아낌없이 주는 나무

1. 산화 · 환원의 개념

  ▣ 산화 · 환원 반응(酸化 · 還元反應, Redox, reduction-oxidation)은 원자의 산화수가 달라지는화학반응이다. 산화·환원

       반응은 화학종 사이의 실제 또는 형식적인 전자 이동을 특징으로 하며, 가장 흔히 한 종(환원제)은 산화(전자 손실)를

       겪고 다른 종(산화제)은 환원(전자획득)을 겪는다.

       전자가 제거된 화학종은 산화되었다고 하고 전자를 얻은 화학종은 환원되었다고 한다.

  ◈ 산화(Oxidation)는 분자, 원자 또는 이논이 산소를 얻거나 수소 또는 전자를 '잃는' 것을 말한다.  

  ◈ 환원(Reduction)은 분자, 원자 또는 이온이 산소를 잃거나 수소 또는 전자를 '얻는' 것을 말한다.

  ▣ 산화, 환원 반응을 숫자로 계산하려고 만들어 낸 개념이 산화수이다.

  ▣ 철은 철 원소만 있을 때는 전하량이 없으니까 "0"이다. 그런데 산소와 결합했다면 산소는 전자 2개를 빼앗는 것이 기본

       인데 산소가 3개 이니까 전자 6개가 부족하다.

       따라서, 철 하나당 전자 3개를 담당하여 전체적으로 "0"이 되어 화합물이 되는 것이다.

       철은 0에서 +3이 되었으니 전자를 잃어 산화된 것이고

       산소는 0에서 2-가 되었으니전자를 얻어 환원된 것이다.

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나. 산화수의 정의

  ▣ 산화수 (Oxidation Number, 또는 산화 상태)

     ⊙ 공유결합에서 모든 전자가 전기음성도가 큰 원자에 속한다는 가정하에 원자에 임의로 할당된 전하

  ▣ 반응 전후에 한 원자의 산화수를 비교하면 원자들이 전자를 얻었는지 또는 잃었는지를 알 수 있음

  ▣ 반드시 이온 전하를 의미하지는 않는다는 것에 유의해야 함

  ▣ 산화 - 환원 반응에서 전자의 추적에 도움을 주는 단순하고 편리한 방법임

  ▣ 물의 경우에는 H2O는 H2와 O가 공유결합을 한다. 이 때 전자를 산소쪽으로 살짝 당겨지긴 하지만 그렇다고 수소가

       완전히 전자를 잃어 버린 것은 아니다. 공유결합은 이온결합 처럼 전하수가 주고 받는 것이 명확하지 않으므로 이럴 때

       는 전자를 얻는 것인지 잃는 것인지 모호할 수 있다.

       따라서 공유결합한 두원자 중에서 전기음성도가 큰 원자가 전자를 가져갔다고 본다.

       그래서 산소가 최외각 껍질 전자가 6개가 있었는데 수소의 전자 2개를 가져가 산소는 전자가 8개가 된다.

       산화수는 원래의 원자 최외각 전자수 빼기, 공유 전자를 전기음성도가 센 원자가 전자를 가져간다고 가정했을 때,

       이 전자수를 빼서 계산하면 6 - 8 = -2 가 된다.

       수소는 최외각 전자가 1개 있는데 이것을 빼앗겼으니까 전자가 없는 것과 마찬가지가 되었다.

       그래서 수소는 1 - 0 = +1 이 된다.

       이것이 산화수 개념이다.

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다. 산화수 규칙

  ▣ 홑 원소 물질로 된 원소상태에 있는 물질들은 산화수가 모두 "0"이다.

       이 물질은 다른 물질과 결합한 것이 아니므로 전자를 빼앗기거나 가져오지 않은 상태이다.

       그런데 이 물질, 원자 하나가 이온화를 하면 단원자 이온에서 원자의 산화수는 그 이온이 가지는 전하수와 같다.

       원자 하나가 이온이 되었을 때 산화수는 그 물질의 전하수이다.

  ▣ 다원자 이온일 때는 물(H2O)을 예로 들면, 다원자 이온이나 분자화합물이 있을 때는 물은 산소가 전자를 세게 당기므

       로 산소는 특별하지 않은 경우 산화수는 -2이다.

       대부분의 산소는 최외각 껍질 전자가 6개로 전자 2개를 가져 오므로 산소는 -2, 수소는 +1이 된다.

  ▣ 그런데 O-H 라는 수산화이온은 왜 생겼을까 ?

       산소가 -2 이고, 수소가 +1이고 나트륨은 +1이기 때문에 특별하지 않을 때는 산소원자 하나와 수소원자 1개와 나트륨

       1개가 결합하여 수산화나트륨 (NaHO)이 되지만, 무슨 일에 의해서 인지는 모르지만 Na - O - H의 분자구조에서 Na가

       떨어져 나가 Na+가 되고 O-H- 의 불완전한 이온이 되는 경우가 있다.

       이렇게 하여 생긴 이온이 수산화이온 (OH-)이 된다.

       암모니아는 수소보다 질소가 전자를 당기는 힘이 세서 수소가 +1, 질소가 -3이 된다.

  ▣ 산소는 일반적으로 산화수가 -2이다. 그런데 그렇지 않은 경우가 있다.

