1. 화학 반응에서의 동적 평형
01. 가역 반응과 동적 평형
① 염화 코발트 수화물의 생성과 분해 ￭ 코발트 - 전이 금속들은 주기율표 4, 5, 6주기에 있는 3~12족 원소로, 오비탈이 채워지는 구역에 있는 원소 들이다. 전이 금속은 보통 두 개 이상의 안정한 산화 상태를 가지며, 많은 전이 금속이 분자나 이온 과 화합물을 형성하여 특유의 색깔을 띤다. Co는 전이 금속으로, 염소와 결합한 염화 코발트는 ( )색을 띠지만 물을 흡수한 육수화물은 ( )색을 띤다. ￭ 염화 코발트 수화물의 생성과 분해 - 푸른색의 염화 코발트가 물과 결합하여 붉은색의 염화 코발트 육수화물을 생성하는 반응과 염화 코발트 육수화물에서 물이 분해되는 반응은 모두 일어날 수 있다. - 이러한 성질을 이용하여 만든 염화 코발트 종이로 쉽게 ( )을 확인할 수 있다. 푸른 색의 염화 코발트 종이에 물을 흡수시키면 붉은색이 되고, 붉은색의 염화 코발트 종이를 살짝 가열하 면 다시 푸른색이 된다. ② 가역 반응 ￭ 정반응과 역반응 - 화학 반응식에서 오른쪽으로 진행되는 반응을 ( ), 왼쪽으로 진행되는 반응을 ( ) 이라고 한다.화학Ⅰ
Ⅳ.
역동적인 화학 반응
➜ ￭ 비가역 반응 - 정반응은 일어나지만 역반응이 일어나기 어려운 반응, 즉 한쪽 방향으로만 진행되는 반응이다. - 연소 반응은 대표적인 비가역 반응 중 하나이다. ex) 메테인을 연소시키면 이산화 탄소와 물이 되지만, 이산화 탄소와 물로부터 메테인이 되는 반응은 일어나지 않는다. ➜
③ 동적 평형 ￭ 동적 평형 - 물질의 이동이나 변화가 계속 일어나지만, 서로 반대 방향의 변화가 상쇄되어 변화가 없어 보이는 상태가 동적 평형이다. ￭ 액체의 증발과 응축에서의 동적 평형 - 열린 용기 : 액체 분자가 증발하여 기체가 되어 공기 중으로 날아가므로 열린 용기에서는 액체가 모두 없어질 때까지 증발이 일어난다. 이는 열린 용기에서는 주어진 온도에서 액체의 증기 압력에 도 달하지 못하기 때문이다. - 밀폐 용기 : 일정 온도에서 액체의 증발 속도는 ( )하다. 처음에는 증발하는 분자 수가 응축 하는 분자 수보다 ( 많아 / 적어 )서 액체의 양은 줄어든다. 기체 분자 수가 점점 많아지면서 응축 하는 분자 수가 ( 증가 / 감소 )하다가 증발하는 분자 수와 응축하는 분자 수가 같아지면 액체의 양은 일정해진다. - 시간이 지날수록 물의 증발 속도는 느려지고 응축 속도는 빨라져 증발 속도와 응축 속도가 같아지는 것이 아니다. 온도가 일정한 경우 증발 속도 는 일정한데, 응축 속도가 빨라져 두 속도가 같아지는 것이다.
( 증가 / 감소 )하다가 용해되는 용질 분자 수와 석출되는 분자 수가 같아지면 용액 속 용질 분자 수 는 일정해진다.
