일반화학 II
1 성격
화학은 자연에 존재하는 물질을 대상으로 물질의 구조, 성질, 변화 등 을 연구하는 학문이다. 수학, 물리, 생물의 다양한 지식을 활용하면 보다 체계적, 논리적인 교육이 가능하다. 자연과학에서 화학의 위치를 고려할 때 화학은 중심학문이라고 생각할 수 있고 따라서 물리, 생물 등의 시각 에서 다양한 접근법이 가능하다. 본 과정은 화학교과에 관심이 있는 우 수한 학생들을 대상으로 한 대학과정의 선행학습을 지향하므로 이에 따 른 학생과 강의자가 화학 전반의 이해를 함께할 수 있도록 핵심내용을 체계적으로 배우고 가르칠 수 있도록 내용을 제시하고자 한다.2 목표
1. 총괄목표
대학화학을 선이수하고자 하는 우수한 고등학생들이 화학에 흥미를 가지 고 심도있게 학습할 수 있도록 한다.2. 세부목표
‣ 이론학습을 체계적으로 실시하고 실험학습을 통해 지식을 완성할 수 있도록 한다.‣ 수학, 물리, 생물과의 연계를 고려한 중심학문으로서의 화학을 이해 하도록 한다. ‣ 물질에 대한 이해, 동적 화학반응에 대한 순차적인 이해를 통해 화학 의 발전과정을 이해한다. ‣ 지적 호기심과 흥미를 유발할 수 있도록 다양한 질문을 제시하고 적 절한 강의자료를 활용한다.
3 내용체계
일반화학 II (화학반응론)
영역 단원 교재 챕터 물질의 상태 (4주 X 3시간) Ch 1. 기체상태의 이해 Ch 2. 고체, 액체와 상전이 Ch 3. 용액상의 이해 A : Chapter 9 ~ 11 화학평형 (6주 X 3시간) Ch 4. 열역학과 화학반응 Ch 5. 화학평형 Ch 6. 산염기 반응과 용해도 Ch 7. 전기화학 A : Chapter 12 ~ 17 반응속도론 (4주 X 3시간) Ch 8. 화학반응속도론 Ch 9. 화학분광학 A : Chapter 18 ~ 204 추천 교재
‣ A: Principles of Modern Chemistry(7th Ed.), by Oxtoby, Gillis & Campion(Thomson Brooks/Cole)
‣ B: Chemical Principles(5th Ed.), by Atkins & Jones(W.H. freeman) ‣ C: Chemistry(11th Ed.), by Chang & Goldsby(McGraw-Hill Science
/Engineering/Math)
5 교수·학습 방법
‣ 다양한 시각화 교재를 활용한 강의, 토론식 수업으로 흥미유발 및 이 해를 돕도록 한다.6 영역 및 단원 내용
1-1. 물질의 상태
1) 세부단원
‣ Ch 1. 기체상태의 이해2) 내용기준
‣ 분자의 거시적인 구조나 상호작용을 이해하기 위해 가장 간단한 상태인 기체 상태를 다룬다. ‣ 온도, 압력, 부피의 변화에 따른 기체의 거시적 특성을 다룬다. ‣ 보일의 법칙, 샤를의 법칙, 이상기체의 법칙과 기체의 동역학에 관한 이론을 다룬다. ‣ 실제 기체와 이상기체의 차이점을 설명한다. ‣ 이상기체의 법칙을 단일 분자 수준의 운동과 충돌로 설명하고 그에 따른 화학 반응과 그 속도를 다룬다.
