수용액에서의 반응 4.1 수용액의 일반적 성질 4.2 침전 반응 4.3 산-염기 반응 4.4 산화-환원 반응 4.1 수용액의 일반적 성질 4.2 침전 반응 4.3 산-염기 반응 4.4 산화-환원 반응 4.5 용액의 농도 4.6 질량 분석 4.7 산-염기 적정 4.8 산화-환원 적정   Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc.  Permission required for reproduction or display.

예제 3-159 분자질량이 작은 분자들은 질량분석기를 이용하여 그 화학식을 결정할 수 있다. (b)화합물 중 C3H8과 CO2는 44amu에서 피크를 만들 수 있는 후보 화합물이다. 이런 경우 화학자들은 분자가 질량분석기 안에서 분해되어 만드는 다른 피크를 찾게 된다. 예를 들어 어떤 화학자가 44 amu와 동시에 15amu에서도 피크를 관찰하였다면 44amu는 어떤 화합물에서 나온 것인가? (c) 관련된 분자를 이루는 정확한 원자의 질량은 1H(1.00797 amu), 12C(12(exact) amu), 16O(15.99491 amu) 등이다. 얼마나 정확한 질량을 구분해야 하는가? (b) 15 = CH3 (c) CO2 : 12+ 15.99491*2 = 43.98982, C3H8 = 12*3 + 1.00797 = 44.06376. diff = 0.07397. 이 정도의 질량을 구분할 수 있는 기기 필요.

예제 3.164 NaCl, Na2SO4, NaNO3를 포함하는 시료가 있다. 이 시료를 원소분석하였더니 질량비가 Na 32.08%, O 36.01%, Cl 19.51%로 주어졌다. 각 화합물의 질량백분율을 구하시오. 100g의 시료 중에서 mNa : 32.08g. mNa /22.9898 = 1.3954 mol Na. mCl : 19.51g mCl/35.4533 = 0.5503 mol Cl. Ans*(35.4533+22.9898) = 32.1613 g-> NaCl의 질량. mO : 36.01g, mO/ 15.9994 = 2.2507 mol O. x = Na2SO4의 몰수, y = NaNO3의 몰수이라 하면 남은 Na의 몰수 : 2x + y = 1.3954 – 0.5503 = 0.8451. (1) O의 몰수 : 4x + 3y = 2.2507 (2) y = 0.5605 mol, x = 0.142293 mol. Na2SO4의 질량 = 0.142293*142.0422 = 20.21195g. NaNO3의 질량 = 0.5603*84.9947 = 47.6402 g Check: 전체 질량: 20.021195 + 47.6402+ 32.1613 = 100.0136. 합리적임.

4.1 수용액의 일반적 성질 용액(solution) : 두 가지 이상 물질의 균일 혼합물(일반적으로 액체이나 기체, 또는 고체일 수 있다) 용질(solute) : 더 작은 양이 들어있는 물질 용매(solvent) : 더 많이 포함된 물질 수용액에서 용질의 구분 비전해질(nonelectrolyte) : 물에 용해 되었을 때 전기를 전도하지 않는 물질 전해질(electrolyte) : 물에 용해 되었을 때 전기를 전도하는 물질 강전해질 – 100% 해리 - 약전해질 – 불완전 해리 NaCl (s) Na+ (aq) + Cl- (aq) H2O CH3COOH CH3COO- (aq) + H+ (aq) 가역 반응. 반응이 양방향으로 모두 일어남

수용액에서 용질의 구분

전해질의 용해와 수화 현상 물 분자는 전기적으로 중성이지만, O원자는 – 전하, H 원자는 + 전하를 띤 극성 용매 전해질이 물에 녹으면, 양이온과 음이온은 각각 물의 음전하를 띤 쪽과 양전하를 띤 쪽에 의해 둘러쌓임  수화(hydration) d+ d- H2O

