수

  ③ 비누와 센물의 반응 : 물 속의 Mg2+, Ca2+ 이 비눗물의 음이온 (RCOO-)과 결합하여 물에 녹지 않는 염을 수면 위에

                                         거품형태로 만든다.

          ex : 2RCOONa + Ca(HCO3)2 → (RCOO)2Ca ↓ + 2NaHCO3

2. 비금속 원소

가. 비활성 기체

  ① 기본 성질

    ㉠ 비활성 기체는 다른 원소와 화합하지 않고 원자 구조상 전자배열이 극히 안정하고, 화합물을 거의 만들지 않는

         단원자 분자이다.

    ㉡ 헬륨 (He)을 제외하고는 원자가 전자가 모두 8개로서 다른 원자도 이와 같은 전자배열을 취하여 안정한 화합물을

         만든다.

    ㉢ 비활성 기체는 방전할 때 특유의 색을 내므로 야간 광고용에 이용된다.

    ㉣ 비활성 기체라 할지라도 원자번호가 큰 것은 여러가지 화합물로 발견되었다.

  ② 비활성 기체의 화합물

    ㉠ 안정한 전자배치를 하고 있기 때문에 화합물을 형성하지 않으며, 상온에서 단원자 분자로 안정하게 존재할 수 있다.

    ㉡ 몇 가지 인공적으로 합성한 화합물이 존재하기는 하나 매우 불안정하여 쉽게 분해된다.

         ex : XeF6, XeF4, XeF2, XePtF6

나. 할로겐 원소

  ① 기본 성질

     ◈ 원자가 전자가 7개, 원자가 -1

     ◈ 전자 1개를 받아 -1가 이온이 되기 쉽다.

   ㉠ 수소와 금속에 대해서 화합력(산화력)이 매우 강하다.

   ㉡ 최외각의 전자수가 7개이며, 한 개의 전자를 밖에서 얻음으로써 안정한 전자배열을 갖고자 하기 때문에 -1 가의

        이온이 된다.

   ㉢ 수소화합물은 무색, 발연성의 자극성 기체로서 물에 쉽게 녹으며 강한 산성 반응을 나타낸다.

   ㉣ 금속 화합물은 불소(F)를 제외한 다른 할로겐 원소의 은염, 제1 수은연염(鉛鹽) 등을 제외하고는 다 물에 녹는다.

      ◈ 물에 녹지 않는 염 : AgCl↓, Hg2Cl2 ↓, PbCl2↓, Cu2Cl2 ↓ 등

  ② 할로겐 원소의 반응성

    ㉠ 알칼리 금속과 직접 반응하여 이온결합 물질을 만든다.

          2Na (s) + Cl2 (g) → 2NaCl (s)

    ㉡ 할로겐화수소의 결합력 세기

          HF > HCl > HBr > HI

    ㉢ 할로겐화수소산의 산의 세기 비교

       ⊙ 할로겐화수소는 모두 강산이나 HF는 분자 간의 인력이 강하여 약산이다.

            HF < HCl < HBr < HI

       ⊙ 강산이란 수용액에서 H+이 많이 생기는 산이다.

            따라서 결합력이 약할 수록 이온화가 잘 되어 강한 산에 속한다.

3. 방사성 원소

가. 방사선의 종류와 작용

  ① 방사선 핵 충돌 반응

    ㉠ 방사선 붕괴 : 핵이 자연적으로 붕괴되어 방사선 (α, β, γ)을 발생

   ㉡ 핵충돌 반응 : 핵입자가 충분한 에너지를 가지고 충돌할 때 새로운 핵 생성

  <참고> 방사선이란 무엇인가 ?

  ⑤ 방사선의 작용

    ㉠ 투과력이 크며, 사진 건판을 감광한다.

    ㉡ 공기를 대전시킨다.

    ㉢ 물질에 에너지를 줌으로써 형광을 내게 한다.

    ㉣ 라듐(Ra)의 방사선은 위암의 치료에 이용된다.

