소 방 화 학 혜천대학교 소방안전관리과.

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1 소 방 화 학 혜천대학교 소방안전관리과

2 목 차 1장 서 론 2장 물질과 측정 3장 원자, 분자 및 이온 4장 화학식과 화학반응식 5장 열화학

3 목 차 6장 원자의 구조와 주기성 7장 기 체 8장 화학결합 9장 액체와 고체 16장 유기화학

4 서 론 1

5 화학이란? 화학(chemistry)의 정의 물질 (matter, material) 원소 (element)
물질과 물질의 변화에 대해 연구하는 학문 우주를 구성하는 물질의 조성과 그 변화를 연구하는 학문 물질 (matter, material) - 질량을 가지면서 공간을 차지하는 모든 것 원소 (element) - 정상적인 조건에서 존재하는 물질의 가장 기본적인 형태 (예) 금, 다이아몬드 등 화합물 (compound) - 2개 이상의 원소가 화학적으로 결합하여 이루어진 물질

6 물질과 측정 2

7 물질의 측정 부피 (volume, V) 질량 (mass, m) 길이 (length, L) - 미터자를 이용하여 길이 측정
- 미터법으로 표시, 길이와 밀접한 관계 질량 (mass, m) - 물질의 양

8 물질의 측정 미터법의 접두사

9 물질의 측정 온도 (temperature, T) 열에 대한 정량적인 표현, 온도계로 측정
섭씨온도 (℃)와 화씨온도 (℉)로 나타냄 두 온도 척도 간의 관계 절대온도 (Kelvin 온도) : 화학에서 절대적으로 필요한 온도체계

10 물질의 측정 밀도 (density, ρ) 예제 - 식염(소금, NaCl) 485g이 차지하는 부피[mL]는 얼마인가?
- 부피에 대한 질량의 비 - 단위부피당의 질량 [kg/m3] 예제 - 식염(소금, NaCl) 485g이 차지하는 부피[mL]는 얼마인가? (단, 식염의 밀도는 2.16g/mL이다)

11 물질의 측정 비중 (specific gravity, s) 예제 - 수은의 비중은 얼마인가?
같은 조건에서 물질의 질량과 같은 부피인 물의 질량에 대한 그 물질의 질량비 물의 밀도에 대한 그 물질의 밀도와의 비 예제 - 수은의 비중은 얼마인가? (단, 수은의 밀도는 13.6g/mL이다)

12 측정치의 취급 및 표현 과학적 표기법 (scientific notation) 예제 N : 정수, 0∼ 10의 숫자
아주 큰 수나 작은 수를 나타낼 때 사용하는 체계적인 표기 방법 N : 정수, 0∼ 10의 숫자 n : 양 또는 음의 정수, 지수 예제 - 다음의 수를 과학적 표기법을 이용하여 나타내어라. (1) (2)

13 단위의 환산

14 단위의 환산

15 SI 단위 SI 단위란? SI단위의 기본단위 - 1960년 IUPAC에서 제안한 국제단위
- 7개의 기본단위와 2개의 보조단위의 조합으로 단위를 나타냄 SI단위의 기본단위

16 SI 단위 SI 유도단위

17 SI 단위 SI 단위계에서 사용하는 접두사

18 물질의 분류 물질의 물리적 성질 물질의 상태, 삼태 (three phases) 물질의 물리적 변화
- 그 물질이 다른 물질로 변화되지 않으면서 관찰될 수 있는 성질 (예) 향기, 색깔 등 물질의 상태, 삼태 (three phases) - 고체, 액체, 기체 - 고체 (solid) : 일정한 모양과 부피를 갖음 - 액체 (liquid) : 일정한 부피는 갖고 있으나 모양이 없음 - 기체 (gas) : 일정한 부피와 모양이 없음 물질의 물리적 변화 - 물질의 조성 변화는 일어나지 않으며, 다만 물리적 상태나 크기에 있어서 의 변화 (예) 얼음(고체) → 물(액체) → 수증기(기체)