3) 성취기준
‣ 기체의 압력과 온도를 측정할 수 있다. ‣ 낮은 농도의 기체에 대해 이상기체의 법칙을 적용할 수 있다. ‣ 실제 기체에서는 이상기체에 없는 분자간의 인력이 존재함을 설명할 수 있다. ‣ 분자 간의 충돌에 의해 화학 반응이 일어남을 설명할 수 있다.4) 평가문항
상: 진한 질산용액에 구리조각을 넣으면 구리가 녹아들어가면서 이산화 질소 기체가 발생하며 반응식은 다음과 같다. → 6.80 g의 구리가 녹아들어 가면서 발생한 이산화질소 기체를 모았 고, 이때의 온도는 45℃, 기압은 0.970 atm이었다면 발생한 기체의 부피는 얼마인가? 중: 압축 산소기체가 들어있는 강철 실린더의 내부 부피는 28.0 L이고 들 어있는 산소 기체의 무게는 6.80 kg이다. 반데르발스 식을 사용하여 20℃에서의 실린더 내부의 압력을 계산하다.하: 기온이 25℃, 기압이 1 atm인 날에 날씨 관측용 풍선에 헬륨 기체를
채워 띄웠다. 지상에서 풍선의 부피는 1.0 × 104 L였다. 1) 이 풍선이
0.6 atm, -30℃인 곳까지 날아갔다면 풍선의 부피는 얼마가 되겠는 가? 2) 이 풍선에 들어있는 헬륨 기체의 무게는 얼마인지 계산하라.
5) 유의사항
‣ 참고 교재: Principles of Modern Chemistry(6th Ed.), by Oxtoby, Gillis & Campion(Thomson Brooks/Cole), Chapter 9
1-2. 물질의 상태
1) 세부단원
‣ Ch 2. 고체, 액체와 상전이2) 내용기준
‣ 분자의 상태를 결정하는 분자간의 힘과 상호작용을 다룬다. ‣ 액체에서 존재하는 분자간의 힘에 대해 다루고 물을 위주로 설명한다. ‣ 상평형과 상전이에 대해 다룬다.3) 성취기준
‣ 분자간 작용하는 힘인 이온-이온 힘, 쌍극자-쌍극자 힘, 이온-쌍극자 힘, 유발쌍극자 힘, 유발쌍극자-유발쌍극자 힘, 반발력 등을 설명할수 있다. ‣ 이러한 분자간 상호작용으로 인해 분자의 상태와 구조가 결정되고 변화가 일어남을 설명할 수 있다. ‣ 액체, 특히 물에는 수소 결합이라는 특별한 분자간 상호작용이 존재 함을 파악하고, 그로 인해 나타나는 물의 특성을 설명할 수 있다. ‣ 다양한 상전이에 대해 파악하고, 상평형그림을 통해 압력과 온도에 따른 상태변화를 설명할 수 있다.
4) 평가문항
상: 전구를 켰을 때 텅스텐 필라멘트의 온도는 2500℃ 까지 올라가며 그 때의 텅스텐의 증기압은 7.0 × 10-9 atm이다. 이 조건에서 1 ㎤안에 존재하는 기체 상태의 텅스텐 원자의 수는 얼마나 되겠는가? 중: 상온에서 1.0 L의 물속에 존재할 수 있는 수소결합의 수는 얼마나 되는가? 하: F2, HBr, NH4Cl, HF를 끓는점이 높은 순서대로 쓰고 그 이유를 설명하라.5) 유의사항
‣ 참고 교재: Principles of Modern Chemistry(6th Ed.), by Oxtoby, Gillis & Campion(Thomson Brooks/Cole), Chapter 10
1-3. 물질의 상태
1) 세부단원
‣ Ch 3. 용액상의 이해
2) 내용기준
‣ 용액의 조성을 다루고 몰농도를 구하는 방법을 설명한다. ‣ 용액 내에서 일어나는 산-염기 반응과 산화-환원 반응에 대해 설명 한다. ‣ 묽은 용액에서 라울의 법칙과 헨리의 법칙을 설명한다. ‣ 용액의 총괄성을 설명한다.3) 성취기준
