물질과 물질의 특성 1. 물질의 성질 2. 물질의 분류 3. 물질의 상태 4. 원자론 4. 원소 5. 화학 기호체계

과학적 방법의 수행 관찰 가설(hypothesis) 제시: 관찰을 설명하는 시험적인 생각 생각이 옳은지 확인하기 위한 더 많은 실험 수행: 정성적 자료 (Qualitative) 정량적 자료 (Quantitative) – 수치를 포함 수많은 실험 결과들을 요약하여 법칙이 만들어진다. 이론(theory)은 사실들과 그것에 기초한 법칙을 설명하는 통 합 원리이다. 이론: 알려진 어떤 실험에 대해서도 모순되지 않는다. 알려지지 않은 결과를 예측할 수 있다. 미래의 어느 시점에 인정받지 못 할 수도 있다.

물질(matter) 물질이란, 우주를 구성하는 재료로서, 질량을 가지고 있으며, 공간을 차지한다.

물 질 물질(matter) : 질량을 갖고 공간을 차지하는 물체 질량(mass) : 물체가 가진 물질의 양의 척도, 불변 무게(weight) : 특정 물체의 질량에 작용하는 중력, 중력에 따라 변화 예제 : 질량과 무게 수성의 중력은 지구의 0.376배이다. (a) 지구에서 62.5 kg의 질량을 가진 사람이 수성에서의 질량은 얼마인가? (b) 지구에서 무게가 124 lb인 사람이 수성에서의 무게는 얼마인가? 풀 이 a. 이 사람의 수성에서의 질량은 지구에서의 질량(62.5 kg)과 같을 것이다. 물질의 양은 변하지 않는다. b. 이 사람의 수성에서의 무게는 0.376 × 124 lb = 46.6 lb이다. 수성과 이 사람의 인력은 지구와 이 사람의 인력의 0.376배 이다.

물질 원자는 물질을 구성하는 작은 기본단위이다. 각 원소는, 같은 종류의 원자로 구성된다. 화합물은, 2개 이상의 다른 종류의 원소로 구성된다.

물질의 성질 물리적 성질: 물질의 성분을 변화시키지 않고 측정됨 예 온도(Temperature) 압력(Pressure) 질량(Mass) 부피(Volume) 상태(solid, liquid, or gas) 녹는점(Melting point) 끓는점(Boiling point) 밀도(Density) 색상(Color) 결정모양(Shape)

물리적 변화 물리적 변화의 전과 후 같은 물질이 존재한다. 물리적 상태는 변화할 수 있다. 얼음이 녹는다(고체 물 → 액체 물) 모양은 변할 수 있다. 납 덩어리를 얇게 펼 수 있다 크기는 변할 수 있다. 장작을 둘로 나눌 수 있다.

녹는점과 끓는점 온도(T) 물체의 상대적 에너지(E) 함량을 나타낸다. 에너지는 높은 온도에서 낮은 온도의 물체로 이동한다. 단위: 미국에서는 종종 Fahrenheit (°F). 그 외 국가에서는 Celsius (°C). T (°F) T (°C) 물의 어는점 32 0 물의 끓는점 212 100 사람의 정상체온 98 37

온도 100 T (°C) = [T (°F) – 32] x 180 T (°C) = [T (°F) – 32] x 5 9 또는 물의 어는점 100 steps 0°C 100°C 32°F 212°F 물의 끓는점 180 T (°C) = [T (°F) – 32] x 100 180 T (°C) = [T (°F) – 32] x 또는 T (°F) = [T (°C)] + 32 5 9

밀도 물리적 성질 밀도 = 질량 부피 m d = V Density at 20°C Substance d (g/mL) ethanol 0.789 water 0.998 magnesium 1.74 aluminum 2.70 titanium 4.50 copper 8.93 lead 11.34 mercury 13.55 gold 19.32 질량 부피 m V d = Water, copper and mercury