19 물질의 분류 물질의 3가지 물리적 상태

20 물질의 분류 물질의 삼태와 상호 변환 관계

21 순물질 : 원소, 화합물 화합물과 혼합물의 차이점 원소 (element) 화합물 (compound) 혼합물 (mixture)
- 정상적인 조건에서 존재하는 물질의 가장 기본적인 형태 (예) 금, 다이아몬드 등 화합물 (compound) - 2개 이상의 원소가 화학적으로 결합하여 이루어진 물질 (예) 2H2 + O2 → 2H2O 혼합물 (mixture) - 2가지 이상의 순수한 물질이 단순히 섞여있는 물질 (예) 공기, 설탕물, 소금물, 소주 등 화합물과 혼합물의 차이점 화합물은 원래의 순수한 물질로 분리하기 위해서는 반드시 화학반응을 거쳐야 함 - 혼합물은 물리적 방법을 이용하여 비교적 쉽게 분리할 수 있음

22 혼합물 : 균일 및 불균일혼합물 혼합물 (mixture) 균일혼합물 (homogeneous mixture)
- 2가지 이상의 순수한 물질이 단순히 섞여있는 물질 (예) 공기, 설탕물, 소금물, 소주 등 - 균일혼합물과 불균일혼합물 균일혼합물 (homogeneous mixture) - 전체가 균일하며 한가지 상(phase)으로만 되어 있는 것 (예) 소금물, 설탕물, 소주 등 불균일혼합물 (heterogeneous mixture) - 두 상(phase) 사이에 경계가 있으면서 둘 이상의 상이 포함되어 있는 균일하지 않은 혼합물 (예) 물과 기름, 철가루와 모래가 섞여있는 혼합물

23 혼합물 : 균일 및 불균일혼합물 균일혼합물과 불균일혼합물의 예

24 원자, 분자 및 이온 3

25 원자, 분자 및 이온 원자설 일정성분비의 법칙 (law of definite proportions)
- 원소는 원자라는 작은 입자로 되어 있다. 서로 다른 원소의 원자는 서로 다른 성질을 갖는다. - 화학반응에서는 원소의 원자가 소멸되거나 다른 원소의 원자로 바꿔질 수 없다. (질량보존의 법칙) - 화합물은 2 종류 또는 그 이상의 원소의 원자가 결합할 때 생성된다. 또한 어떤 화합물에서 각 원자의 상대적인 개수는 일정하며 그들 사이에 간단한 정수비가 존재한다. (일정성분비의 법칙), (배수비례의 법칙) 일정성분비의 법칙 (law of definite proportions) - 화합물의 성분의 질량의 비가 항상 일정하다. - 화합물 내 원소의 원자 수 비가 일정하다면 질량비도 항상 일정하다.

26 원자, 분자 및 이온 예제 해답 수소 2g과 산소 19g을 반응시키면 물 몇 g이 생성되겠는가?
2H O → H2O 2ⅹ1gⅹ2 : gⅹ : ⅹ(1gⅹ2+16g) : : 2g : g : g 따라서 남는 것은 산소 3g이다. 해답

27 원자, 분자 및 이온 예제 해답 1.05g의 탄소를 완전히 연소시키면 3.85g의 이산화탄소를 만들 수 있다.
그렇다면 탄소와 산소의 성분비는 얼마인가? C O → CO2 1.05g : ? : g 산소의 질량 = 3.85 – 1.05 = 2.80g (질량보존의 법칙) : : : : : : 해답

28 원자, 분자 및 이온 배수비례의 법칙 (law of multiple proportions) 예제
- 화학반응을 하는 2개의 원소가 2가지의 다른 화합물을 만들 때 적용 - 화합물에서 한 원소의 일정량과 결합하는 다른 원소의 질량 사이에는 간단한 정수비가 성립 예제 황(S)과 산소(O2)와의 화합물에는 이산화황(SO2)과 삼산화황(SO3)이 있다. 배수비례의 법칙이 성립하는지 증명하시오. S O → SO2 32g : gⅹ2 = : 1 S O → SO3 32g : gⅹ3 = : 1.5

