일반화학 I
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 가 지고 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 I (물질론)
영 역 단 원 교재 챕터 고전화학에서의 화학 (3주 X 3시간) Ch 1. 원자의 이해 Ch 2. 분자구조, 화학반응식 Ch 3. 화학결합 A : Chapter 1 ~ 3 현대화학에서의 화학 (4주 X 3시간) Ch 4. 양자론의 이해(입자와 파동) Ch 5. 양자역학과 원자구조, 오비탈 A : Chapter 4 ~ 5 화학결합과 분자구조 (4주 X 3시간) Ch 6. 오비탈과 화학결합 Ch 7. 공유결합의 이해 Ch 8. 배위결합, 이온결합의 이해 A : Chapter 6 ~ 8 물질의 이해 (3주 X 3시간) Ch 9. 고체화학의 이해 Ch 10. 무기화학의 이해 Ch 11. 고분자화학의 이해 A : Chapter 21 ~ 234 추천 교재
공동 추천 교재 또는 대학별 활용 교재 제시
‣ 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
고전화학에서의 화학
1) 세부단원
‣ 원자의 이해2) 내용기준
‣ 원자의 발견과 구조의 이해를 위한 과학자들의 연구들에 대하여 다룬다. ‣ 화학을 공부하기 위하여 가장 기본적인 원자구조의 이해가 필수적으로 본 단원에서는 화학기본단위인 원자에 대하여 다룬다. ‣ 순물질과 혼합물의 차이를 설명하고 원소를 정의한다. ‣ 질량보존 법칙, 일정성분비 법칙, 돌턴의 원자설, 배수비례 법칙, 나 아가 아보가드로 법칙을 다룬다. ‣ 원자의 구조를 파악하고 그 구조를 밝혀낸 실험들에 대하여 다룬다. ‣ 원자량과 동위원소의 개념을 다룬다.3) 성취기준
‣ 원자가 모든 화합물의 기본 단위임을 이해하고 원자량, 동위원소의 개념을 설명할 수 있다. ‣ 원자의 구조를 설명할 수 있다. ‣ 질량보존 법칙, 일정성분비 법칙, 돌턴의 원자설, 아보가드로 법칙을 명확히 설명할 수 있다.4) 평가문항
상: 질소와 규소원자는 다음의 질량 조성비로 두 가지 화합물을 구성한다. (화합물1: 질소 33.28%, 규소 66.72%, 화합물 2: 질소 39.94%, 60.06%) 1) 각각의 경우 1.0000g 의 질소와 결합하는 규소의 질량을 계산하라. 2) 배수비례의 법칙이 성립함을 설명하라. 화합물2이 Si3N4 라면 화 합물1의 실험식은? 중: 네온 동위원소들의 자연계 존재비와 질량은 다음과 같다. 네온의 원자량을 계산하라. (20Ne:90.00% 19.99212, 21Ne:0.27% 20.99316, 22Ne:9.73% 21.99132) 하: 핵분열반응을 일으키는 플루토늄은 239Pu이다. 1)239Pu의 양성자와 중성자의 개수는? 2) Pu 한 원자에 존재하는 전자의 개수는?
고전화학에서의 화학
1) 세부단원
‣ 분자구조, 화학반응식2) 내용기준
‣ 화합물의 기본단위인 분자의 개념을 다루고 몰과 아보가드로 수의 의미를 설명한다. ‣ 화학식을 표현하는 방법을 설명한다. ‣ 실험식과 분자식의 개념을 다루고 실험식을 구하는 방법을 설명한다. ‣ 화학반응식과 질량보존의 법칙과의 상관관계를 설명한다. ‣ 한계반응물과 수득률의 개념을 설명한다.3) 성취기준
‣ 분자의 개념을 이해하고 몰개념과 아보가드로 수의 정의를 설명할 수 있다. ‣ 실험식과 분자식의 개념을 이해하고 질량조성을 구하는 실험, 실험식 을 구하는 실험원리를 설명할 수 있다. ‣ 균형이 맞는 화학반응식을 수립할 수 있고 질량보존의 법칙을 설명 할 수 있다.‣ 한계반응물의 개념을 이해하고 화학반응식에서 수득률의 정의를 설 명할 수 있다.