< 탐구 > 사산화 이질소의 생성 반응과 분해 반응에서의 변화 해석하기
￭ 목표 : 가역 반응에서 동적 평형을 설명할 수 있다. 적갈색을 띠는 이산화 질소(NO2)가 서로 결합하여 무색의 사산화 이질소(N2O4)를 생성하는 반응은 다음과 같이 가역적으로 일어난다. 적갈색을 띠는 NO2를 밀폐 용기에 넣은 다음 실온에 두었더니 그림과 같은 결과를 얻을 수 있었다. ￭ 정리 1. (가)에서 (나)로 될 때 적갈색이 점점 옅어지는 까닭을 토의해 보자. ✍ 정반응 속도 ( ) 역반응 속도 ➜ 반응 초기에는 적갈색을 띠는 ( )가 무색인 ( )가 되는 ( )반응 속도가 ( )반응 속도보다 빨라 적갈색이 점점 옅어진다. 2. (나)에서 (다)로 되어도 적갈색이 더 이상 옅어지지 않은 까닭을 토의해 보자. ✍ 정반응 속도 ( ) 역반응 속도 ➜ 적갈색을 띠는 ( )가 무색인 ( )를 생성하는 ( )반응 속도와 무색인 ( )가 적갈색을 띠는 ( )를 생성하는 ( )반응 속도가 같은 ( ) 상태이다. 따라서 NO2가 소모된 것만큼 다시 N2O4가 분해되어 NO2를 생성하여 NO2의 양이 일정하게 유지되므로 색깔 변화가 없다. ➜ 왜냐하면,③ 화학 평형 상태 ￭ 화학 평형은 가역적인 화학 반응에서 반응물과 생성물의 농도가 시간에 따라 변하지 않는 상태를 의미 ￭ 화학 평형 상태에 도달하면 ( ), ( ) 등 외부 조건이 변하지 않는 한 반응물과 생성물의 양이 변하지 않는다. ￭ 화학 평형 상태는 ( )으로, 겉보기에는 반응물과 생성물의 양이 변하지 않지만 실제로는 정반응과 역반응이 계속 일어나고 있는 상태이다. 따라서 화학 평형은 반응이 전혀 일어나지 않는 정적 평형 상태와는 구분된다. *** < 참고 > 화학 평형의 특징 *** ․ 화학 평형은 동적 평형으로 거시적인 변화가 없지만 정반응과 역반응이 같은 속도로 일어난다. ․ 화학 평형은 반응물에서 시작하거나, 생성물에서 시작하거나 또는 반응물과 생성물을 모두 넣고 반응시키더라도 항상 자발적으로 도달한다. 즉, 평형에 도달하는 방향에 관계없이 평형에 도달한다. 평형에 도달한 후에는 외부 조건이 변하지 않는 한 평형을 유지한다. ․ 화학 평형 상태에서 각 물질의 농도를 평형 농도라고 하는데, 반응물의 평형 농도와 생성물의 평형 농도의 비로 나타 내는 값을 평형 상수라고 한다. 어떤 반응의 평형 상수는 특정 온도에서 항상 일정한 값을 가지며, 평형 상수는 그 반응의 반응 진행 정도를 나타내는 척도이기도 하다.
02. 물의 자동 이온화
① 브뢴스테드 ․ 로리 산 염기 ￭ 아레니우스 산 염기 - 아레니우스 산 염기는 ( )에 녹을 수 있는 물질의 수용액 상 태에서만 정의되며, 이온화하여 내놓을 수 있는 ( )이나 수 산화 이온( )을 포함하지 않는 물질이 산성 또는 염기성을 나타내는 경우를 설명할 수 없었다. ex) 암모니아(NH3)는 염기이지만, 분자 자체에서 ( )를 내놓지 않으므로 아레니우스 정의로는 설명할 수 없다. ￭ 브뢴스테드 ․ 로리 산 염기 - 산 : 다른 물질에게 ( )을 주는 물질 - 염기 : 다른 물질로부터 ( )을 받는 물질 ex) 암모니아와 물의 반응 ex) 염화 수소와 물의 반응 ￭ 브뢴스테드 ․ 로리 산 염기 정의의 특징 - 브뢴스테드 ․ 로리 산은 아레니우스와 개념적으로 크게 다르지 않다. 그러나 염기는 뚜렷하게 구별된다. ➜ 아레니우스 염기 : 물에 녹아 ( )을 내놓을 수 있는 물질 ➜ 브뢴스테드 ․ 로리 염기 : 반응에서 다른 물질로부터 ( )을 받는 물질 - 기체 상태의 염화 수소와 암모니아가 반응하여 흰색의 염화 암모늄이 생성되는 반응 - 브뢴스테드 ․ 로리 산 염기는 ( )이 이동하지 않는 반응은 설명할 수 없다.② 루이스 산 염기 ￭ 브뢴스테드 ․ 로리 산 염기 - 수소 이온(H+) : ( ) - 브뢴스테드 ․ 로리 정의에서 산은 양성자 ( ), 염기는 양성자 ( )라고도 한다. - 양성자 주개와 받개 정의를 ( ) 받개와 주개의 정의로 확장한 개념이 루이스 산 염기 정의 ➜ 루이스 ( ) : 전자쌍을 받는 물질 루이스 ( ) : 전자쌍을 주는 물질 ➜ 루이스 정의에 따르면 물질 사이에 ( )이 이동하지 않는 반응에서도 산 염기 반응을 설명할 수 있다. ③ 물의 자동 이온화 ￭ 양쪽성 물질 - 어떤 분자와 이온들은 반응 조건에 따라 H+을 받기도 하고, 주기도 한다. ➜ 산이나 염기는 상대적인 것으로, 산으로 작용하기도 하고 염기로 작용하기도 한다. ➜ 이러한 물질을 ( ) 물질이라고 하는데, H2O, HSO4-, HCO3-, HS-, H2PO4- 등이 있다. ex) ￭ 물의 자동 이온화 - 물은 대표적인 양쪽성 물질로, 매우 적은 양이긴 하지만 산 또는 염기로 작용하여 물 분자 사이에 ( )을 주고받으면서 이온화한다. - 물의 자동 이온화 반응은 ( )으로 일어나므로 일정 시간이 지나면 ( )에 도달한다.