29 원자, 분자 및 이온 원자번호 질량수 동위원소 (isotope)
모든 원소의 원자는 핵 속에 양성자를 포함하며, 그 수는 원소의 기본 성질로서 그 원소의 원자번호라 정의한다. 질량수 양성자와 중성자 수에 따라 결정 동위원소 (isotope) 양성자 수는 같지만 중성자 수가 다른 원소

30 원자, 분자 및 이온 동위원소 (isotope) 양성자 수는 같지만 중성자 수가 다른 원소

31 원자, 분자 및 이온 분자 (molecule) 이온 (ion) 모든 물질의 기본 단위
화학결합에 의해 결합된 둘 또는 그 이상의 원자 집합체 물질이 갖는 고유한 성질을 보유하는 최소단위 (예) H2, HCl 이온 (ion) 중성원자가 전자를 잃거나 얻어서 전기를 띄게 된 입자 (예) Na+, Cl- 등

32 원자, 분자 및 이온 몰 (mole) 물질량의 SI 단위

33 원자, 분자 및 이온 주기율표 (periodic table) 족 (group) 과 주기 (period) 족의 구성
화학적으로 동일한 특성을 나타내는 원소가 일정한 주기를 두고 배치된 표 년 Mendeleev와 Meyer에 의해 작성 족 (group) 과 주기 (period) 족 : 세로줄에 자리잡은 원소들의 집단(group) 주기 : 주기율표 상에서 원소의 가로줄(period) 족의 구성 주족 또는 대표금속(main group), 전이금속(transition metal), 준금속(metalloid), 비금속(nonmetal)

34 원자, 분자 및 이온 주기율표 (periodic table)

35 원자, 분자 및 이온 주기율표 (periodic table)

36 화학식과 화학반응식 4

37 화학식과 화학반응식 화학식 화학식의 종류 - 원소기호를 이용하여 물질을 형성하고 있는 성분의 종류, 양, 결합
상태 또는 물질의 화학적 성질 등을 표시한 식 화학식의 종류 - 실험식 - 분자식 - 시성식 - 구조식

38 화학식과 화학반응식 Example Example 실험식 C6H6 = CH, H2O2 = HO, C2H2 = CH 분자식
- 화합물 중에 포함되어 있는 각 성분 원소의 원자 수의 비를 가장 간단히 나타낸 식 Example C6H6 = CH, H2O2 = HO, C2H2 = CH 분자식 - 분자를 구성하고 있는 원자의 종류와 그 수를 나타낸 식 Example CH3OH = CH4O, C2H5OH = C2H6O, H2O = H2O

39 화학식과 화학반응식 Example 시성식 CH3OH, C2H5OH, CH3CHO, CH3COOH, CH3COCH3
- 한 개의 분자 중에 존재하는 특성기 (작용기, functional group)를 구별하여 분자의 특성을 나타낸 식 Example CH3OH, C2H5OH, CH3CHO, CH3COOH, CH3COCH3

40 화학식과 화학반응식 특성기 - 분자의 화학적 성질을 결정해주는 원자나 원자단 특성기 시성식 Hydroxyl [-OH]
CH3OH [methanol] C6H5OH [phenol] Aldehyde   [-CHO] CH3CHO [acetaldehyde] Carbonyl   [＞CO] CH3COCH3 [acetone] Carboxyl   [-COOH] CH3COOH [acetic acid] Sulfo  [-SO3H] C6H5SO3H [benzene sulfonic acid] Amino  [-NH2] C6H5NH2 [aminobenzene, aniline] Amide  [-CONH-] C6H5CONHCH3 [acetanilide] Nitro  [-NO2] C6H5NO2 [nitrobenzene] Nitroso  [-NO] C6H5NO [nitrosobenzene]