4.2 침전 반응 침전반응(precipitation reaction): 가용성 반응물이 용액 중에 가라앉아 불용성 고체(침전) 생성물을 만드는 과정이며, 일부의 용해된 이온이 제거됨 (이중치환반응) Pb(NO3)2(aq)+ 2 KI(aq) 2 KNO3(aq) + PbI2(s)

용해도 두 화합물의 수용액을 혼합하였을 때, 침전 생성 여부는 용해도(solubility)에 의해 결정 가용성(적당량 용해), 미용성(약간의 용해), 불용성(전혀 용해되지 않음)으로 구별

용해도 규칙

분자반응식, 이온반응식, 알짜 이온 반응식 분자반응식(molecular equation): 반응에 관여한 모든 물질은 그들이 마치 분자로 있는 것처럼 완전한 화학식으로 사용한 반응식  이온들이 반응식에 나타나 있지 않음 이온반응식(ionic equation): 반응에 관여한 모든 강전해질이 이온 형태로 쓰여진 반응식 알짜 이온 반응식(net ionic equation): 반응에 실제로 참여하는 화학종 만을 나타낸 반응식 Pb(NO3)2(aq)+ 2 KI(aq) 2 KNO3(aq) + PbI2(s) Pb2+(aq) + 2 NO3-(aq) + 2 K+(aq) + 2 I-(aq) 2 K+(aq) + 2 NO3-(aq ) + PbI2 (s) Pb2+(aq) + 2 NO3-(aq) + 2 K+(aq) + 2 I-(aq) 2 K+(aq) + 2 NO3-(aq ) + PbI2(s) Pb2+(aq) + 2 I-(aq) PbI2 (s)

알짜 이온 반응식 적기 반응에 대한 균형 분자 반응식을 표기 용액에서 형성되는 해리된 이온들이 나타나도록 이온 반응식을 표기 이온 반응식의 양쪽에서 구경꾼 이온들을 모두 삭제 알짜 이온 반응식에서 전하와 원자 수에 대한 균형을 양쪽에 대해 확인 질산은과 염화소듐 반응에서의 알짜 이온 반응식을 적으시오. AgNO3 (aq) + NaCl (aq) AgCl (s) + NaNO3 (aq) Ag+ + NO3- + Na+ + Cl- AgCl (s) + Na+ + NO3- Ag+ + Cl- AgCl (s)

생활속의 화학 바람직하지 않은 침전 반응 석회석(CaCO3)은 물에 녹지 않지만 물에 녹은 CO2가 존재하면 중탄산 칼슘(Ca(HCO3)2)를 형성 중탄산 이온과 칼슘 이온이 녹아있는 용액을 가열하면 CaCO3 침전 형성. CO2 (aq) 는 고온에서 기체로 날아가기 때문에 역반응은 안 일어남 이 고체 침전은 보일러,파이프, 주전자 등에 쌓이는 스케일의 주성분이 되어, 때로 관을 막히게 함 CaCO3 (s) + CO2 (aq) + H2O (l) Ca2+ (aq) + 2HCO3 (aq) Ca2+ (aq) + 2HCO3 (aq) CaCO3 (s) + CO2 (aq) + H2O (l)

4.3 산-염기 반응 산의 일반적 성질 신맛, 식초의 신맛은 아세트산, 감귤류의 신맛은 구연산 함유 식물 염료의 색을 변화 금속과 반응하여 수소 기체 발생 - 탄산염이나 중탄산염과 반응하여 이산화탄소 기체 발생 - 수용성 산 용액은 전기 전도성 2HCl (aq) + Mg (s) MgCl2 (aq) + H2 (g) 2HCl (aq) + CaCO3 (s) CaCl2 (aq) + CO2 (g) + H2O (l) 분필(CaCO3)과 염산 용액의 반응