4) 평가문항
상: 9.62g 의 알루미늄과 철의 혼합물을 염산과 반응시키면 수소기체와 AlCl2 와 FeCl2 가 각각 생성된다. 1)각 반응의 화학반응식을 완성하라. 2) 두 금속혼합물의 반응에서 0.738g 의 수소기체가 발생하였다면 처 음 혼합물에 들어있는 알루미늄과 철의 질량을 각각 구하라. 중: 바륨과 질소는 두 종류의 화합물을 만든다. 각각은 90.745%와 93.634%의 바륨을 포함하고 있다. 두 화합물의 실험식을 구하라. 하: 비타민 A의 분자식은 C20H30O 이고 비타민 A2의 분자식은 C20H28O 이다.1.000몰의 비타민 A와 같은 원자갯수를 갖는 비타민 A2는 총 몇 몰인가?
고전화학에서의 화학
1) 세부단원
‣ 화학결합2) 내용기준
‣ 주기율의 발견 및 발전과정과 멘델레예프의 주기율표를 설명한다. ‣ 원자구조의 개념을 설명하고 원소의 주기성(원자반지름, 이온화에너 지, 전자친화도)을 다룬다. ‣ 이온결합과 공유결합의 개념을 다루고 그 상관관계를 설명한다.‣ 루이스구조식과 옥텟규칙을 설명한다. ‣ 분자의 구조, 극성, 비극성 분자에 대하여 분자모형을 이용하여 설명 한다. ‣ VSEPR 이론, 산화수 규칙, 명명법에 대하여 다룬다.
3) 성취기준
‣ 원소의 주기성을 이해하고 그 경향성을 논할 수 있다. ‣ 이온결합과 공유결합의 개념을 이해하고 화학결합의 중간적 성질을 파악한다. ‣ 옥텟규칙을 만족하는 루이스 구조식을 그릴 수 있다. ‣ VSEPR을 통해 분자구조를 예측하고 화합물을 명명할 수 있다.4) 평가문항
상: 다음 화합물 각각의 루이스구조식을 그리고 각 원자의 형식전하, 산화수를 표시하시오 1) SO42-, 2) S2O32- 3) ClO4- 4)NO3-중: 다음 각 화합물 중 어느 것의 증기압이 더 높은지 예측하시오 1) CI4, KI 2) BaF2, OF2
하: 다음 두 원소 중 어느 것의 일차 이온화 에너지가 더 큰지 비교하시오. 1) Bi, Xe 2) Se, Te, 3) Rb, Y 4) K, Ne
1) 세부단원
‣ Ch 4. 양자론의 이해(입자와 파동)2) 내용기준
‣ 흑체복사, 광전효과 등 고전물리학으로 설명할 수 없는 발견들을 다 룬다. ‣ 입자와 파동의 관계, 에너지의 양자화에 대하여 설명한다. ‣ 새로운 발견을 설명하기 위하여 제시한 보어의 원자모형을 설명한다. ‣ 하이젠베르그의 불확정성의 원리를 설명하고 원자모형과 오비탈이론 에 적용한다. ‣ 슈뢰딩거 방정식을 도입하고 상자 속 입자 모델을 통해 에너지의 양 자화를 설명한다.3) 성취기준
‣ 에너지의 불연속성을 설명하는 플랑크의 가설과 광전효과의 원리를 설명할 수 있다. ‣ 파동과 입자의 이중성을 이해하고 이에 대한 증거실험들의 원리를 파악한다. ‣ 보어가 제시한 원자모형의 개념을 이해하고 그 한계를 파악한다. ‣ 양자역학의 기본적 개념인 드브로이식, 하이젠베르그 원리, 이로부터 유추된 슈뢰딩거 방정식의 개념을 이해하고 고전적인 파동방정식과 의 차이를 설명할 수 있다. ‣ 상자 속 입자모델에 슈뢰딩거 방정식을 적용하여 에너지의 양자화를 설명할 수 있다.4) 평가문항
상: 금속 나트륨이 용해될 때 전자가 액체의 금속 속으로 방출된다. 용해 된 전자는 약 800nm의 파장을 가진 빛을 흡수한다. 한 전자를 둘러 싸고 있는 양 이온들을 변이 L인 3차원 정육면체로 가정하고, 흡수된 빛은 전자를 바닥상태에서 첫 번째 들뜬 상태로 만든다고 가정할 경 우 이 모형의 모서리의 길이 L을 구하라. 중: 나트륨 원자에 대한 프랑크-헤르쯔 방전실험에서 첫 번째 들뜸이 2.103 전자볼트에서 일어난다. 이 상태에서 방출될 것으로 예측되는 빛의 파장을 계산하시오. (일반적인 나트륨등의 방출파장은 5891.8Å 과 5889.9Å이다.) 하: 진동 반응에서 화학적 파동의 색깔 띠 간의 거리가 1.2cm 인데 새로운 파동이 42초마다 나타났다. 화학적 파동의 전파속도를 계산하시오.현대화학에서의 화학
1) 세부단원
‣ Ch 5. 양자역학과 원자구조, 오비탈2) 내용기준
‣ 수소원자의 양자수 및 에너지준위를 설명하고 이를 측정하는 실험방 법을 학습한다.‣ 수소원자의 각 부양자수에 해당하는 오비탈 파동함수와 확률밀도에 대하여 논의한다. ‣ 다전자원자에 대한 하트리의 오비탈 근사법에 대하여 설명한다. ‣ 파울리의 배타원리와 훈트의 규칙, 이에 따른 전자 쌓음원리를 설명 한다. ‣ 고전적 관점과 현대적 관점에서의 원소의 주기적 성질을 논의한다.