41 화학식과 화학반응식 Example 구조식 (structural formula)
- 분자 중의 각 성분 원자의 결합상태를 도식적으로 나타낸 식 - 특성 원자의 순서와 배열을 보여주는 식 - 구조식의 특징 : 원자간의 결합을 “―”로 표시 ― : 단일결합, 〓 : 2중결합, ≡ : 3중결합 Example H H ― C ― C ― O ― H ― C = C H H ― C ≡ C ― H

42 화학식과 화학반응식 Lewis 점 구조식 - 원자가전자를 규명하기 위한 구조식
- 분자를 구성하고 있는 원자들의 원자가전자 수와 원자의 배열 상태를 나타낸 구조식

43 화학식과 화학반응식 Lewis 점 구조식 - 원자가전자를 규명하기 위한 구조식
- 분자를 구성하고 있는 원자들의 원자가전자 수와 원자의 배열 상태를 나타낸 구조식

44 화학식과 화학반응식 화합물의 명명법 이온결합

45 화학식과 화학반응식 공유결합의 명명법

46 화학식과 화학반응식 다원자이온의 명명법

47 화학식과 화학반응식 산의 명명법

48 화학식과 화학반응식 화학반응식 - 화학반응에 참여하는 물질을 화학식으로 표시하여 반응식으로 나타낸 것
- 반응물, 생성물, 화학양론적 관계, 물질의 상태 등

49 C3H8(g) + O2(g) → H2O(ℓ) + CO2(g) C3H8(g) + 5O2(g) → 4H2O(ℓ) + 3CO2(g)
화학식과 화학반응식 화학반응식 작성 방법 - 반응물을 화살표 왼쪽에, 생성물을 화살표 오른쪽에 표기 - 화학양론계수를 이용하여 반응식을 완결 - 질량보존의 법칙을 만족 - 물질의 상태 표시 예제 프로판(C3H8)이 연소하면 물과 CO2가 생성된다. 화학반응식을 작성하시오. C3H8(g) + O2(g) → H2O(ℓ) + CO2(g) C 원자의 갯수 : 3 = 1×3 H 원자의 갯수 : 8 = 2×4 O 원자의 갯수 : 5×2 = 4 + 3×2=10 C3H8(g) + 5O2(g) → 4H2O(ℓ) + 3CO2(g)

50 C3H8(g) + 5O2(g) → 4H2O(ℓ) + 3CO2(g)
화학식과 화학반응식 예제 프로판(C3H8)의 완전연소반응식에서 1.43mol의 C3H8을 연소할 때 필요한 O2의 mol 수 및 생성되는 CO2의 mol 수를 구하여라. C3H8(g) + 5O2(g) → 4H2O(ℓ) + 3CO2(g)

51 화학식과 화학반응식 예제

52 농도 농도 몰농도 (molarity, M) - 퍼센트(백분율) 농도 - 몰농도 (molarity)
- 몰랄농도 (molality) - 노말농도 (normality) 몰농도 (molarity, M) - 화학에서 가장 많이 사용되는 농도단위 - 용액 1리터에 들어있는 용질의 몰 수

53 농도 예제

54 농도 예제

55 수용액에서의 반응 수용액에서의 반응 침전반응 (precipitation)
- 침전반응 (precipitation reaction) - 산-염기 반응 (중화반응) - 산화-환원반응 침전반응 (precipitation) - 용액에서 가장 흔하게 발생되는 반응의 형태 - 양이온과 음이온이 서로 반응하여 불용성 침전물을 형성 (예) 질산은과 염화구리(II)의 반응

56 수용액에서의 반응 침전반응 (precipitation)

57 수용액에서의 반응 산-염기반응 - 중화반응 (neutralization reaction)
- 산(acid)과 염기(alkali)가 반응하여 중성의 물과 염(salt)을 생성 (예) 염산(HCl)과 수산화나트륨(NaOH)의 반응