       OF2 라는 분자이다. 불소 (F)는 전기음성도에서 범접 불가이다. 전기형성도가 무조건 제일 세다.

       불소(F)는 어느 물질에서든 전자를 항상 빼앗아 오는 물질이다.

       그리고 최외각 전자가 7개라서 항상 산화수는 -1이다.

       그런데 불소(F) 2개가 있으니 산화수는 +2가 된다.

       산소는 일반적으로 전자를 빼앗는 -2의 역할을 하지만 불소를 만나면 전자를 빼앗기는 +2 의 역할로 변한다.

  ▣ H2O2는 산소보다 전자를 못 빼앗으므로 오히려 산소보다 전기 음성도가 작으니까 수소 +1 이 2개 있고

      원래 산소는 -2가 되어야 하는데 수소가 줄 수 있는 전자가 없어서 -1개 짜리 2개인 과산화, 불안정한 물질이 된다.

  ▣ 할로젠, F, Cl, Br, I 는 일반적으로 산화수 -1을 갖는다.

       17족 원소이니까 최외각 전자수가 7개 있다.

       그런데 Cl2O라는 분자로 있을 때는 F, Cl, Br, I 계열 원소중 F는 산소보다 전기 음성도가 크지만

       Cl, Br, I 는 산소(O)보다 전기음성도가 크지 않다.

       따라서 Cl2O 에서 O는 -2이고 Cl 원자 하나가 +1을 가질 수 밖에 없다.

       F를 제외한 Cl, Br, I 는 산소(O)와 만나면 상황이 달라진다.

  ▣ 중성인 분자에서는 산화수 합이 분자가 되고 H2SO4에서 분자면 "0"이 되고

       산화수의 합이 "0"이 되어야 한다. 따라서 합이 "0"이 되려면 S는 +6이 된다.

  ▣ 다원자 이온에서는 산화수 합이 알짜 전하수와 같다.

  ▣ ClO4-, 과염소산 이온인데 여기에서 산소는 일반적인 경우로 산화수가 -2이고

       산화수의 합이 -1이 된다는 것이다. 그러면 Cl은 +7이 되어야 한다.

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  ① 자유상태에 있는 원자, 분자의 산화수는 "0"이다.

       ex : He, Cl2, O2, N2 등

  ② 단원자 이온의 산화수는 이온의 전하와 같다.

       ex : Cu2+ : 산화수 +2, Cl- : 산화수 -1

  ③ 화합물 안의 모든 원자의 산화수 합은 "0"이다.

       ex : H2SO4 : (+1×2) + (+6) + (-2×4) = 0

  ④ 다원자 이온에서 산화수 합은 그 이온의 전하와 같다.

       ex : MnO4- : (+7) + (-2×4) = -1

  ⑤ 알칼리 금속, 알칼리토금속, ⅢA족 금속의 산화수는 +1, +2, +3 이다.

  ⑥ 불소화합물에서 불소의 산화수는 -1, 다른 할로겐은 -1이 아닌 경우도 있다.

  ⑦ 수소의 산화수는 금속과 결합하지 않으면 +1, 금속의 수소화물에서는 -1 이다.

       ex : HCl, NH3, H2O, NaH, MgH2, CaH2, BeH2

  ⑧ 산소의 산화수 = -2, 과산화물 = -1, 초과산홤루 = -1/2, 불산화물 = +2

       ex : Na2O, Na2O2, NaO2, OF2

  ⑨ 주족 원소 대부분은 [ⅠA족 +1] [ⅡA족 +2], [ⅢA족 +3], [ⅣA족 ±4], [ⅤA족 -3, +5]

       [ⅥA족 -2, +6], [ⅦA족 -1. +7]​

3. 산화제와 환원제

 가. 산화제와 환원제

  ① 산화제 : 자신은 환원되면서 다른 물질을 산화시키는 물질, 즉, 자신은 환원되고 남을 산화시킴

  ② 환원제 : 자신은 산화되면서 다른 물질을 환원시키는 물질, 즉, 자신은 산화되고 남을 환원시킴

  ③ 산화제의 조건

     ㉠ 전자를 얻기 쉬울 것 : 17족 (F2, Cl2, Br2, I2)

     ㉡ 산화수가 큰 원자를 가질 것 (MnO2, KMnO4, K2Cr2O7)

  ④ 환원제의 조건

     ㉠ 전자를 내기 쉬울 것 : 금속 (K, Na, Ca)

     ㉡ 산화수가 작은 원자를 가질 것 (C, SCl2, H2S)​

나. 산화력, 환원력의 크기

  ▣ 산화(산화수 증가)되는 물질 ⇒ 환원제이고 환원력이 세다.

  ▣ 환원 (산화수 감소)되는 물질 ⇒ 산화제이고 산화력이 세다.

     ※ 주기율표와 관계

다. 산화수와 산화 · 환원의 관계

  ① 산화 : 산화수가 증가하는 반응 (전자를 잃음)

  ② 환원 : 산화수가 감소하는 반응 (전자를 얻음)

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4. 산화 · 환원 방정식 (산화수법)

  ① 산화수를 조사하여 산화수의 증가, 감소량을 구한다.