‣ 다양한 용액의 종류와 특성을 파악하고 몰농도와 몰랄농도를 구할 수 있다. ‣ 적정에 대해 이해하고 이를 통해 산 또는 염기의 농도를 구할 수 있다. ‣ 용액의 어는점 내림과 끓는점 오름, 삼투압현상을 설명할 수 있다.4) 평가문항
상: 순수한 상태에서의 분자간 힘과 용액에서의 분자간 힘을 비교하여 용액의 형성을 분자수준으로 설명하라. 중: 같은 몰농도의 소금물과 설탕물 중 어느 쪽의 어는점이 낮을지 설명하라. 하: 100.0 mL의 질산 용액을 적정하기 위해 0.1279 M의 수산화칼륨 용액 37.85 mL가 사용되었다. 처음의 질산 용액의 농도를 계산하라.5) 유의사항
Gillis & Campion(Thomson Brooks/Cole), Chapter 11
2-1. 화학 평형
1) 세부단원
‣ Ch 4. 열역학과 화학반응2) 내용기준
열역학은 화학적 물리적 변화에서의 열의 흐름에 대해 다룬다. ‣ 계와 주변 사이에 에너지는 열 또는 일의 형태로 항상 흐르며, 그 전 체 에너지는 항상 보존된다는 것을 이해한다. (열역학 제 1법칙을 다 룬다) ‣ 에너지 단위를 다룬다. ‣ 엔탈피, 엔트로피, 자유에너지에 대해 다룬다. (열역학 제 2법칙을 다 룬다) ‣ 발열반응과 흡열반응을 다룬다. ‣ 깁스 자유에너지를 이용한 반응의 자발성에 대해 다룬다. ‣ 반응의 헤스의 법칙에 대해 다룬다. ‣ 표준 상태, 표준 생성 엔탈피에 대해 다룬다. ‣ 이상기체의 가역적인 반응에 대해 다룬다.3) 성취기준
‣ 계와 주변사이에서 일어나는 에너지 흐름을 이해하며, 열역학 제 1법 칙에 대해 이해한다. ‣ 에너지 단위, 엔탈피의 정의 및 발열반응과 흡열 반응을 이해한다.‣ 총열량의 변화는 일정하다는 헤스의 법칙을 명확히 이해한다. ‣ 화학반응 엔탈피를 측정하는 방법을 이해한다. ‣ 이상기체의 가역적인 반응에 대해서 이해한다.
4) 평가문항
상: 1몰의 질소 기체가 피스톤에 의해 봉인된 실린더 안에 있을 때 온도 를 0℃에서 819℃로 가열하였다. (1기압하에서) 모든 에너지가 일로 서 작용하였다는 가정 하에서, 온도가 상승하면서 확장된 기체에 의 해 행여진 일을 계산 하여라 (1J = 9.87 X 10-3 atm·L) 중: 1몰의 NO (g)가 각각의 원소로부터 생성되어질 때, 90.29 kJ의 열이 흡수되어진다. (a) 화학 반응식을 작성하시오 (b) 3.5 g의 NO가 분해 되어 각각의 원소들이 형성될 때 나오는 엔탈피를 구하시오.(NO 의 분자량은 30.01 g/mol) 하: 12.0 g의 물이 20℃에서 100℃로 증가되었을 때 흡수되어지는 열 q 를 계산 하여라 (물의 열용량 = 4.184 J/g·K)2-2. 화학 평형
1) 세부단원
‣ Ch 5. 화학평형2) 내용기준
‣ 평형상태의 의미를 설명하고 정량적으로 평형상수를 계산한다. ‣ 불균일 반응상수(Q)와 평형상수(K)에 대해 설명하며, 상관관계를 설 명한다. ‣ 평형의 이동에 영향을 미치는 온도, 압력, 농도에 대해 다룬다. ‣ 르샤틀리에 원리에 대해 다룬다. ‣ 온도가 평형상수에 어떻게 영향을 미치는지 다룬다. ‣ 화학평형을 이용한 물질의 분리방법을 배운다.