58 수용액에서의 반응 산화-환원반응 - 두 반응물 사이에 전자의 교환이 일어나는 반응
- 전자를 주는 화학물질은 산화, 전자를 얻는 화학물질은 환원 (예) 아연(Zn)과 염화구리(CuCl2)와의 반응

59 열화학 5

60 화학반응에서 에너지 변화 에너지의 화학적 변화 발열반응 흡열반응 열 에너지의 방출 또는 흡수 과정
발열 (exothermic) 반응과 흡열 (endothermic) 반응 발열반응 열을 방출하는 화학반응 (예) 여러 물질의 연소반응 흡열반응 열을 흡수하는 화학반응 (예) 질산암모늄과 물과의 화학반응

61 엔탈피 변화 발열반응 흡열반응 열을 방출하는 화학반응 (예) 여러 물질의 연소반응 열을 흡수하는 화학반응
(예) 질산암모늄과 물과의 화학반응

62 엔탈피 변화 에너지의 화학적 변화 열 에너지의 방출 또는 흡수 과정
발열 (exothermic) 반응과 흡열 (endothermic) 반응

63 열화학반응식 열화학반응식 열화학반응식 작성시 주의할 점
화학반응식에 반응의 결과 나타나는 열의 흐름(열량, 엔탈피)을 표시한 식 열화학반응식 작성시 주의할 점 반응식의 계수는 반응물 또는 생성물의 mol 수 물질의 상태 표시 엔탈피는 온도의 함수이므로 온도 표시를 해야 함 온도 표시가 없을 경우 25℃에서 일어나는 반응 반응식에 엔탈피를 나타낼 때에는 부호 주의

64 원자의 구조와 주기성 6

65 원자반지름 원자반지름 최외각전자로부터 핵의 중심을 지나 반대편에 존재하는 전자까지의 거리의 반

66 원자반지름 원자반지름 최외각전자로부터 핵의 중심을 지나 반대편에 존재하는 전자까지의 거리의 반

67 원자반지름 원자반지름 최외각전자로부터 핵의 중심을 지나 반대편에 존재하는 전자까지의 거리의 반

68 이온화에너지 이온화에너지 기체상태의 원자에서 최외각전자를 제거하고, 양이온이 될 때 필요한 에너지
전자를 제거할 때에는 반드시 에너지가 필요하다는 증거 주기율표상에서 오른쪽으로 갈수록 증가 (동일 주기일 경우) 아래로 갈수록 감소 (동일 족일 경우)

69 전자친화도 전자친화도 이온화에너지의 반대 개념 음이온을 형성하는 정도
중성 기체 원자가 멀리 떨어져 있는 전자 1개를 받아들이는데 필요한 에너지

70 기체 7

71 기체 기체의 성질 대기압과 압력계 0℃, 1기압에서 기체상태로 존재하는 물질
STP에서 1mol의 모든 기체들은 22.4L의 부피를 갖는다. 대기압과 압력계

72 대기압과 압력계 압력계 – manometer

73 대기압과 압력계 절대압력

74 부피, 압력, 온도 및 몰수와의 관계 압력과 부피의 관계 – Boyle의 법칙 일정 온도에서 기체의 부피는 압력에 반비례

75 부피, 압력, 온도 및 몰수와의 관계 부피와 온도의 관계 – Charles & Gay Lussac의 법칙
일정 압력에서 기체의 부피는 온도에 비례

76 부피, 압력, 온도 및 몰수와의 관계 부피와 mol수와의 관계 – Avogadro의 법칙
일정 온도, 압력에서 기체의 부피는 몰수에 비례

77 이상기체 상태방정식 유도

78 이상기체 상태방정식 기체상수 R의 계산 - 모든 기체들은 표준상태(STP)에서 1 mol의 부피는 22.4L이다.