  ② 산화 반쪽 반응식 : Fe2+ → Fe3+ + e-         ……………… ㉠

       환원 반쪽 반응식 : 5e- + MnO4- → Mn2+   ……………… ㉡

      ㉠ × 5 : 5 Fe2+ → 5Fe3+ + 5e-                ………………… ㉢

      ㉡ + ㉢ : 5Fe2+ + MnO4- → 5Fe3+ + Mn2+       ………… ㉣

  ③ 산소 원자의 개수는 H2O로 맞춰준다. 따라서 ㉣에서 우측에 4몰의 H2O를 더해 준다.

        5Fe2+ + MnO4- → 5Fe3+ + Mn2+ + 4H2O

  ④ H2O로 인해 수소 원자 개수를 왼쪽의 H+로 맟춰준다.

        5Fe2+ + MnO4- + 8H+ → 5Fe3+ + Mn2+ + 4H2O

​

5. 전기화학

가. 금속의 이온화 경향

  ▣ 금속원소는 여러가지 비금속 원소나 원자단과 화합물을 만든다.

       화합물 중의 금속원자는 전자를 잃어 버리고 양이온으로 된다. 이 처럼 금속원자는 한개 또는 수개의

       최외각 전자를 잃어 양이온이 되려는 성질이 있다. 이를 이온화 경향이라 한다.

나. 금속의 이온화와 화학적 성질

  ① 금속의 반응성 : 금속이 비금속과 화합할 때 금속은 양이온이 되고, 비금속은 음이온이 된다.

                                 따라서 금속 단체가 반응하는 경우, 전자를 상대에게 주고 양이온이 되는 반응을 한다.

                                 그러므로 일반적으로 이온화 경향이 큰 금속일수록 반응하기 쉬운 금속에 속한다.

   <참고> 이온화 경향이 큰 금속은 화학반응이 활발하고, 역으로 이온화 경향이 작은 금속은 화학반응을 잘 안한다.

  ② 공기 중의 산소와의 반응 : 이온화 경향에 따라 다음과 같이 반응한다.

      ㉠ K, Ca, Na, Mg : 상온의 건조된 공기 중에서 산화한다.

      ㉡ Al, Zn, Fe, Ni, Sn, Pb, Cu : 습한 공기 중에서 산화되고 건조한 공기 중에서는 표면만 산화된다.

      ㉢ Hg, Ag, Pt, Au : 공기중에서는 변화가 없다.

  ③ 물과의 반응 : 이온화 경향에 따라 다음과 같이 반응한다.

      ㉠ K, Ca, Na : 상온에서 물과 격렬하게 반응하여 수산화물이 생성되고, 수소가 발생한다.

      ㉡ Mg, Al, Zn : 찬물과는 반응하지 않으나 더운 물 또는 수증기와 반응하여 수소가 발생한다.

      ㉢ Fe는 고온에서 고온의 수증기와 반응하며 가역반응을 한다.

다. 화학전지

  ▣ 자발적 산화 · 환원 반응을 이용하여 화학에너지를 전기에너지로 바꾸는 장치로서, 다시 말해서 화학변화를 이용하여

       전자를 흐르게 하는 장치를 말한다.

라. 화학전지의 종류

  ① 볼타 전지 : 구리는 수소 보다 이온화 경향이 작아 반응하지 않는다. 아연은 수소보다 반응성이 크기 때문에 묽은 황산

                          과 반응하여 아연이 산화되고 (전자 잃음) 수소이온이 수소기체로 환원된다.

       (-) Zn Ⅰ H2SO4 Ⅰ Cu (+), E° = 1.1 V

    ㉠ (-)극 아연판 : 질량 감소 : Zn → Zn2+ + 2e- (산화)

    ㉡ (+)극 구리판 : 질량 불변 : 2H+(aq) + 2e- → H2 (g) (환원)

    ㉢ 전체 반응 : Zn + 2H+ → Zn2+ + H2

  <참고> 분극작용

  ⊙ 위 그림은 Cu판 표면에 H2 기체가 발생하므로 전지의 기전력이 떨어진다. 따라서 이러한 분극작용을

       없애기 위해서 MnO2와 같은 감극제를 상용한다.

 <참고> 염다리 (Salt bridge)란 ?

  ◈ 다른 이온 또는 물질과 반응하지 않는 NaNO3 (aq) 같은 전해질 용액을 채운 U자 모양 유리관으로 만들며, 전극에서

       산화와 환원반응이 일어나면 염다리에서 이온이 이동하여 전기적으로 중성을 유지한다.

  ◈ 왼쪽 전극에서는 산화반응(전자 2개 잃음), 오른 쪽 전극에서는 환원반응 (전자 2개 얻음)이 동시에 일어나며, 전자는

        외부 회로를 통해 이동하게 된다.

       염다리 - NaNO3는 Na+와 NO3-로 이온화되는데 왼쪽 전극에서 산화반응이 일어나서 전자는 외부 회로를 통해 이동

       하게 되므로 전기적으로 + 전하이고 이때 전기적 중성을 유지시키기 위해 NO3- (음이온)이 이동을 한다. 반대쪽 (오른

       쪽)에서도 마찬가지 반응이 일어난다.

     ◈ 두 반쪽 전자가 다공성 유리판이나 염다리로 분리되어 있다.