￭ 수소 이온(H+)과 하이드로늄 이온( )의 차이점 - 염산이나 황산과 같은 산이 물에 녹았을 때 내놓는 H+을 반응식에 나타낼 경우 H+(aq) 표기는 사용 하기에 편리하지만 수용액에서 존재하는 이온의 실제 구조를 반영하지 못한다. ➜ 전자가 없는 수소의 원자핵( )인 H+은 반응성이 너무 커서 홀로 존재할 수 없기 때문에 H+은 물 분자의 산소가 제공하는 ( )과 결합을 형성하여 더 안정한 하이드로늄 이온 (H3O+)의 형태로 존재한다. ➜ 편의상 화학 반응식을 쓸 때 H+(aq)라고 쓰지만, 실제 존재하는 이온은 H3O+(aq)이다. ￭ 물의 이온화 상수 - 동적 평형 상태에서는 반응물과 생성물의 양이 일정하다. - 이때 일정 온도에서 물속에 존재하는 H3O+의 몰 농도와 OH-의 몰 농도의 곱은 일정한 값을 갖는데, 이를 물의 ( )라고 한다. ➜ H3O+의 몰 농도 : ( ), OH-의 몰 농도 : ( ) ➜ [H3O+][OH-] = 일정 ➜ 특히 물의 온가 ( )℃일 때, 물의 자동 이온화 반응이 동적 평형에 도달한 상태에서 [H3O+]와 [OH-]는 각각 ( )이므로 25℃에서 물의 이온화 상수는 다음과 같다. ￭ 수용액의 액성과 [H3O+]와 [OH-]의 비교 - 온도가 일정할 때 물의 이온화 상수는 일정하므로, [H3O+]와 [OH-]는 ( ) 관계이다. (25℃일 때)
④ 수소 이온 농도와 pH ￭ pH - 수용액의 산성이나 염기성 정도를 나타내는 수치 - 수용액에 녹아 있는 H3O+의 농도가 매우 작아 [H3O+]의 역수에 상용로그를 취한 값으로 나타낸다. ￭ pOH - 수용액에 녹아 있는 OH-의 농도인 [OH-]의 역수에 상용로그를 취한 값 ￭ pH와 pOH - 수용액의 액성과 pH, pOH - 25℃에서 물의 이온화 상수 양변에 log를 취하면 pH와 pOH의 관계식을 얻을 수 있다.
- pH는 물의 자동 이온화 반응의 평형 상태에서 [H3O+]로부터 구하므로 온도 함수이다. ➜ 순수한 물의 pH가 7인 경우는 온도가 25℃일 때이다. 물의 온도가 25℃보다 낮거나 높아지면 순수한 물의 pH는 7이 아니다. - 산에 물을 넣어 희석시키면 pH는 점점 ( 증가 / 감소 )하지만 7보다 커질 수 없다. 마찬가지로 염기에 물을 넣어 희석시키면 pH는 점점 ( 증가 / 감소 )하지만 7보다 작아질 수 없다. *** < 참고 > 인체 기관과 pH *** 인체의 소화 장기는 각각 다른 액성을 가진다. 이는 내부 장기를 보호하는 기능도 있 지만 각 장기의 기능을 최적화하는 역할을 한다. 각각의 장기에서 분비되는 소화 효소 마다 반응하는 최적의 pH를 가지기 때문이다. 위에서는 염산을 포함한 위액이 분비되어 약 pH 2의 강한 산성을 띠고, 소장에서는 이를 탄산수소 나트륨(NaHCO3)으로 중화한 다. 위벽에 있는 세포들은 염산을 분해해서 음식물에 붙어 있는 미생물을 죽이고, 단백 질의 소화를 돕는 효소를 활성화시킨다. 사람의 위는 위산과 효소를 견딜 수 있는 염기 성 점액막과 같은 보호 장치를 가지고 있으므로 강한 염산이 분비되어도 위벽이 상하지 않는다. 효소는 대체로 단백질과 금속 양이온의 결합체로 구성된다. 단백질은 산 염기에 매우 민감한 물질 중 하나이므로 우리 몸속에서 각 장기들이 최적의 기능을 하려면 pH 조절 이 매우 중요하다. *** < 참고 > pH와 산의 세기 *** pH는 수용액 속에 들어 있는 [H3O+]의 농도를 나타내는 지표로, 수용액의 산도를 나타내는 지표이지 산의 세기를 나 타내는 지표는 아니다. 산의 세기는 산이 물에서 이온화하는 정도를 온도 함수로 나타낸 산의 이온화 상수에 의해서 정 해진다. 따라서 산의 세기는 농도와 관계가 없다. 이를테면 염산은 물에서 거의 대부분 이온화하는 강산이고, 아세트산 은 물에서 일부만 이온화하는 약산이지만 묽은 염산의 pH가 진한 아세트산 수용액의 pH보다 클 수 있다.