3) 성취기준
‣ 평형상태를 이해하고 평형상수 K와 반응속도 상수 k를 구분하여야 한다. ‣ 반응상수를 평형상수와 비교하여 반응의 진행 방향을 예측할 수 있 어야 한다. ‣ 평형상수와 주어진 초기 농도를 이용하여 평형이 진행된 후 평형상 태의 물질의 양을 측정할 수 있어야 한다. ‣ 르 샤틀리에의 원리에 대해 명확히 이해하고 설명할 수 있어야 한다. ‣ 화학평형을 통해 추출과 크로마토 그래피 방법을 통해 물질을 분리 하는 방법의 원리를 이해한다.4) 평가문항
상: 700 ℃ 고온에서 황하수소 (H2S) 기체가 수소 (H2) 기체와 황 (S2)기체로 분해 되어지는 평형 반응이 존재한다. 초기 농도가 0.03 M (H2S), 0.03 M H2, 그리고 0.150 M S2 이었다. 평형상태에서 각각의 기체 농도를 구 하시오. (평형상수 Kc = 9.0×10-8 (700℃) ) 중: 포스진 (COCl2)는 CO와 Cl2로 분해되어진다. 이때의 평형상수 Kc = 8.3×10-4(360℃에서)이다. 5.0 mol의 포스진이 10.0 L의 플라스크에서 평형 상 태에 도달하였을 때 각각의 [COCl2]는 [CO]와 [Cl2]농도를 구하여라. 하: 반응상수 Q가 평형상수 K 보다 큰 값을 보여준다. 반응은 어느쪽으로 진행이 될까? 생성물 또는 반응물?
2-3. 화학 평형
1) 세부단원
‣ Ch 6. 산염기 반응과 용해도2) 내용기준
‣ 산과 염기의 성질에 대해 다룬다. ‣ 산과 염기의 평형 및 3가지 정의 아레니우스, 브뢴스테드, 루이스에 대해 다룬다. ‣ 산과 염기의 세기 상수인 Ka, Kb 와 이와 관련된 pH, pKa, pKw 에 대 해 다룬다. ‣ 강산, 약산, 강염기, 약염기, 짝산, 짝염기에 대해 다룬다. ‣ 공통이온 효과와 완충 용액에 대해 다룬다. ‣ 산염기 적정에 대해 다루고 pH 계산을 다룬다. ‣ 다양성자산의 적정과 각 과정에서의 pH를 계산을 다룬다. ‣ 용해도와 침전 반응의 평형에 대해 다룬다. ‣ 유기산과 염기의 구조와 반응성에 대해 다룬다3) 성취기준
‣ 산 염기의 각기 다른 3가지 정의에 대해 이해한다. ‣ pH, pKa, pKw 에 대한 명확히 이해하며, 평형 상태의 물질의 양을 측 정할 수 있어야 한다. ‣ 공통이온 효과와 완충용액을 이해한다. ‣ 다양한 산의 세기와 염기에 따른 적정에 대해 이해한다. ‣ 유기산과 염기의 구조와 반응성을 이해한다.4) 평가문항
상: 0.2 M HBrO 20.00 mL (Ka = 2.3×10-9)를 0.1 M NaOH로 적정을 한 다. 중화점 일때의 pH는? 중: 암모니아 의 짝산은 약산인 NH4+ 이다. 0.2 M NH4Cl 용액의 pH가 5.0 이라면, NH4+의 Ka를 구하시오.하: NaOH의 pH가 9.52이며, NaOH의 pOH 값은?
2-4. 화학 평형
1) 세부단원
‣ Ch 7. 전기화학
‣ 산화 환원의 정의 및 산화수에 대해 다룬다. ‣ 산화 환원의 반쪽 반응식에 대해 배우고, 전체 반응식 균형에 적용한다. ‣ 표준 환원 준위와 전기적 일에 대해 다룬다. ‣ 산화, 환원과 산, 염기 반응의 구별법에 대해 다룬다. ‣ 갈바니 전지에 대해 다루고, 이에 네른스트 식을 적용하고 평형 상수 와의 관계를 다룬다. ‣ 배터리, 부식, 도금, 전기분해와 같은 생활 속 전기화학 반응에 대해 서 다룬다.