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  ② 다니엘 전지 : 분극현상이 나타나는 볼타전지의 단점을 보완하여 개발

           (-) Zn Ⅰ ZnSO4 Ⅰ CuSO4 Ⅰ Cu(+), E° = 1.1 V

    ㉠ (-)극 아연판 : 질량 감소 : Zn → Zn2+ + 2e- (산화)

    ㉡ (+)극 구리판 : 질량 증가 : Cu2+ + 2e- → Cu (환원)

    ㉢ 전체 반응 : Zn + Cu2+ → Zn2+ + Cu

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  ③ 건전지

       (-) Zn Ⅰ NH4Cl Ⅰ MnO2, C(+), E° = 1.1 V

    ㉠ (-)극 아연 : Zn → Zn2+ + 2e- (산화)

    ㉡ (+)극 탄소 : 2NH4 + 2e- → 2NH3 + H2 (환원)

        ※ 건전지에서 NH4Cl은 전해질, MnO2는 감극제로 사용

  ④ 납축전지

        (-) Pb Ⅰ H2SO4 Ⅰ PbO2, E° = 2.0 V

   ㉠ (-)극 (Pb판) : Pb(s) + SO42- (aq) → PbSO4 (s) + 2e- (산화)

   ㉡ (+)극 (PbO2판) : PbO2 (s) SO42- (aq) + 4H+ (aq) + 2e- →

        PbSO4 (s) + 2H2O (l) (환원)

   ㉢ 전체 반응​

     이와 같이 납축전지는 충전과 방전이 가능한 2차 전지이다.

     반면 건전지와 같이 충전이 어려운 전지를 1차 전지라 한다.

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  ⑤ 전기분해

    ▣ 전해질 수용액이나 용융 전해질에 직류 전류를 통하면 그 전해질은 두 전극에서 화학변화를 일으킨다.

         이를 전기분해라 한다.

       그러나 이온화 경향이 큰 이온이나 몇 가지 원자단은 방전하기 어려워 대신 수용액 중 H+ 이나 OH- 이 방전한다.

         (K, Na, Ca, Ba, SO4, CO3, PO4, NO3은 방전하기 어렵다)

   ㉠ 소금물의 전기 분해

  ◈ 소금물 : NaCl + H2O → Na+ + Cl- + H2O

       (-)극 : 이온화 경향이 작은 것이 석출

                  2H2O (l) + 2e- → H2 (g) + 2OH- (aq-)

       (+)극 : 원자단과 아닌 것이 있으면 아닌 것이 석출,

                  같은 원자단이면 OH- (O2↑)이 석출

                 2Cl- (aq) → Cl2 (g) + 2e-

       <전체반응> 2Cl- (aq) + 2H2O (l) → Cl2 (g) + H2 (g) + 2OH (aq)

          ex : ⅠA 족 (Na, K), ⅡA 족 (Ca) 등은 물과 반응한다.

   ㉡ CuSO4 용액의 전기분해

   ◈ CuSO4 → Cu2+ + SO4

       (-)극에서는 Cu2+이 방전되어 Cu로 극판에 석출된다.

          Cu2+ + 2e- → Cu

       (+)극에서 SO42-은 방전되지 않고 이 이온의 작용으로 구리판이 산화된다.

          Cu - 2e- → Cu2+

       두 극을 백금(Pt)을 사용하면 (-)극에서는 구리가 석출되고, (+)극에서는 SO42-​이 방전되지 않고 물이 방전되어

       산소 (O2)가 발생하는 것은 묽은 H2SO4 용액을 전기분해할 때 (+)극에서 일어나는 방전과 같다.

          2 H2O - 4 e- → 4 H+ + O2 ↑

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마. 페러데이 법칙

  ① Q = it

    여기서, Q : 통해준 전기량 (쿨룽), i : 전류 (Ampere), t : 통해준 시간 (sec)

    [제1법칙] 같은 물질에 대하여 전기분해로써 전극에서 일어나는 물질의 (화학변화로 생긴) 양은 통한 전기량에 비례한

                    다.

    [제2법칙] 일정한 전기량에 의하여 일어나는 화학변화의 양은 그 물질의 화학당량에 비례한다.

  ② 전기량의 단위 : 전기량은 전류의 세기 (Ampere)에 전류가 통과한 시간을 곱한 값과 같다.

                                 1A의 전류가 1초 동안 흐른 전기량을 1 C(쿨룽)이라 한다.

                                  i (A)의 전류가 t초 동안 흐르는 전기량 Q는 다음과 같이 표시한다.

          Q [C] = i [A] × t [sec]

          5 [A]의 전기량이 한시간 동안 흐른 전기량은 다음과 같다.

          Q = 5 × 3,600 = 18,000 [C]

   ▣ 각 극의 석출량 :

       ⊙ 전자 1[mol], 1 [F], 96,500 [C]의 전하량 = 1.6 × 10-19C/개 × 6.02 × 1023 개 / mol : 1g 당량

       ⊙ 농도, 온도, 물질의 종류에 관계없이 1패럿, 즉, 96,500 [C]의 전기량으로 1g 당량의 원소가 석출된다.