- 제산제 : 위에서 분비되어 소화를 돕는 액체인 위산은 0.5%의 염산을 포함하고 있다. 위산이 과다하게 분비되어 속이 쓰릴 때에는 제산제를 먹는데, 제산제에 들어 있는 수산화 알루미늄, 수산화 마그네슘 등의 ( ) 물질이 위산과 중화 반응하여 속이 쓰린 증상을 완화시켜 준다. - 생선 비린내 제거 : 생선 비린내의 주원인인 트라이메틸아민((CH3)3N)이라는 염기성 물질이다. 레몬은 시트르산이라는 ( ) 물질이 들어 있으므로, 생선에 레몬즙을 뿌려 트라 이메틸아민을 중화하여 생선의 비린내를 제거한다. - 치약 : 음식물 섭취 후 입 안에 남아 있는 설탕이나 전분 등이 세균에 의해 분해되면서 산성 물질이 생성되는데, 이 산성 물질이 염기성 물질인 탄산 칼슘과 수산화 인회석으로 이루어진 치아의 바깥 부분을 녹여 치아를 손상시킨다. 따라서 탄산 나트륨, 탄산 칼슘 등의 ( ) 물 질이 들어 있는 치약으로 양치질을 하여 입 속의 산성 물질을 중화시킨다. ￭ 중화 반응 - 산의 양이온인 수소 이온(H+)과 염기의 음이온인 수산화 이온(OH-)이 반응하여 물(H 2O)과 염을 생성 하는 반응 - 중화 반응의 알짜 이온 반응식 : ( ) ➜ ( ) 이온 : 반응에 직접 참여한 이온 ( ) 이온 : 반응에 참여하지 않고 수용액 속에 그대로 남아 있는 이온 - 염 : 염기의 ( )과 산의 ( )이 결합하여 생성된 이온성 물질 ➜ 여러 가지 반응에 의해 생성되며, 구성하는 이온에 따라 물에 잘 녹기도 하고 녹지 않기도 한다. ➜ 물에 잘 녹는 염에는 대체로 Na+, K+, NH 4+, NO3- 등이 포함되며, 중화 반응에서 생성된 염이 물에 잘 녹는 경우 혼합 용액을 가열하여 물을 증발시키면 염을 얻을 수 있다. ② 중화 반응의 양적 관계 ￭ 산과 염기가 중화 반응할 때에는 산의 H+과 염기의 OH-이 ( )의 몰비로 반응한다.
- 염산과 수산화 나트륨 수용액의 중화 반응 모형과 양적 관계 - 황산과 수산화 나트륨 수용액의 중화 반응 모형과 양적 관계 ￭ 가수 - 산 또는 염기 1몰이 내놓을 수 있는 H+ 또는 OH-의 양(mol)을 가수라고 하며, 산과 염기의 가수는 산이나 염기의 종류에 따라 다르다. 가수가 인 산은 가산, 가수가 인 염기는 가 염기라고 한다. ￭ 중화 반응의 양적 관계 - 산과 염기가 완전히 중화되려면 산이 내놓는 H+과 염기가 내놓는 OH-의 양(mol)이 같아야 한다.
➜ 0.1M 황산(H2SO4(aq)) 100mL를 완전히 중화하는데 필요한 0.1M 수산화 나트륨(NaOH) 수용액의 부피 ➂ 중화 적정 ￭ 중화 적정 : 중화 반응의 양적 관계를 이용하여 농도를 모르는 산이나 염기의 농도를 알아내는 실험 방법 - ( ) : 농도를 정확히 알고 있는 용액 ➜ 산을 중화 적정할 때에는 표준 용액으로 ( )를 사용하고, 염기를 중화 적정할 때에는 표준 용액으로 ( )을 사용한다. - 중화 적정에 사용되는 기구 ➜ ( ) : 정확한 농도의 표준 용액을 만드는 데 사용된다. ➜ ( ) : 정확한 부피의 용액을 옮길 때 사용된다. ➜ ( ) : 중화 적정에 사용된 표준 용액의 부피를 측정하는데 사용된다. ➜ ( ) : 농도를 모르는 산 또는 염기 용액을 넣은 후, 뷰렛으로부터 떨어지는 표준 용액을 받아서 중화 반응 시키는 용기로 사용된다.