단위분석 보기 수은 3274 mL 의 질량을 결정하시오. 13.55 g 1 mL = 3274 mL x m = V x d = 4.436 x 104 g 비례 (또는 환산) 인자가 사용되었다. 구하려는 단위 알려진 단위 알려진 단위 x = 구하려는 단위

화학적 변화와 화학적 성질 화학적 성질: 한 물질이 다른 종류의 물질과 어떻게 반응하는지를 기술 화학반응: 반응물이 다른 물질로 변하는 현상 수크로스는 가열하면 카라멜화 하고 탄소로 변한다. 반응물 생성물 sucrose carbon + water heat

화학적 성질 변화가 화학적인지 물리적인지 설명하시오. (a) 가정용 표백제는 보라색 티셔츠를 분홍색으로 변 색시킨다. 화학적 변화 (b) 우주왕복선의 연료(수소와 산소)는 반응하여 물과 우주 왕복선을 추진하는 에너지를 생산한다. 화학적 변화 (c) 레모네이드 잔에 들어 있는 얼음 조각이 녹는다. 물리적 변화

물질의 분류 1) 원소: 동일한 한 종류의 원자로 구성된 순수물질 (구리조각, 염소기체, 흑연) 순수한 물질: 동일한 한 종류의 입자로 구성된 물질 1) 원소: 동일한 한 종류의 원자로 구성된 순수물질 (구리조각, 염소기체, 흑연) 2) 화합물: 2종류 이상의 원소들이 일정한 비율로 구성된 순수물질, 일정성분비의 법칙 적용 (소금, 설탕, 암모니아) 혼합물: 각 물질의 성질을 유지하는 2가지 이상 물질의 혼성 물질 1) 균일(homogeneous) 혼합물: 조성이 전체에서 동일함 가. 용액 (solution): 모든 성분이 동일 상에 있을 경우 (식용물, 공기, 바 닷물, 합금) 나. 서스펜젠(suspension): 입자 크기〉100 nm인 성분이 다른 상에 있을 경우 (우유: 지방과 단백질/물, 혈액: 적혈구와 백혈구/혈장, 구름: 물 방울/공기) 원심분리 등에 의한 물리적 구분(정제) 가능 2) 불균일(heterogeneous) 혼합물: 조성이 불균일 (피자, 흙탕물, salad dressing, 목재)

혼합물

물질의 분류

혼합물 분리 거르기 (filtration) 증류(distillation) 거르기를 통해 고체물질을 액체 용액으로부터 분리. 증류는 물질의 끓는점 차이를 이용하여 균일 혼합물을 구성 성분들로 분리. Chromatography 고체 표면에 물질이 부착하는 능력 차이에 의하여 분리

식용수 제조

물질의 관찰 거시적 크기: 물체가 충분히 커서 장비의 도움 없이 보거나 측정하거나 다룰 수 있다. 미시적 크기: 관찰하기 위하여 현미경이 필요 나노크기 물체의 크기 ≈ 원자 단위의 크기 (nano: 10-9 의 SI 접두사, 1 nm = 1x10-9 m)

물질의 상태 - 고체(solid) : 물체는 보통 위치에 상관없이 모양과 부피를 유지 - 액체(liquid) : 한정된 부피를 갖지만 용기의 모양을 가짐 - 기체(gas) : 모양도 없고 부피도 없음

질량보존의 법칙(law of conservation of mass) Antoine Laurent Lavoisier, 1743-1794 화학반응이 닫힌 계 안에서 수행되면 전체 계의 질량은 변하지 않음 을 정량적인 실험을 통해 확인함 ⇒ 현대 화학의 아버지 질량보존의 법칙 물질은 화학 변화를 하는 동안 창조되지도 않고 없어지지도 않음