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다. 용액의 분류

다. 용해도 곡선

  ▣ 온도 변화에 따른 용해도의 변화의 관계를 나타내는 그래프

2. 용해도

 가. 고체의 용해도

   ▣ 용매 100g 에 용해되는 용질의 최대 g 수, 즉 포화용액에서 용매 100g에 용해된 용질의 g 수를 그 온도에서 용해도라

        한다.

   ex : 물 100 g 에 소금은 20 ℃에서 35.9 g 녹으면 포화된다. 따라서 20℃ 일 때 소금의 물에 대한 용해도는 35.9 이다.

     예제) 20℃의 물 500g에는 설탕이 몇 g까지 녹을 수 있는가 ?  (단, 20℃ 의 물에 대한 설탕의 용해도는 204 이다.)

      [풀이]  20 ℃의 물 100g에 설탕은 204g 까지 녹을 수 있다. 따라서 500g 에 녹을 수 있는 설탕 x (g)은 ?

                 100 : 204 = 500 : x, x = 204 × 500 / 100 = 1,020 g

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 나. 기체의 용해도

   ① 온도의 영향 : 기체가 용해되는 과정은 발열반응이므로 온도가 높을 수록 기체의 용해도는 감소한다.

   ② 압력의 영향 (헨리의 법칙)

     ㉠ 용액에서 기체의 용해도는 그 기체의 압력에 비례한다.

     ㉡ 기체의 용해도는 여러 종류의 기체가 혼합되어 있을 경우 그 기체의 부분 압력과 몰분율에 비례한다.

     ㉢ 일정한 온도에서 용매에 녹는 기체의 질량은 압력에 비례하나, 압력이 증가하면 밀도가 커지므로 녹는

          기체의 부피는 일정하다.

       * 녹는 기체의 질량 w = kP (T 일정)

  <참고> 헨리의 법칙은 용해도가 작은 기체이거나 무극성 분자일 때 잘 적용된다. 차가운 탄산음료수의 병마개를 뽑으면

               거품이 솟아 오르는데, 이는 탄산 음료수에 탄산가스가 압축되어 있다가 병마개를 뽑으면 압축된 탄산가스가

               분출되어 용기의 내부압력이 내려가면서 용해도가 줄어 들기 때문이다.

          ex : H2, O2, N2, CO2 등 무극성 분자

   ③ 재결정 : 온도에 따른 용해도 차가 큰 물질에 불순물이 섞여 있을 때 고온에서 물질을 용해시킨 후 냉각시켜 용해도

                     차이로 결정을 석출하는 방법

다. 수화물

  ▣ 결정수를 가진 결정을 가열하여 결정수를 일부 또는 전부 제거하면, 일반적으로 결정이 파괴되어 다른 결정형으로

       되거나 분말 (가루)로 된다.

    ex : CuSO4 · 5H2O (s) (청색) →(가열) ← (수분 흡수) CuSO4(s) (백색분말) + 5 H2O (g)

          이 반응은 가역반응이며, 색깔의 변화를 이용하여 수분의 검출에 이용된다.

 ① 풍해 (風解) : 결정수를 가진 결정, 즉 수화물이 스스로 공기 중에서 결정수의 일부나 전부를 잃어 분말로 되는 현상을

                           풍해라 한다.​

  ② 조해 (潮海) : 고체 결정이 공기 중의 수분을 흡수하여 스스로 용해하는 현상을 조해라 한다.

                            일반적으로 조해성을 가진 물질은 물에 대한 용해도가 크다.

                             1류 위험물 (산화성 고체)은 조해성 물질이다.

           ex : NaOH(s) · KOH · CaCl2 · P2O5 · MgCl2

                                 (건조제로 이용)

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3. 용액의 농도

가. 몰분율 (XA)

  ▣ 혼합물 속에 한 성분의 몰수를 모든 성분의 몰수로 나눈 값​

나. 퍼센트 농도 (%)

  ▣ 용액에 대한 용질의 질량 백분율​

다. 몰농도 (M)

  ▣ 용액 1ℓ (1,000㎖)에 포함된 용질의 몰 수

     여기서, g : 용질의 g 수, M : 분자량, V : 용액의 부피 (㎖)

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라. 몰랄 농도

  ▣ 용매 1,000g에 녹아 있는 용질의 몰 수 (m)인 몰랄 농도는 질량 (㎏)을 사용하기 때문에 온도가 변하는 조건에서

       이 몰랄농도를 사용한다.​

마. 노르말 농도

  ▣ 용액 1ℓ (1,000㎖) 속에 녹아 있는 용질의 g당량수를 나타낸 농도​

  <참고> 당량

  ◈ 전자 1개와 반응하는 양을 당량이라고 하는데 정확히 수소 1g 또는 산소 8 g과 반응할 수 있는 그 물질의 양을 1g 당량

       이라 정의 한다.​

바. 농도의 확산

  ① 중량 %를 몰농도로 환산하는 법 : 중량 %를 몰농도로 환산할 때에는 다음과 같이 용액 1ℓ에 대하여 계산한다.

   ◈ 중량 백분율 a (%) 용액의 몰농도 x를 구해 보자.

        이 용액의 비중을 S, 용질의 질량 w (g)은 얼마인가 ?​

   ◈ 용질 w(g)의 몰수는 용질의 분자량(식량) M으로 부터 w/M이 된다.