- 중화 적정 실험 장치 및 방법 ￭ 중화점 : ( )과 ( )의 몰비가 1 : 1 이어서 산과 염기가 완전히 중화되는 지점 ￭ 지시약을 이용한 중화점 확인 - 지시약의 색 변화 지시약 변색 범위(pH) 산성 중성 염기성 메틸 오렌지 3.1~4.4 메틸 레드 4.4~6.2 BTB 6.0~7.6 페놀프탈레인 8.0~10.0 - 지시약 선택 : 일반적으로 강산과 강염기의 적정인 경우 중화점의 pH가 7이므로 대부분의 지시약을 사용할 수 있다. 그러나 ( )과 ( ), ( )과 ( )의 적정인 경우 중화점에서 혼합 용액의 액성이 중성이 아니므로 적절한 지시약을 선택해 야 한다. *** < 참고 > 온도, 전류의 세기와 중화점 *** 중화 반응에서는 중화열이 발생하며, 반응하는 H+과 OH-의 수가 증가할수록 많은 열이 발생한다. 따라서 혼합 용액의 온도가 가장 높은 지점이 중화점이다. 또한 중화 반응이 일어나면 혼합 용액 속 이온의 종류와 수가 달라지므로 전기 전 도도가 달라진다. 따라서 혼합 용액의 전류의 세기 변화 경향이 달라지는 지점이 중화점이다.
￭ 목표 : 중화 적정으로 식초에 들어있는 아세트산의 함량을 구하는 실험을 계획하고 수행하여 아세트산의 함량을 구할 수 있도록 한다. ￭ 배경지식 - 식초의 주성분인 아세트산과 수산화 나트륨의 중화 반응식 ￭ 실험 과정 ① ( )으로 식초 10mL를 취하여 눈금실린더에 넣고, 증류수를 가해 용액의 전체 부피가 100mL 가 되도록 하여 식초를 ( )로 묽힌다. ② 과정 ①의 용액 20mL를 피펫으로 취한 후 ( )에 넣고, ( ) 용 액을 1~2방울 떨어뜨린다. ③ 0.1M 수산화 나트륨 ( )을 ( )에 넣고 스탠드에 고정시킨다. 뷰렛의 꼭지를 열 어 용액을 소량 흘려보낸 후 뷰렛의 눈금을 읽어 표에 기록한다. *** 0.1M 수산화 나트륨 표준 용액 만드는 방법(NaOH의 화학식량 : 40) *** (1) 수산화 나트륨 ( )g을 증류수 100mL가 담긴 비커에 넣어 녹인다. (2) 과정 (1)의 용액을 1L ( )에 넣고, 눈금 선까지 증류수를 채운다. (3) 부피 플라스크의 마개를 닫고 흔들어 용액을 골고루 섞는다. ④ 스탠드 위에 ( )를 깔고 식초가 들어 있는 과정 ②의 삼각 플라스크를 올려놓는다. ⑤ 뷰렛의 꼭지를 열어 수산화 나트륨 수용액을 삼각 플라스크에 천천히 떨어뜨린다. 이때 삼각 플라스크 를 흔들어 준다. ⑥ 삼각 플라스크의 용액 전체가 ( )으로 변하는 순간 뷰렛의 꼭지를 잠그고, 뷰렛의 눈금을 읽어 표에 기록한다. ⑦ 과정 ②~⑥을 한 번 더 수행하여 중화 적정에 사용된 수산화 나트륨 수용액의 평균 부피를 구하고, 식 초에 들어 있는 아세트산의 함량을 구한다. ￭ 아세트산의 함량 계산 과정 ① 사용된 0.1M 수산화 나트륨 수용액의 평균 부피 : ( ) ② 식초 속 아세트산의 몰 농도 : 식초 속 아세트산의 몰 농도를 이라고 하면 다음 관계식이 성립된다. ➜ ③ 식초 20mL에 들어 있는 아세트산의 양(mol) : 식초를 로 묽혔으므로 10을 곱하여 계산한다. ➜ ④ 식초의 아세트산 함량 (1) 아세트산의 분자량이 60이므로, 아세트산 ( )몰의 질량은 ( )이다. (2) 식초의 밀도가 1g/mL이므로 식초 20mL의 질량은 ( )이다. (3) 식초의 아세트산 함량(%)은 ( )이다.