  ⑥ 핵방정식 : α 입자의 방출 (He 핵을 잃음)에 의한 U의 방사성 붕괴의 핵방정식은 다음과 같다.

나. 원소의 붕괴

  ▣ 방사성 원소는 단체이든 화합물의 상태이든 온도 · 압력에 관계없이 방사선을 내고 다른 원소로 된다.

       이와같은 현상을 원소의 붕괴라고 한다.

  ▣ 불안정한 원자핵을 가지고 있는 원소가 방사선을 내놓고 다른 원소로 변해가는 것을 방사성 붕괴라고 한다. 불안정의

       정도에 따라 방사성 붕괴에 걸리는 시간이 다르다. 어떤 양의 방사성 원소가 붕괴하여 반이 남는 데 걸리는 시간을

       반감기라고 한다. 반감기가 짧을수록 더 불안정한 원자핵이다.

  ▣ 이런 방사성 원소들이 붕괴할 때는 항상 방사선이 나온다. 방사선은 큰 에너지를 가지고 있어 인체에 큰 영향을 줄 수

       있다. 방사선의 세기를 측정하는 가장 오래된 방법은 1초에 몇 번의 방사성 붕괴가 일어나느냐를 측정하는 것이다.

       1초에 한 번의 방사성 붕괴가 일어나는 경우, 즉 1초에 하나의 방사선이 일어나는 방사능의 세기를 1베크릴(Bq)이라고

       한다. 베크렐은 너무 작은 값이어서 실제로는3.7×1010Bq를 나타내는 큐리(Ci)라는 단위를 많이 사용한다.

  ▣ 방사선이 위험한 것은 방사선이 우리 몸의 원자나 분자를 전리시킨다는 것이다. 방사선의 에너지와 전리 현상은 우리

       몸 세포의 DNA를 파괴하여 암을 유발하고, 전리된 수소나 수산화이온은 다른 물질과 화합물을 만들어 각종 질병을

       유발할 수 있다.

     ◈ α 붕괴에 의하여 원자번호는 2, 질량수는 4 감소된다.

  ② β붕괴 : 어떤 원소에서 β붕괴가 일어나면 질량수는 변동없고, 원자번호가 하나 증가하여 새로운 원소로 된다.

                    따라서 주기율표에서 한 칸 뒷자리의 원소로 된다.​

    ◈ β붕괴에 의하여 원자번호는 1 증가하고, 질량수는 변동없다.

​

  ③ γ선 : γ선은 방출되어도 질량수나 원자번호는 변하지 않는다.​

                      [풀이] 반응 전후의 핵의 질량수의 총합과 양성자수의 총합은 같으므로

                                 질량수 = (9 + 4) - 1 = 12

                                 양성자수 = (4 + 2) - 0 = 6

라. 반감기

  ▣ 방사성 핵의 반감기는 핵의 반이 붕괴하는데 걸리는 시간으로 정의한다.

       즉, A → 생성물이며, 반감기는 A의 반이 반응하는데 걸리는 시간이다.

       붕괴되는 속도는 붕괴되기 전의 원소의 양 (원자수, 방사능 세기)이 반으로 감소하기 까지에 걸리는

       시간으로 나타내는데, 이 시간을 반감기라고 한다.

       여기서, M : 최후의 질량, m : 최초의 질량, T : 반감기, t : 경과시간

​

  [예제] 어떤 방사능 물질의 반감기가 10년이라면 10g의 물질이 20년 후에는 몇 g이 남는가 ?​

마. 원자에너지

  ▣ 아인슈타인의 일반 상대성 원리에 의하면 물질의 질량과 에너지는 서로 바뀔 수 있으며

       E = mc2

      여기서, E : 생성되는 에너지 (erg)

                   m : 질량 결손 (원자핵이 파괴될 때 없어진 질량)

                   C : 광속도 (㎝/s) = 3 × 1010 ㎝/s

                   와 같은 관계가 성립한다.

​

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