79 이상기체 상태방정식의 응용 기체의 분자량(M) 결정

80 이상기체 상태방정식의 응용 기체의 분자량(M) 결정

81 이상기체 상태방정식의 응용 기체의 분자량(M) 결정

82 이상기체 상태방정식의 응용 기체의 분자량(M) 결정

83 이상기체 상태방정식의 응용 기체의 밀도(ρ) 결정

84 액체와 고체 9

85 액체와 고체 기체, 액체와 고체

86 액체와 고체 증기압 (vapor pressure)

87 액체와 고체 증기압 (vapor pressure) - 액체와 평형에 있는 기체의 압력 - 액체의 특별한 성질
- 액체 분자 간 인력의 차이로서 나타나는 현상이기 때문에 액체의 종류에 따라 다르다. - 증기압이 크다면 액체 분자간의 인력이 약하다. - 온도가 증가하면 증기압도 증가한다.

88 액체와 고체 증기압 (vapor pressure)

89 액체와 고체 끓는점, 비점 (boiling point) 임계온도 (critical temp.)
- 액체가 끓는 온도 - 외부의 압력이 높으면 비점은 증가 - 외부의 압력이 낮으면 비점은 감소 임계온도 (critical temp.) - 일정 온도 이상에서 순수한 물질의 액체가 존재할 수 없는 온도 임계압력 (critical pressure) - 임계온도에서 액체를 얻기 위해 가해야 할 최소압력

90 액체와 고체 끓는점, 비점 (boiling point) 임계온도 (critical temp.)
- 액체가 끓는 온도 - 외부의 압력이 높으면 비점은 증가 - 외부의 압력이 낮으면 비점은 감소 임계온도 (critical temp.) - 일정 온도 이상에서 순수한 물질의 액체가 존재할 수 없는 온도 임계압력 (critical pressure) - 임계온도에서 액체를 얻기 위해 가해야 할 최소압력

91 액체와 고체 고체의 형태 - 이온성 고체 - 분자성 고체 - 거대분자성 고체 - 금속고체

92 액체와 고체 고체의 형태 - 이온성 고체 - 분자성 고체 - 거대분자성 고체 - 금속고체

93 액체와 고체 물질의 형태

94 액체와 고체 물질의 상변화

95 유기화학 16

96 유기화학 탄화수소 (hydrocarbon) - 탄소와 수소로 이루어진 화합물 - 탄소원자 또는 수소원자와의 공유결합

97 유기화학 포화탄화수소 – 알칸(alkane) - CnH2n+2의 형태로 결합 - 가장 간단한 형태는 CH4(메탄)

98 유기화학 불포화탄화수소 – 알켄(alkane) & 알킨(alkyne) 방향족탄화수소 (aromatic hydrocarbon)
- CnH2n의 형태로 결합 (이중결합) - 가장 간단한 형태는 C2H4(에틸렌) - CnH2n-2의 형태로 결합 (삼중결합) - 가장 간단한 형태는 C2H2(아세틸렌) 방향족탄화수소 (aromatic hydrocarbon) - 벤젠고리를 포함한 고리형 불포화탄화수소 - 대부분 향기가 있기 때문에 방향족 화합물이라 한다. - 대부분 벤젠(C6H6)으로부터 유도

99 유기화학 방향족탄화수소 (aromatic hydrocarbon) - 벤젠고리를 포함한 고리형 불포화탄화수소
- 대부분 향기가 있기 때문에 방향족 화합물이라 한다. - 대부분 벤젠(C6H6)으로부터 유도

100 유기화학 휘발유, 석유

101 유기화학 탄화수소의 유도체

102 유기화학 고분자 (polymer) - 단위체(monomer)라는 작은 단위가 반복적으로 결합된 중합체
- 단위체를 이용하여 중합체로 만드는 과정을 중합이라 한다.

103 유기화학 고분자 (polymer) - 단위체(monomer)라는 작은 단위가 반복적으로 결합된 중합체
- 단위체를 이용하여 중합체로 만드는 과정을 중합이라 한다.