02. 산화 환원 반응
① 전자의 이동과 산화 환원 ￭ 산소의 이동과 산화 환원 - 산화 : 어떤 물질이 산소와 ( )는 반응 - 환원 : 어떤 물질이 산소와 ( )되는 반응 ➜ 어떤 물질이 산소와 결합하면 전기 음성도가 큰 산소에게 ( )를 빼앗긴다. ￭ 전자의 이동과 산화 환원 - 산화 : 어떤 물질이 전자를 ( )는 반응 - 환원 : 어떤 물질이 전자를 ( )는 반응- 철의 부식 : 철(Fe)이 공기 중의 산소, 물과 반응하여 붉은 녹(Fe2O3․ 3H2O)을 생성하는 현상 ➜ 철은 전자를 잃어 ( )도고 산소는 전자를 얻어 ( )된다. - 산화 환원 반응의 동시성 ➜ 한 반응에서 전자를 잃어 산화되는 물질이 있으면 반드시 전자를 얻어 환원되는 물질이 있으므로 산화 환원은 항상 동시에 일어난다. ➜ 산화되는 물질이 잃는 전자 수와 환원되는 물질이 얻는 전자 수가 같다.
< 탐구 > 아연과 황산 구리(Ⅱ) 수용액의 반응 관찰하기
￭ 목표 : 금속과 금속 이온의 반응을 산화 환원으로 설명할 수 있도록 한다. ￭ 실험 과정 1. 사포로 문지른 아연판을 황산 구리(Ⅱ) 수용액에 넣는다. 2. 일정한 시간이 지난 뒤 수용액의 색과 아연판 표면에서 일어난 변화를 관찰한다. ￭ 정리 1. 시간이 지남에 따라 수용액의 색은 어떻게 변하는가? ➜ 2. 아연판 표면에 붙어 있는 물질은 무엇이라고 생각되는가? ➜ 3. 아연판과 황산 구리(Ⅱ) 수용액 사이에 어떤 반응이 일어났는지 설명해 보자. ➜➜ 아연과 구리 이온의 산화 환원 반응식 : ￭ 질산 은 수용액과 구리 조각의 산화 환원 반응 - 전체 반응식 : - 각 반응에서의 전자의 이동 ➜ 산화 : ➜ 환원 : - 질산 은 수용액의 은 이온은 전자를 ( 얻 / 잃 )어 금속 은으로 ( 산화 / 환원 )되었고, 구리 조각은 전자를 ( 얻 / 잃 )고 구리 이온으로 ( 산화 / 환원 )되었다. ➜ 산화된 물질 : ➜ 환원된 물질 : ② 산화수 ￭ 산화수 - 어떤 물질(분자, 이온 결합 물질, 홑원소 물질 등)에서 전자가 완전히 이동했다고 가정할 때 원자가 갖는 가상적인 전하로, 산화된 상태를 나타낸다. 물질을 이루는 원자가 전자를 잃으면 ( )의 산화 수를 가지며, 전자를 얻으면 ( )의 산화수를 갖는다. - 이온 결합 물질에서의 산화수 ➜ 금속 양이온과 비금속 음이온이 결합된 이온 결합 물질에서 금속 양이온은 원자가 전자를 잃고, 비금속 음이온은 원자가 전자를 얻어 형성된 것이다. ➜ 따라서 이온 결합 물질에서 각 이온의 전하가 그 이온의 산화수이다. ex) 염화 나트륨(NaCl) : Na+의 산화수는 ( ), Cl-의 산화수는 ( )이다. 산화 마그네슘(MgO) : Mg2+의 산화수는 ( ), O2-의 산화수는 ( )이다.
- 공유 결합 물질에서의 산화수 ➜ 공유 결합 물질에서 ( )가 큰 원자 쪽으로 공유 전자쌍이 모두 이동한다고 가정 한다. 따라서 전기 음성도가 큰 원자는 ( )의 산화수를, 전기 음성도가 작은 원자는 ( ) 의 산화수를 갖는다. ➜ 화합물을 형성할 때 같은 원자라도 화합물에 따라 여러 가지 산화수를 가질 수 있는데, 이는 그 원자와 결합하는 원자의 전기 음성도에 따라 전자를 잃을 수도, 얻을 수도 있기 때문이다. - 산화수의 주기성 ➜ 화합물을 형성할 때 원자들은 전자를 잃거나 얻어서 비활성 기체와 같은 전자 배치를 이루려는 경향이 있으므로 원자의 산화수는 전자 배치와 관련이 있으며, 이에 따라 주기성이 있다. - 산화수 표시 : 산화수는 가상적인 전하이므로 실제 전하와 구별하여 원소 기호의 위나 아래쪽에 +1, -1 등으로 표시한다.