         따라서, 몰 농도는 다음과 같이 구할 수 있다.​

  ② 몰 농도를 중량 %로 환산하는 법 : 몰농도를 중량 %로 환산할 때도 용액 1ℓ의 질량과 이 속에 녹아 있는 용질의 질량을

        구하여야 한다.

   ◈ n 몰 농도 용액의 중량 백분율 x (%)를 구해 보자.

       이 용액의 비중을 S, 용질의 분자량을 M이라 하면 이 용액 1ℓ의 질량 w (g)은 얼마인가 ?

           w = 1,000 × S (g)

       이 용액 1ℓ 속의 용질의 질량 m (g) 은 ? m = n · M (g)

       중량 백분율 x (%)는 용액의 질량 100 g 에 대한 g 수 이므로

           1,000 × S : nM = 100 : x​

사. 혼합용액의 농도

    MV ± M'V' = M" (V+V') (액성이 같으면 +, 액성이 다르면 -)

    MV ± N'V' = N" (V+V')

​

아. 끓는 점 오름과 어는 점 내림

   ▣ 용액은 순수한 용매보다 증기압이 낮아지므로 용액의 끓는 점은 순수 용매의 끓는 점 보다 높아지고

        용액의 어는 점은 순수한 용매 보다 낮아진다. 이는 몰랄 농도에 비례하여 변한다.

  ① 끓는 점 오름

     ㉠ 용액의 끓는 점은 용매의 끓는 점 보다 높다.

     ㉡ 끓는 점 오름 (△Tb)은 용액의 몰랄농도 (m)에 비례한다.

         △Tb = kb m (kb : 몰랄 오름 상수)

   ② 어는 점 내림

      ㉠ 용액의 어는 점은 용매의 어는 점 보다 낮다.

      ㉡ 어는 점 내림 (△Tf)은 용액의 몰랄농도 (m)에 비례한다.

           △Tf = kf m (kf : 몰랄 내림 상수)

  ③ 전해질 용액의 끓는 점 오름과 어느 점 내림 : 1분자가 2개의 이온으로 전리하는 전해질 용액의 전리도를 α 라 하면,

            전해질 1 mol은 비전해질 (1+α) mol에 해당한다. 따라서, 전해질 용액은 같은 몰 수의 비전해질 몰 수 보다 (1+α)배

            끓는 점이 높고 어느 점이 낮다.

  ④ 삼투압 : 용액중 작은 분자의 용매는 통과시키나 분자가 큰 용질은 통과 시키지 않는 막을 반투막이라 한다.

            ex : 동식물의 원형질막, 방광막, 콜로디온막, 셀로판 황산지 등은 불완전 반투막이다.

  ▣ 반투막을 경계로 동일 용매에 다른 용액을 접촉시키면 양쪽의 농도가 같게 되려고 묽은 쪽 용매가 반투막을 통하여

       농도가 진한 용매 쪽으로 침투한다. 이때 반투막에 작용하는 압력을 삼투압이라 한다.

  <참고> 비전해질의 묽은 수용액의 삼투압은 용액의 농도 (몰농도)와 절대온도 (T)에 비례하며, 용매나 용질의 종류와는

               관련이 없다.

 ⑤ 반트 호프의 법칙 : 일정한 부피 속에 여러가지 비전해질 용질 1 몰 씩을 녹인 용액의 삼투압은 모두 같다.

                                     이를 반트 호프의 법칙이라 한다.​

   어느 V(ℓ)의 묽은 용액 속에 어떤 용질 n 몰이 녹아 있을 때 농도는 n/V (몰/ℓ)가 될 것이며,

   이 때 절대 온도를 T라 하면, 이 용액의 삼투압 π는 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다.​

   실험에 의하면 k는 이상 기체 상수 R과 같다. 따라서 위 식은 이상기체 상태방정식과 같은 관계식으로

   아래와 같이 나타낼 수 있으며 V(ℓ) 속에 분자량이 M인 용질 w(g)가 포함되어 있다면 이 용질의 몰 수는

    n = w/M 이므로 이를 기체 상태 방정식에 대입할 수 있다.​

  <참고> 삼투압은 πV = nRT 의 단위에 주의하여야 한다. π 는 삼투압 (Pa, kPa), V는 부피 (ℓ, ㎥), n은 몰 수, T는 절대온도

                (273.15 + ℃), R = 0.0821 (1 atm · ℓ / mol · K)이다.

​

4. 콜로이드 용액

가. 콜로이드 입자

  ▣ 전분, 단백질 등은 분자량이 크고, 분자의 크기가 10 ~ 100 A 의 범위에 있으며 결정이 잘 되지 않는다.

       이러한 크기의 입자를 콜로이드 입자라 한다.

나. 콜로이드 용액의 성질

  ① 틴들현상 : 콜로이드 용액에 강한 빛을 통하면 콜로이드 입자가 빛을 산란하게 하기 때문에 빛의 통로가 보이는 현상을

                        말한다.

  ※ 한외 현미경 : 틴들현상을 이용하여 콜로이드 입자의 수와 운동상태를 볼 수 있는 현미경

      예 : ⊙ 어두운 곳에서 손전등으로 빛을 비추면 먼지가 보인다.