3) 성취기준
‣ 주양자수와 부양자수의 개념, 분광학적 측정방법을 설명할 수 있다. ‣ 각 오비탈의 모양과 확률분포, 에너지 준위에 대하여 설명할 수 있다. ‣ 수소원자와 다전자원자의 차이를 이해한다. ‣ 전자 쌓음에 따른 현대적 관점의 원소의 주기적 성질을 설명할 수 있다.4) 평가문항
상: 광전자 분광학 측정에서 9.890 × 10-10 m 의 X-ray 에 의하여 들뜬 Na 원자의 전자는 4.956 × 106 ms-1, 1.277 × 106 ms-1, 1.294 × 106 ms-1, 1.310 × 106 ms-1 의 4개의 피크를 나타낸다. 1) 각 피크 에 해당하는 전자의 이온화 에너지를 계산하시오. 2) 각각 피크는 Na 원자의 어느 오비탈에 해당하는가? 중: 다음 이온들의 바닥상태의 전자배치를 쓰고 어느 이온이 상자기성인 지 표시하시오. Be+, C-, Ne2+, Mg+, P2+, Cl-, As+,I-하: 다음 각각의 양자수에 해당하는 오비탈은 무엇인가? 1) n=4, l=1 2) n=2, l=0 3) n=6, l=3
화학결합과 분자구조
1) 세부단원
‣ Ch 6. 오비탈과 화학결합2) 내용기준
‣ 화학결합을 양자적 관점으로 접근하여 원자오비탈의 조합으로 이해 될 수 있음을 설명한다. ‣ 분자 파동함수의 개념, 결합과 반결합, 시그마, 파이 결합을 설명한다. ‣ 분자궤도함수이론에 대하여 설명한다. ‣ LCAO 방법으로 MO 도표를 그리는 방법을 설명한다. ‣ 동종핵, 이종핵 이원자 분자의 MO 구축 방법을 설명한다.3) 성취기준
‣ 화학결합의 본질이 원자오비탈의 결합에 의한 분자오비탈의 생성임 을 이해한다. ‣ 이원자 분자의 분자오비탈 파동함수의 구조와 결합, 반결합에 대하여 이해한다. ‣ 1주기, 2주기 동종핵 이원자 분자의 오비탈구조를 이해하고 MO를 구 축할 수 있다. ‣ 이종핵 이원자 분자의 오비탈구조를 이해하고 MO를 구축할 수 있다.4) 평가문항
상: 1) NO2+ 의 MO구조를 편재 π 결합과 비편재 π 결합에 대하여 식으로 나타내시오. 2) 분자의 구조가 선형인지, 비선형인지 예측하시 오. 3) 이 분자는 상자기성인지 반자기성인지 예측하시오. 중: F2와 F2+ 이온이 존재한다. 1) 각 분자의 전자 배치를 쓰시오. 2) 각 분자의 결합 차수를 구하시오. 3) 어느 분자의 해리에너지가 더 큰지 예측하시오. 하: H2와 He2+ 중 어느 화학종의 결합길이가 더 큰지 예측해 보시오.