3. 다원자 이온은 각 원자의 산화수의 합이 그 이온의 전하와 같다. ➜ ex) SO42- : CO32- : 4. 화합물에서 각 원자의 산화수의 합은 ( )이다. ➜ 화합물은 전기적으로 중성이므로 구성 원자의 산화수의 합은 0이다. ➜ ex) H2O : Fe2O3 : 5. 화합물에서 1족 금속 원자의 산화수는 ( ), 2족 금속 원자의 산화수는 ( ), 13족 금속 원자의 산화수는 ( )이다. ➜ 금속은 전기 음성도가 매우 작으므로 비금속과 화합물을 형성할 때 항상 전자를 잃는다. ➜ NaCl : MgCl2 : 6. 화합물에서 F의 산화수는 ( )이다. ➜ F은 전기 음성도가 가장 큰 원자이다. 따라서 화합물을 형성할 때 항상 전자쌍을 가져오므로 화 합물에서 F의 산화수는 항상 1이다. ➜ HF : H의 산화수는 ( ), F의 산화수는 ( ) 7. 화합물에서 H의 산화수는 ( )이다. (단, 금속의 수소 화합물에서는 ( )이다.) ➜ 비금속 원자 중 H의 전기 음성도가 2.1로 가장 작다. 따라서 화합물을 형성할 때 전자쌍을 잃으 므로 화합물에서 H의 산화수는 +1이다. 그러나 금속의 수소 화합물에서는 H의 전기 음성도가 금속보다 크므로 H의 산화수는 1이다. ➜ H2O : LiH : 8. 화합물에서 O의 산화수는 ( )이다. (단, 과산화물에서는 ( )이다.) ➜ O은 전기 음성도가 두 번째로 큰 원자이다. 따라서 F를 제외하고 다른 원자와 화합물을 형성할 때 O는 전자쌍을 가져오므로 O의 산화수는 2이다. ➜ CO2 : H2O2 : OF2 : *** < 참고 > 할로젠의 산화수 *** 대부분 화합물에서 Cl, Br의 산화수는 –1이다. 그런데 O와 같이 전기 음성도가 큰 원소와 화합물을 형성하는 경우에 는 Cl, Br의 전기 음성도가 상대적으로 작으므로 ‘+’의 산화수를 갖는다. (ex: HCl, HClO3) *** < 참고 > 산화수와 산화 환원 반응 *** 반응 전후 산화수가 변하지 않는 반응은 산화 환원 반응이 아니다. (ex: 중화 반응, 앙금 생성 반응 등)
③ 산화수 변화와 산화 환원 반응 ￭ 산화수 변화와 산화 환원 - 산화 : 산화수가 ( )하는 반응 - 환원 : 산화수가 ( )하는 반응 ￭ 산화 환원 반응의 동시성 - 산화 환원 반응에서 한 원자의 산화수가 증가하면 다른 원자의 산화수가 감소하므로, 산화 환원은 항상 동시에 일어난다. 이때 산화수가 감소한 물질이 얻은 전자는 모두 산화수가 증가한 물질이 내놓 은 전자이므로 증가한 산화수의 합과 감소한 산화수의 합은 같다. ④ 산화제와 환원제 ￭ 산화제와 환원제 - 산화 환원 반응은 항상 동시에 일어나므로 산화 환원 반응에서 산화제와 환원제는 항상 존재한다. - 산화제 : 다른 물질은 ( )시키고 자신은 ( )되는 물질 ➜ 산소를 잘 내주거나, 전자를 얻기 쉬운 물질 ➜ 전기 음성도가 ( 큰 / 작은 ) 대부분의 ( ) 원소 ➜ ex) F2, Cl2 등의 할로젠 - 환원제 : 다른 물질은 ( )시키고 자신은 ( )되는 물질 ➜ 전자를 내주기 쉬운 물질 ➜ 전기 음성도가 ( 큰 / 작은 ) 대부분의 ( ) 원소 ➜ ex) Na, K 등의 알칼리 금속
➜ 이산화 황(SO2)이 환원제로 작용한 경우 : 자신보다 산화력이 강한 물질과 반응할 때 환원제로 작용
⑤ 산화 환원 반응식
￭ 산화수법을 이용하여 산화 환원 반응식 완성하기