염기의 일반적 성질 - 쓴 맛 - 미끈미끈한 성질, 비누가 이러한 성질을 가짐 - 식물 염료의 색을 변화 - 수용성 염기 용액은 전기를 통한다

MOH(aq) M+ (aq) + OH- (aq) 산-염기의 정의 아레니우스 (Scante Arrhenius) 정의 산(acid): 물에서 해리하여 수소 이온(H+)을 생성하는 물질 염기(base): 물에서 해리하여 수산화 이온(OH-)을 생성하는 물질 산 염기 HA: 산의 일반적인 화학식 (예: HCl 또는 HNO3) MOH: 금속 수산화물의 일반적인 화학식 (예: NaOH 또는 KOH ) HA (aq) H+ (aq) + A- (aq) MOH(aq) M+ (aq) + OH- (aq)

MOH(aq) M+ (aq) + OH- (aq) 산-염기의 정의 브뢴스테드 (Johannes Brønsted, 1859~1927) 정의 산(acid): 양성 (H+) 주게 염기(base): 양성 (H+) 받게 HA (aq) H+ (aq) + A- (aq) 산 염기 HA: 산의 일반적인 화학식 (예: HCl 또는 HNO3) MOH: 금속 수산화물의 일반적인 화학식 (예: NaOH 또는 KOH ) MOH(aq) M+ (aq) + OH- (aq)

4.4 산화-환원 반응 산화-환원 반응(Oxidation-Reduction Reaction): 전자 이동 반응 (산-염기 반응은 양성자 이동 반응) 산화-환원 반응의 예: 연소 반응, 표백 자용, 금속의 제련 산화 반쪽 반응 (e- 상실) 환원 반쪽 반응 (e- 얻음) 2Mg 2Mg2+ + 4e- O2 + 4e- 2O2- 2Mg + O2 2MgO 반쪽 반응

Zn (s) + CuSO4 (aq) ZnSO4 (aq) + Cu (s) 산화(oxidation): 어떤 물질, 즉 원소, 화합물, 또는 이온이 하나 이상의 전자를 잃는 것, 산화수가 증가 (뒤에서 설명) 환원(reduction): 어떤 물질, 즉 원소, 화합물, 또는 이온이 하나 이상의 전자를 얻는 것, 산화수가 감소 산화제(oxidizing agent): 전자를 얻어 환원되는 물질은 다른 원소를 산화시키는 물질로 작용 환원제(reducing agent): 전자를 잃어 산화되는 물질은 다른 원소를 환원시키는 물질로 작용 Zn (s) + CuSO4 (aq) ZnSO4 (aq) + Cu (s) Zn Zn2+ + 2e- Zn 산화 Zn 환원제 Cu2+ + 2e- Cu Cu2+ 환원 Cu2+ 산화제

산화수(Oxidation number) : 전자의 교환이 완전히 일어났다고 가정할 때 한 분자(또는 한 이온 화합물) 내에서 특정 원자가 갖게 되는 전하수 산화수 결정 방법: 1. 자유 원소(화합물이 아닌 상태)의 각 원자는 산화수 0 Na, Be, K, Pb, H2, O2, P4 = 0 2. 한 원자만을 포함하는 이온의 산화수는 이온의 전하수와 동일 Li+, Li = +1; Fe3+, Fe = +3; O2-, O = -2 3. 산소의 산화수는 대부분 –2. 예외) H2O2 , O22- –1 4. 수소의 산화수는 +1. 예외) 이성분 화합물에서 금속과 결합하는 경우 산화수 –1 5. 1족 금속 +1, 2족 금속 +2, fluorine(F)는 항상 –1

6. 중성 분자에서 모든 원자들의 산화수의 합은 0, 다원자 이온에서 이온에 대한 모든 원소의 산화수의 합은 이온의 알짜 전하와 동일 7. 산화수는 항상 정수 값만 갖는 것이 아니다. 초과산화 이온 (superoxide ion, O2-) –½ H2SO3 2(+1) + x + 3(-2) = 0 (알짜 전하) x = +4 +1 x -2 HCO3- (+1) + x + 3(-2) = -1 (알짜 전하) +1 x -2 x = +4