5) 유의사항
‣ 삼원자 분자는 AP과정에서는 다루지 않는 것이 좋을 것으로 생각됩니다.화학결합과 분자구조
1) 세부단원
‣ Ch 7. 공유결합의 이해(유기화합물)2) 내용기준
‣ 탄화수소를 이루는 기본결합인 공유결합의 의미를 설명한다. ‣ 사슬형, 고리형, 방향족 등 다양한 구조의 탄화수소에 대하여 다룬다. ‣ 혼성오비탈에 대하여 설명하고 결합의 종류에 따른 탄화수소의 구조 에 대하여 다룬다. ‣ 다양한 이성질 현상에 대하여 설명한다.‣ π-공명현상에 대하여 설명한다. ‣ 탄화수소의 다양한 작용기에 대하여 다룬다.
3) 성취기준
‣ 공유결합의 의미를 이해하고 설명할 수 있다. ‣ 다양한 구조의 탄화수소를 명명할 수 있다. ‣ 혼성오비탈과 sp3, sp2, sp 탄소에 대하여 이해하고 단일, 다중결합을 설명할 수 있다. ‣ 알케인, 알켄, 알카인, 방향족 탄화수소의 구조를 설명할 수 있다. ‣ 공명현상과 그 성질에 대하여 설명할 수 있다. ‣ 탄화수소의 다양한 작용기를 알고 명명할 수 있다.4) 평가문항
상: 염화아세틸(CH3COCl)은 알코올의 하이드록시기과 반응하여 에스테르 가 되고 부산물로 염화수소를 형성한다. 분자식이 C4H8O3 인 미지의 알코올이 염화아세틸과 반응하여 C8H12O5 인 새로운 에스테르를 만 든다. 1) 미지의 알코올에 존재하는 하이드록시기의 개수는? 2) 미지 의 알코올이 알데히드기도 갖고있다고 한다면 어떤 구조인지 예측하 고 생성된 새로운 에스테르의 구조식도 예측해 보시오. 중: STP 상태(0℃, 1기압) 에서 리놀렌산(C18H32O2) 500.0g을 스테아르산 (C18H36O2)로 전환하는데 필요한 수소의 부피를 계산하시오. 하: 트랜스-3-헵텐, 시스-3-헵텐 의 구조식을 각각 그리고 각 탄소의 혼 성오비탈을 표시하시오.화학결합과 분자구조
1)세부단원
‣ Ch 8. 전이금속과 배위결합의 이해2) 내용기준
‣ 전이금속의 물리적, 화학적 특성을 설명한다. ‣ 전이금속과 비전이금속 간 결합의 MO에 대하여 다룬다. ‣ 배위결합의 의미와 σ donation과 π back-donation의 정의에 대하여 설명한다. ‣ 배위화합물의 명명법과 착물의 다양한 구조에 대하여 다룬다. ‣ 배위화합물에서의 이성질현상에 대하여 다룬다. ‣ 결정장 이론과 리간드장이론을 설명하고 이를 통하여 배위착물의 광 학적, 자기적 성질이 설명될 수 있음을 이해시킨다.3) 성취기준
‣ 전이금속의 물리, 화학적 성질을 알고 원자의 전자 구조를 설명할 수 있다. ‣ d 구역을 포함한 다양한 구조의 전이금속착물의 MO를 이해할 수 있 다. ‣ 배위화합물의 구조를 이해하고 다양한 이성질체가 존재할 수 있음을 설명할 수 있다. ‣ 결정장이론과 리간드장이론을 이해하고 착물의 광학적, 자기적 성질 을 설명할 수 있다.4) 평가문항
상: 크롬(III) 이온은 수용액에서 파란색-보라색을 띤다. 이 수용액에 시안 음이온을 가하여 배위된 물분자 대신 치환한다면 최대흡수파장은 증 가하는가? 아니면 감소하는가? 그 이유를 설명하시오. 중: 다음 착물들의 모든 이성질체를 그리고 광학이성질체를 짝지우시오. 1) 디암민브로모클로로백금(II) 사각평면구조 2) 디아쿠아클로로트리시 아노코발트(III) 팔면체구조 3) 트리옥살릭바나듐(III) 팔면체구조하: TiCl4는 상온에서 액체이나 TiF4와 TiBr4는 상온에서 고체이다. 이들 화합물의 공유-이온 결합특성과 경향성, 그 이유를 설명하라.