*** < 참고 > 산화 환원 반응의 양적 관계 *** 산화 환원 반응에서 환원제가 잃은 전자의 총 양(mol)과 산화제가 얻은 전자의 총 양(mol)은 같으므로 증가산 산화 수는 감소한 산화수와 같다. 따라서 산화 환원 반응이 완결되었을 때 다음의 관계식이 성립한다. *** < 참고 > 이온-전자법을 이용하여 산화 환원 반응식 완성하기 *** Sn2+ + Cr 2O72- + H+ → Sn4+ + Cr3+ + H2O 1) 산화 반쪽 반응과 환원 반쪽 반으로 나눈다. 산화 반쪽 반응 : Sn2+ → Sn4+ 환원 반쪽 반응 : Cr2O72- + H+ → Cr3+ + H2O 2) 각 반응의 모든 원자 수가 같아지도록 계수를 맞춘다. 산화 반쪽 반응 : Sn2+ → Sn4+ 환원 반쪽 반응 : Cr2O72- + 14H+ → 2Cr3+ + 7H2O 3) 반응 전후 전하량이 같도록 전자수를 더해 맞춘다. 산화 반쪽 반응 : Sn2+ → Sn4+ + 2e 환원 반쪽 반응 : Cr2O72- + 14H+ + 6e- → 2Cr3+ + 7H2O 4) 산화 반응의 잃은 전자 수와 환원 반응의 얻은 전자 수가 같도록 계수를 맞춘다. 산화 반쪽 반응 : 3Sn2+ → 3Sn4+ + 6e 환원 반쪽 반응 : Cr2O72- + 14H+ + 6e- → 2Cr3+ + 7H2O 5) 두 반쪽 반응을 더한다. 3Sn2+ + Cr 2O72- + 14H+ → 3Sn4+ + 2Cr3+ + 7H2O
03. 화학 반응에서 열의 출입
① 발열 반응과 흡열 반응 ￭ 발열 반응 - 화학 반응이 일어날 때 열을 방출하는 반응이며, 반응 후 주위의 온도가 ( )진다. - 예) 강산과 강염기의 반응 - 예) 산과 금속의 반응 - 예) 연소 반응 ￭ 흡열 반응 - 화학 반응이 일어날 때 열을 흡수하는 반응이며, 반응 후 주위의 온도가 ( )진다. - 수산화 바륨 팔수화물과 질산 암모늄의 반응 ➜ 수산화 바륨 팔수화물과 질산 암모늄이 반응할 때 열을 흡수한다. 따라서 나무판 위를 물로 적신 다음 수산화 바륨 팔수화물과 질산 암모늄을 넣은 비커를 올려놓고 두 물질을 섞어 반응시키면, 주위의 온도가 낮아지면서 나무판 위의 물이 언다. 따라서 반응 후 비커를 들어 올리면 나무판이 함께 들린다. - 탄산수소 나트륨의 열분해 ➜ 탄산수소 나트륨은 분해될 때 열을 흡수한다. 탄산수소 나트륨은 베이킹 소다의 주성분으로, 빵을 만들 때 베이킹 소다를 넣은 반죽을 따뜻하게 하면 탄산수소 나트륨이 분해되어 이산화 탄소 기 체가 발생하므로 빵이 부풀어 오른다. ② 화학 반응에서 출입하는 열의 측정 ￭ 열량계 - 화학 반응이 일어날 때 방출하거나 흡수하는 ( )을 측정하는 장치로, 기본적으로 단열 용기, 온도계, 젓개로 구성되어 있다. ￭ 통열량계 - 통열량계의 특징 ➜ 매우 단단한 강철 용기인 통(bomb)으로 되어 있어 반응 후 생성물이 밖으로 빠져나가지 못하여 부피가 일정하게 유지된다. ➜ 단열이 잘되어 열 손실이 거의 없으므로 반응열을 비교적 정확하게 측정할 수 있으며, 주로 연소 반응에서 방출하는 열을 측정할 때 사용한다.- 통열량계를 이용한 열량 계산 ➜ 화학 반응에서 방출하는 열량은 통열량계 속의 물과 통열량계가 모두 흡수한다고 가정한다. 온도 상승으로 인해 물이 흡수하는 열량은 물의 양에 따라 다르지만, 통열량계 부분은 질량이 일 정하므로 온도 상승으로 인해 통열량계가 흡수하는 열량은 일정하다. ￭ 간이 열량계 - 간이 열량계의 특징 ➜ 용기의 뚜껑이 느슨하게 되어 있어 열량계 내부의 압력이 일정(보통 대기압으로)하게 유지된다. 물질의 연소 반응처럼 기체가 발생하는 반응에는 적합하지 않으며, 주로 ( ) 반응이나 ( ) 반응과 같이 비연소 반응에서 출입하는 열량을 측정할 때 사용한다. ➜ 구조가 간단하여 사용하기는 쉬우나 열 손실이 있으므로 정확한 반응열을 측정하기가 어렵다. - 간이 열량계를 이용한 열량 계산 ➜ 간이 열량계를 사용하여 출입하는 열량을 측정할 때에는 간이 열량계가 열의 출입을 차단한다고 가정한다. 따라서 화학 반응에서 방출하는 열량은 간이 열량계 속의 ( )이 흡수한 열량과 같다.