             ⊙ 흐린 밤중에서 자동차 불빛의 진로가 보인다.

  ② 브라운 운동 : 콜로이드 입자들이 불규칙하게 움직이는 것

  ③ 투석 : 콜로이드 입자는 거름 종이를 통과하거나 반투막 (셀로판지, 황산지, 원형질막)은 통과하지 못하므로 반투막을

                  이용하여 보통 분자나 이온과 콜로이드를 분리, 정제하는 것 (콜로이드 정제에 이용)이다. 이와 같은 성질을

                  이용한 것이 투석이다.

   <참고> 콜로이드 입자는 투석막을 통과하지 못한다.

                셀로판지와 투석막은 보통의 이온이나 분자 등은 통과시키나, 콜로이드 입자는 통과시키지 못한다.

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  ④ 전기 영동 : 전기를 통하면 콜로이드 입자가 어느 한 쪽 극으로 이동한다.

                    예 : 집진기를 통한 매연 제거

     ◈ 콜로이드 입자는 전기를 띠고 있어 (+) 콜로이드는 (-)극으로, (-) 콜로이드 입자는 (+)극으로 이동한다.

  ⑤ 엉김과 염석 : 콜로이드가 전해질에 의해 침전되는 현상이다. 이 현상은 몰 수와 관계없이 전해질의 전하량이 클 수록

                             효과적이다.

       예 : (+) 콜로이드일 경우 → 음이온 : 비고 PO43- > SO42- > Cl-

              (-) 콜로이드일 경우 → 양이온 : 비고 Al3+ > Mg2+ > Na+

    ㉠ 엉김 : 소수 콜로이드가 소량의 전해질에 의해 침전

           ex : 흙탕물에 백반 (전해질)을 넣어 물을 정제한다.

           ※ 소수 콜로이드 : 물과 친하지 않아 소량의 물분자로 둘러 쌓여 있는 콜로이드 : Fe(OH)2, Al(OH)3

    ㉡ 염석 : 친수 콜로이드가 다량의 전해질에 의해 침전

           ex : MgCl2를 넣어 두부를 만든다.

                  (전해질)

           ※ 친수 콜로이드 : 물과 친하여 다량의 물분자로 둘러 쌓여 있는 콜로이드 : 전분, 젤라틴, 한천 등

     (A) : 입자들이 같은 극성의 전하를 띠고 있기 때문에 서로 반발하여 안정된 상태를 유지한다.

     (B) : 서로 다른 극성의 이온이 첨가 되어 용질이 전하를 잃고 콜로이드가 엉긴다.

​

#전해질 #콜로이드 #이온 #엉김 #투석 #삼투압 #반트호프 #농도 #용액 #용해도 #용매 #용질

  ① 원자는 (+) 전기를 띤 원자핵과 그 주위에 구름처럼 퍼져 있는 (-) 전기를 띤 전자로 되어 있다.

       (원자의 크기는 10-8 ㎝ 정도)

  ② 원자핵은 (+) 전기를 띤 양성자와 전기를 띠지 않는 중성자로 되어 있다.   (크기는 10-12 ㎝ 정도)

나. 원자번호와 질량수

  ① 원자번호 : 중성원자가 가지는 양성자 수

     ◈ 원자번호 = 양성자 수 = 전자수

  ② 질량수 : 원자핵의 무게인 양성자와 중성자의 무게를 각각 1로 했을 경우 상대적인 질량 값

    ◈ 질량값 = 양성자 수 + 중성자 수

   ※ 모든 원자들의 양성자수는 같은 것이 하나도 없으므로 양성자수의 수대로 원자번호를 부여한다.

        또한 원자가 전기적으로 중성이므로 양성자 수와 전자 수는 동일하다.

​

2. 원자 모형과 전자 배치

 가. 원자 모형의 변천

   ① 돌턴의 모형 (1809) : 원자는 단단하고 쪼갤 수 없는 공과 같다.

   ② 톰슨의 모형 (1903) : 양전하를 띤 공 모양에 전자가 고루 박혀 있는 푸딩 모양과 같다.

   ③ 러더퍼드 모형 (1903) : 원자의 중심에는 질량이 크고 양전하를 띤 핵이 있고, 그 주위에 원자핵의 양전하와 균형을

                                             이룰 수 있는 수만큼의 전자가 빠르게 돌고 있다.

   ④ 보어의 모형 (1913) : 전자가 원자핵을 중심으로 일정한 궤도를 돌고 있다.

   ⑤ 현재의 모형 : 전자가 원자핵 주위에 구름처럼 퍼져 있다. (전자 구름 모형)

[참고] 돌턴의 원자설

 ① 돌턴의 원자설 내용

   ㉠ 모든 물질을 세분하면 더 이상 쪼갤 수 없는 단위 입자 "원자"로 되어 있다.

   ㉡ 같은 물질의 원자의 크기, 모양, 질량은 모두 같다.

   ㉢ 원소는 만들어기거나 없어지지 않으며 화합물의 원자 (현재의 분자)는 그 성분 원소의 원자에 의해 생긴다.

   ㉣ 화합물은 성분 원소의 원자가 모여서 된 복합 원자로 되어 있다. 그 때 결합비는 간단한 정수비로 되어 있다.