화합물 내에서 각 원소의 산화수

산화-환원 반응의 형태 A + B C 1. 결합 반응(Combination Reaction): 둘 이상의 물질이 결합하여 하나의 생성물을 만드는 반응 2. 분해 반응(Decomposition Reaction): 한 화합물이 둘 이상의 성분 물질로 나뉘는 반응 3. 연소 반응(Combustion Reaction): 물질이 산소와 반응하여 열과 빛을 내는 반응 4. 치환 반응(Displacement Reaction): 화합물의 한 이온(원자)가 다른 이온(원자)에 의해 치환되는 반응 2KClO3 2KCl + 3O2 +1 +5 -2 -1 2Al + 3Br2 2AlBr3 +3 -1 C A + B S + O2 SO2 +4 -2 A + BC AC + B

치환 여부는 금속과 할로젠의 활동도 서열에 의해 결정됨 치환 반응의 종류 +1 +2 수소 치환 Sr + 2H2O Sr(OH)2 + H2 +4 +2 금속 치환 TiCl4 + 2Mg Ti + 2MgCl2 -1 할로젠 치환 Cl2 + 2KBr 2KCl + Br2 치환 여부는 금속과 할로젠의 활동도 서열에 의해 결정됨

금속의 활성도 계열 (activity series) 화학종이 전자를 얻거나 잃는 상대적 용이성, 즉 각 화학종이 얼마나 쉽게 산화되고 환원되는가에 따라 결정됨 활동도 서열은 수용액에서 원소를 환원시키는 능력을 순서대로 나열한 것 M + BC MC + B M : 금속 BC : 산 또는 H2O B : H2 Ca + 2H2O Ca(OH)2 + H2 Pb + 2H2O Pb(OH)2 + H2

산화-환원 반응의 형태 5. 할로젠 치환: 화합물의 한 할로젠 이온이 다른 할로젠에 의해 치환되는 반응 할로젠 치환 반응에서의 활동도 서열 6. 불균등화 반응(Disproportionation): 한 원소가 같은 산화 상태에서 동시에 산화 및 환원되는 반응 F2 > Cl2 > Br2 > I2 -1 Cl2 + 2KBr 2KCl + Br2 환원 +1 -1 Cl2 + 2OH- ClO- + Cl- + H2O 산화

3CH3COOH + 2Cr2(SO4)3 + 2K2SO4 + 11H2O 생활속의 화학 산화-환원 반응을 이용한 음주 측정기 +6 3CH3CH2OH + 2K2Cr2O7 + 8H2SO4 에탄올 중크롬산 포타슘 황산 +3 3CH3COOH + 2Cr2(SO4)3 + 2K2SO4 + 11H2O 아세트산 황산크로뮴 황산 포타슘

4.5 용액의 농도 농도(concentration) : 주어진 용액 또는 용매의 양에 대한 용질의 양 몰농도(molarlity, molar concnetration): 화학에서 가장 널리 사용되는 농도로 용액 1L에 녹아있는 용질의 몰 수 몰농도는 세기 성질이므로 용액의 양과 무관 M = 몰농도 = 용질의 몰수 용액의 리터수

특정 몰 농도의 용액을 만드는 방법 (a)정확한 양의 고체 용질을 부피 플라스크에 넣고, 깔때기를 이용하여 물을 가함 (b) 플라스크를 가볍게 흔들어서 고체를 서서히 녹임 (c) 고체가 모두 녹은 후, 물을 눈금까지 채움 녹아있는 용질의 양과 용액의 부피로부터 용액의 몰농도 계산

묽힘(Dilution) : 진한 용액을 가지고 묽은 용액을 제조하는 과정 희석 전 용질의 몰 수 = 희석 후 용질의 몰 수 용매 추가 묽힘 전의 용질의 몰수 (i) 묽힘 후의 용질의 몰수 (f) = MiVi MfVf =