3) 성취기준
‣ 산화 환원의 정의에 대해 정확히 이해하며, 완결된 산화-환원 반응식을 쓸 수 있다. ‣ 네른스트식을 명확히 이해하며, 평형 상태의 물질의 양을 측정할 수 있다. ‣ 우리 주위의 산화-환원 반응에 대하여 예를 들고 이해한다.4) 평가문항
상: 철이온 (Fe2+)을 과망간산칼륨 (MnO4-)으로 적정하는 산화-환원 반응의 전체반응식을 적어라. 중: 다음 중 산화-환원과 직접 관련이 없는 것은? ㉮ 불의 발견 ㉯ 암모니아의 합성 ㉰ 제철 ㉱ 모래로부터의 고순도의 실리콘 생산 ㉲ 원유로부터의 석유화학 제품의 원료 분리하: N2O5에서 질소의 산화수와 암모니아 (NH3)에서의 질소의 산화수를 적어라.
2-5. 화학 평형
1) 세부단원
‣ Ch 9. 화학분광학2) 내용기준
‣ 화학결합을 이루는 두 원자의 원자궤도함수에서 분자궤도 함수가 어 떻게 생기는지 다룬다. ‣ IR, UV/vis, NMR과 같은 다양한 분광법과 그에 연관된 에너지 준위와 작동 원리에 대해서 다룬다. ‣ 빛을 흡수함으로써 들뜬 전자상태가 생기는 과정과 구조 및 결합과 분자의 반응성에 끼치는 영향등에 대해서 논한다. ‣ 회전과 진동 스펙트럼을 이용하여 이원자분자의 관성모멘트, 결합길이 및 진동 힘상수를 다룬다.3) 성취기준
‣ 기본적인 분자궤도 함수를 이해하며 예측한다. ‣ 다양한 분광학적 방법의 원리와 그 차이를 이해하며, 연관된 에너지 준위를 습득한다. ‣ 전자 진동 스펙트럼을 이용하여 이원자분자의 관성모멘트, 결합길이 및 진동 힘상수를 계산할 수 있다.4) 평가문항
상: 광합성의 명반응에서는 680 nm 정도 파장의 광자가 물에서 O-H 결 합을 깨는데 사용된다. 파장이 680 nm인 광자의 에너지를 O-H 결합 에너지와 비교하고 광합성이 가능한 이유를 설명하라. 중: 광합성의 명반응에서는 680 nm 정도 파장의 광자가 물에서 O-H 결 합을 깨는데 사용된다. 파장이 680 nm인 광자의 에너지를 O-H 결합 에너지인 463 kJ/mol 과 비교하라. 하: 파장이 680 nm인 광자의 에너지를 계산하라.
3-1. 반응 속도론
1) 세부단원
‣ Ch 8. 화학반응 속도론2) 내용기준
‣ 반응속도, 반응속도식, 반응속도상수, 반응차수, 통합반응속도식(Integrated rate law)에 대해 다룬다.
‣ 반응속도에 영향을 미치는 농도 온도 압력에 대해 다룬다.
‣ 반응전이 상태를 다룬다.
‣ 반응속도 결정단계를 다룬다.
‣ 일반적인 촉매와 생체 촉매인 효소의 촉매 반응에 대해 다룬다.
‣ 반응속도와 반응속도식의 차이를 명확히 이해한다. ‣ 통합반응 속도식을 이용하여 반응차수에 따른 반응속도 상수를 구하 는 것을 이해한다. ‣ 온도가 반응속도 상수에 미치는 영향을 Arrhenius 방정식을 통해 이 해하고 이 식을 통해 활성화 에너지를 구하는 것을 이해한다. ‣ 촉매의 역할에 대해 이해하며 Michaelis-Menten 법칙을 이해한다.
4) 평가문항
상: AB (g) → A(g) + B(g)반응속도식 = k[AB]2, k=0.2L/mol∙s. 초기농도 [AB]= 1.50 M 일 때 초기 농도의 1/3 지점에 도달했을 때 걸리는 시간은? 중: HI 기체가 수소 기체 (H2)와 요오드 I2 (기체)로 분해가 될 때 500 K 에서 반응속도는 9.51×10-9 L/mol·s 이고, 600 K에서는 1.10×10-5 L/mol·s 이다. 활성화 에너지를 구하시오. 하: 시클로 프로판은 1000 ℃ 에서 1차 함수적으로 분해되어 프로펜을 형성한다. 반응속도는 9.2 s-1이다. 이 반응의 반감기를 구하시오.