        (배수비례의 법칙)

 ② 돌턴의 원자설 중 보완해야 할 점

   ㉠ 원자는 더 이상 쪼갤 수 없는 작은 단위가 아니다. 원자는 양성장, 중성자, 전자 등으로 쪼갤 수 있으며, 원자력 발전은

        원자가 쪼개지는 핵분열을 이용한 것이다. 또한, 양성자, 중성자, 전자도도 최소 단위는 아니다. (쿼크 입자로 구성)

   ㉡ 동위원자가 발견 됨으로써 같은 물질의 원자라도 질량이 다른 것이 있다는 것이 밝혀졌다.

​

나. 전자배치

  ▣ 원자핵의 둘레에는 양자수와 같은 수의 전자가 원자핵을 중심으로 몇 개의 층을 이루어 배치되어 있다.

       이 전자층을 전자각이라 한다.

 ① 전자껍질 : 원자핵을 중심으로 에너지 준위가 다른 몇 개의 전자층을 이루는데 이 전자층을 전자껍질이라 하며,

                        주전자 껍질 (K, L, M, N, … 껍질)과 부전자 껍질 (s, p, d, f, 껍질)로 나뉜다.

  ㉠ 부전자 껍질 (s, p, d, f)에 수용할 수 있는 전자 수

        s : 2개, p : 6개, d : 10개, f : 14개, 2, 2 + 4 = 6, 6 + 4 = 10, 10 + 4 = 14

  ㉡ 주기율표에서 족의 수 = 전자껍질의 수

  ③ 한 원자의 오비탈은 순차적으로 점점 큰 크기와 에너지를 가지는 전자 껍질(electron shell)을 지닌다.

       다른 껍질은 다른 수와 종류의 오비탈을 가지며, 하나의 껍질 안에 있는 오비탈은 두 개 의 전자가 채워질 수 있다.

  첫 번째 껍질은 1s 로 하나의 s 오비탈만 가지고 있어 두 개의 전자만을 가진다.

  두 번째 껍질은 하나의 2s 오비탈과 세 개의 2p 오비탈을 가지고 있어 총 8개의 전자를 가진다.

  세 번째 껍질은 하나의 3s 오비탈과 세 개의 3p 오비탈, 다섯 개의 3d 오비탈을 가져 총 18개의 전자를 가질 수 있다.

   ( 여기서 표시하진 않았으나 네 번째 껍질의 첫 번째 오비탈인 4s 오비탈의 에너지 준위는 3p와 3d 사이에 존재한다.)

  주어진 껍질 속에 세 개의 다른 p오비탈은 서로 다른 두 개의 오비탈에 대해 수직으로 공간 배향을 한다.

  p오비탈은 기준 축에 따라 px, py, pz로 나타낸다.

       좌- 1번 우- 2, 3번

  EX) 황 (Sulfate) 의 바닥 상태 전자 배치

      1s2,  2s2,   2p6,   3s2,   3p4

​

▣ 현대에는 원자의 전자배치상태를 원자핵 주위의 어느 위치에서 전자가 발견될 수 있는 확률의 분포상태로 나타낸다.

  ① 오비탈의 에너지 준위 : 한 전자껍질에서 각 오비탈의 에너지 준위의 크기는 s < P < d < f 순으로 커진다.

                                            즉, 1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s < 3d < 4P < 5 s … 순으로 전자가 채워진다.

예제 1. Cl의 전자배열은 ?

   [풀이] 1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p5

​

예제 2. K의 전자배열은 ?

[풀이] 1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p6, 4s2

​

 ② 전자배치의 원리

   ㉠ 쌓음의 원리 : 전자는 낮은 에너지 준위의 오비탈 부터 차례로 채워진다.

   ㉡ 파울리의 배타원리 : 한 오비탈에는 전자가 2개 까지만 배치될 수 있다.

   ㉢ 훈트의 규칙 : 같은 에너지 준위의 오비탈에는 먼저 전자가 각 오비탈에 1개씩 채워진 후, 두번째 전자가 채워진다.

                              홀전자 수가 많을 수록 전자의 상호 반발력이 약화되어 안정된다.

                                                          < P 오비탈에 전자가 채워지는 순서 >

<참고> p 궤도를 보면 각 방에 스핀 양자수가 하나씩 다 찬 후에야 반대방향의 스핀 양자수가 쌍을 지어 들어 간다.

            이와 같이 방이 한 개의 전자로 차기 전에는 전자가 쌍을 이루지 않는다는 것을 훈트(Hunt)의 규칙 또는

            최대 다중도의 원칙이라 한다.

​

 ② 부대 전자 : 질소 원자의 전자배열을 부전자각으로 나타냈을 때

같은 주기에서 원자번호가 커질수록 전기음성도가 커진다. 원자번호가 커지면 원자 반지름은 작아지고 유효핵 전하는

커지므로 원자핵과 전자간의 인력이 강하게 작용하여 다른 원자와의 결합에서 공유 전자쌍을 세게 끌어 당기기 때문이다. 한편, 같은 족에서는 원자번호가 커질수록 원자반지름이 증가하여 원자핵과 전자간의 인력이 감소하므로 다른 원자와의 결합에서 공유 전자쌍을 끌어 당기는 힘이 약하다.

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