4.6 질량 분석 질량분석 (gravimetric analysis): 질량 측정에 기초를 두고 있는 분석 기술 질량 분석과정: 미지 시료를 물에 용해 침전 형성을 위해 알고 있는 물질과 미지의 물질을 반응시킴 필터, 침전 건조 침전의 질량을 측정 미지 이온의 양을 측정하기 위해 침전의 양과 화학식을 이용

AgNO3 (aq) + NaCl (aq) AgCl (s) + NaNO3 (aq) 질량 분석의 예 질량을 알고 있는 NaCl 중 Cl- 의 질량 백분율 NaCl의 질량을 정확히 측정하고 물에 용해 NaCl 용액에 충분한 AgNO3 용액을 가하여 이 용액 중에 존재하는 모든 Cl- 이온을 침전시킴 AgCl 침전물을 여과하여 용액으로부터 분리하고 건조시킨 다음 질량을 측정 AgNO3 (aq) + NaCl (aq) AgCl (s) + NaNO3 (aq)

뷰렛을 이용하여 삼각 플라스크의 KHP 용액에 NaOH 용액을 가한다. 4.7 산-염기 적정 적정(titration): 농도를 정확하게 알고 있는 용액인 표준 용액(standard solution)을 미지의 다른 용액에 두 용액간의 반응이 완전히 이루어질 때까지 서서히 첨가하여 미지 용액의 농도를 구하는 실험 (예: 농도를 정확히 아는 산을 이용하여 농도가 정확하지 않은 수산화 소듐(NaOH) 용액을 적정하여 농도 측정) 당량점(Equivalence point) : 산이 염기에 의해 완전히 반응되는 점 지시약(Indicator ) : 산성과 염기성 용액에서 각기 현저히 다른 색을 띠는 물질 뷰렛을 이용하여 삼각 플라스크의 KHP 용액에 NaOH 용액을 가한다. 당량점에 도달하면 진분홍색이 나타난다

4.8 산화-환원 적정 산화-환원 적정(redox titration): 환원제(산화제)가 산화제(환원제)에 의해 완전히 산화(환원)될 때 당량점에 도달 산화-환원 적정에서 지시약은 산화,환원 상태에 따라 색깔이 현저히 다르기 때문에 당량점에서의 급격한 색깔 변화로 당량점 확인 가능 (예: 잘 알려진 두 가지 산화제로는 과망가니즈산 포타슘(KMnO4)과 중크로뮴산 포타슘 (K2Cr2O7)은 각각 환원될 때 색깔이 변화되므로 스스로 산화-환원 적정시 내부 지시약으로 사용 가능) MnO4- Mn2+ Cr2O72- Cr3+

생활속의 화학 바닷물 속의 금속 회수하기 CaCO3 (s) CaO (s) + CO2 (g) - CaO (s) + H2O (l) Ca2+ (aq) + 2OH (aq) - Mg2+ (aq) + 2OH (aq) Mg(OH)2 (s) - Mg(OH)2 (s) + 2HCl (aq) MgCl2 (aq) + 2H2O (l) 바닷물에 들어있는 금속은 Element Percent(%m/m)로 Sodium 1.08 Magnesium 0.1292 Calcium 0.04 Potassium 0.04 등이 있다. 마그네슘이 금속 중에서는 두 번째다. CaCO3를 가열하여 소석회를 만들고, 바닷물로 처리하면 수산화칼슘이 생성되고, 이는 약간 용해하여 Ca2+ 와 OH-로 해리된다. The solubility of Calcium Hydroxide is 0.185g/100mL of water at 25 degrees C, Magnesium Hydroxide 0.00064 g/100 mL (25 °C)로 Magnesium Hydroxide가 훨씬 작다. 따라서 Mg(OH)2가 침전될 것이다. 침전물을 염간으로 처리하면 MgCl2 수용액을 얻게 되고, 이를 전기분해하여 Mg를 얻는다. Mg2+ + 2e- Mg 2Cl- Cl2 + 2e- MgCl2 (aq) Mg (s) + Cl2 (g)