물질의 이해
1) 세부단원
‣ Ch 9. 고체의 구조와 결합2) 내용기준
‣ 결정의 구조와 결정의 단위구조에 존재하는 대칭성을 설명한다. ‣ 고체 내부의 결합과 격자에너지를 다룬다. ‣ 결정구조의 결함부분과 비결정구조에 대해 다루고 미시적 수준에서 설명한다.3) 성취기준
‣ 결정의 대칭변환에 대해 이해하고 서로 다른 결정구조의 대칭 요소 를 구분할 수 있다. ‣ 결정 구조의 기본이 되는 단순입방체와 체심입방체, 면심입방체에 대 해 설명할 수 있다. ‣ X-선을 이용한 격자구조 파악의 원리를 설명할 수 있다. ‣ 비결정성 구조의 성질을 파악하고 결정구조 안에 존재하는 결함부분 에 대해 설명할 수 있다.
4) 평가문항
상: 결정체인 RbCl의 마델링 상수는 1.7476이고, Rb 양이온과 Cl 음이온 의 반경이 각각 1.48, 1.81 옹스트롬이다. 1몰의 RbCl 결정체가 기체 상태 이온으로 변화시키는데 필요한 에너지를 구하여라. 단, Coulomb 에너지로 인해 결정체의 격자에너지가 10퍼센트 정도 줄었 다고 가정하라. 중: 어떤 철 결정 안에 원자들이 체심입방구조로 배열되어 있다. 상온에 서 이 결정의 밀도는 7.86 g․cm-3이고 단위격자의 한 변의 길이는 2.87 Å이다. 이를 이용하여 아보가드로의 수를 구하여라. 하: 이등변삼각형, 정삼각형, 정사면체, 정육면체 중에서 어느 것이 3접 회전대칭구조를 갖는가?5) 유의사항
‣ 참고 교재: Principles of Modern Chemistry(6th Ed.), by Oxtoby, Gillis & Campion(Thomson Brooks/Cole), Chapter 21
물질의 이해
1) 세부단원
‣ Ch 10. 무기물질의 이해2) 내용기준
‣ 자연적으로 존재하는 무기물질인 광물과 세라믹에 대해 다룬다. ‣ 물질 내부의 전기전도와 띠 이론을 설명한다. ‣ 반도체에 관해 다룬다.3) 성취기준
‣ 세라믹 물질의 구조와 특성을 파악할 수 있다. ‣ 전하운반체의 이동성과 수에 따라 물질의 전도도가 나타남을 설명할 수 있다. ‣ 반도체에서 n형과 p형 반도체의 작동 메카니즘을 설명할 수 있다.4) 평가문항
상: 실온에서 인화인듐(InP)는 반도체적 성질을 가지며 파장이 920 nm 이 하인 빛만을 흡수한다. InP의 띠간격을 계산하라. 중: 길이 55.0 mm, 반지름 5.0 mm인 원통형의 게르마늄 시료가 있다. 17.5 V의 전압이 걸릴 때 0.150 A의 전류가 시료에 흘렀다면 이 시 료의 전기전도도는 얼마인가?하: 의 루이스 점전자식 그림을 그려라.
5) 유의사항
‣ 진도에 따라 생략해도 무방하다.
‣ 참고 교재: Principles of Modern Chemistry(6th Ed.), by Oxtoby, Gillis & Campion(Thomson Brooks/Cole), Chapter 22
물질의 이해
1) 세부단원
‣ Ch 11. 고분자물질의 이해2) 내용기준
‣ 고분자를 만드는 반응을 설명한다. ‣ 실생활에서 사용되는 고분자의 응용을 다룬다. ‣ 액정의 구조와 원리를 설명한다. ‣ 자연계에 존재하는 고분자를 다룬다.3) 성취기준
‣ 첨가중합반응과 축합중합반응을 설명할 수 있다. ‣ 액정의 원리를 이해하고 고체결정구조와의 차이를 설명할 수 있다. ‣ 자연계에 존재하는 고분자의 예시와 그것이 생명체내에서 맡은 역할 을 설명할 수 있다.4) 평가문항
상: 액정과 등방성 액체의 특성을 비교하고 어느 쪽이 더 높은 엔탈피나 엔트로피를 가지는지 설명하라. 중: 1) 나일론 66을 만드는데 필요한 단량체의 구조를 그려라. 2) 1 kg의 나일론 66을 만드는데 필요한 아디프산의 무게는 얼마인가? 하: 아닐린-류신-페닐알라닌-리신-이소세린의 5개의 아미노산으로 이루 어진 펩타이드의 구조를 그려라.
5) 유의사항
‣ 참고 교재: Principles of Modern Chemistry(6th Ed.), by Oxtoby, Gillis & Campion(Thomson Brooks/Cole), Chapter 23