일정성분비의 법칙(law of definite proportion) Joseph Louis Proust: 실험을 통해 탄산수소구리(CuHCO3)의 구성 질량비 = 구리 57.48%, 탄소 5.43%, 산소 36.18%, 수소 0.91% Nicholson과 Carlisle: 물을 전기분해하면 수소와 산소의 부피비가 2:1이고 사원소 개념 배격 일정성분비의 법칙 : 한 화합물은 항상 동일한 원소를 일정한 비율로 갖는다. Berselius의 실험 - 일정성분비의 법칙 예 물의 전기분해 - 일정성분비의 법칙 예 (수소 : 산소 = 2:1 부피 비)

Dalton의 원자론(atomic theory) - 돌턴(John Dalton) : 축적된 실험 자료를 설명하려는 모델을 제안 물(H2O)에서 산소(O)와 수소(H)의 질량비 = 8.01 : 1.00 암모니아(NH3)에서의 질소(N)와 수소(H)의 질량비 = 4.68 : 1.00 ⇒ 변하지 않는 비율을 물질이 원자로 이루어져 있다고 생각함 배수비례의 법칙(law of multiple proportion) : 2가지 원소들이 1가지 이상의 화합물을 생성할 때 일정 원소 사이에는 간단한 범자연수비가 성립 탄소(C)와 산소(O)의 질량비 = 1.00 : 2.66 (or 3.00 : 8.00) 로 결합하여 이산화탄소(CO2) 형성 = 1.00 : 1.33 (or 3.00 : 4.00) 로 결합하여 일산화탄소(CO) 형성

원자론의 변형 1. Dalton은 원자를 쪼개지지 않는다고 하였으나 이것은 사실이 아니다. 2. Dalton은 주어진 한 원소의 원자는 모든 면에서 같다고 가정하였다. 그러나 동위원소 존재(탄소원자; C-12 = 대부분, C-13 = 1.1% ) 3. 화학반응에서는 수정하지 않음. 그러나 원자들은 핵반응에서 쪼개진다. 4. 수정하지 않음. 간단한 화합물에서 종류가 다른 원자들의 수는 보통 간단한 비를 이룬다. 예: 일산화탄소에서 탄소원자와 산소원자의 비는 1:1이고, 이산화탄소에서는 1:2임

원자의 관찰 주사터널현미경(scanning tunneling microscope, STM) 또는 원자힘 현미경(atomic force microscopy)을 사용하여 원자의 영상을 얻음 그러나 원자의 내부구조는 알 수 없음 atomic force microscopy scanning tunneling microscope

화학 원소 원소들은 고유한 이름과 기호를 갖고 있다. 사람 이름, 장소, 신화 등에서 유래 기호는 대문자로 시작하고 다음 문자는 소문자를 사용한다. 대부분의 기호는 약자이다. Helium = He Hydrogen = H Titanium = Ti Zinc = Zn “오래된”-원소들의 기호는 고대 라틴 이름에서 유래. Gold = Au (aurum) Tin = Sn (stannum) Silver = Ag (argentum) Lead = Pb (plumbum) 현재 110 개 이상의 원소가 알려짐. 90 개는 지구상의 자연에 존재하고 나머지는 인간이 합성. 대부분은 금속 (24개는 금속이 아님).

주기율표의 금속성 경향

분자로 구성된 원소 대부분의 비금속원소는 분자를 생성한다. 화학식은 조성을 나타낸다. 이원자분자의 예: 화학식은 조성을 나타낸다. 이원자분자의 예: H2 O2 N2 F2 Cl2 Br2 l2 다원자분자: O3 P4 S8

동소체(Allotropes) 한 원소의 서로 다른 형태 (같은 상, 같은 T, P) Oxygen (기체): O2 (산소), O3 (오존) Carbon (고체): C (다이아몬드), C (흑연), C60 (풀러렌), C (나노튜브) 흑연 풀러렌 다이아몬드

화학의 정보전달: 기호 화학식에 포함된 정보: 분자를 구성하는 원자의 종류와 수. 화합물에 포함된 원자들의 상대적 비 C12H22O11 CH3OH NaCl 수크로스 메탄올 소금 화학반응식: 반응물이 어떻게 생성물로 바뀌는가? sucrose carbon + water C12H22O11 12 C + 11 H2O heat