수용액에서의 반응 I Ch. 5

Ch. 5

수용액에서의 반응I

4.1 용액의 농도: 몰농도 4.2 진한 용액의 희석 4.3 수용액에서의 전해질

4.4 수용액에서 화학 반응의 유형

4.5 수용액에서의 반응과 알짜 이온 반응식 4.6 침전 반응과 용해도 지침

4.7 산, 염기 및 중화 반응 4.8 용액의 화학량론

4.9 산화-환원 반응

4.10 산화-환원 반응의 확인

4.1 용액의 농도: 몰농도

• 화학 반응이 일어나려면 반응하는 분자나 이온이 서로 접촉해야 함.

-> 대부분 화학 반응이 고체상태보다 액체 또는 용액 상태에서 이루어짐.

• 용액에서 물질의 정확한 양의 반응물을 설명하기 위하여 표준의 수단이 필요함.

몰농도(molarity, M)

• 용액 농도를 표시하는 가장 유용한 일반적 방법임.

• 용질(solute)을 충분한 양의 용매에 녹여 1리터의 용액을 만들 때 용질의 몰수.

몰농도 용액의 제조

용액의 부피와 용질의 몰수의 관계

용액의 몰농도와 부피를 알면, 용질의 몰수를 계산할 수 있음.

용질의 몰수와 용액의 몰농도를 알면, 용액의 부피를 구할 수 있음.

4.2 진한 용액 희석하기

• 편의상 화학 물질은 때로는 진한 용액으로 구매하여 저장하였다가 희석하여 사용.

• 진한 용액을 희석할 때 기억해야 할 중요한 것은 용질의 몰수가 일정하다는 것.

• M_i는 초기 몰농도, V_i는 초기 부피, M_f는 최종 몰농도, V_f는 희석 후 최종 부피임.

• 희석 후 몰농도(M_f)

진한 용액 + 용매 → 희석한 용액

주의)

강산을 희석할 때에는 많은 양의 열이 발생하기 때문에 산에 물을 가하는 것보다 산을 천천히 물에 가하는 것이 훨씬 더 안전 함.

4.3 수용액에서의 전해질

전해질(electrolyte)

NaCl이나 KBr 같이 물에 용해되어 이온 전도성 용액을 만드는 물질을 말함.

NaCl 용액은 전하 입자(이온)의 이동 때문에, 전기를 전도하고 회로를 완성하여 전구에 불이 켜짐.

비전해질(nonelectrolyte)

수용액 중에서 이온을 만들지 못하는 설탕과 에틸 알코올 같은 물질을 말함.

설탕 용액은 전하 입자를 갖지 않으므로, 전류를 흐르게 할 수 없고 전구는 불이 켜지지 않음.

해리(dissociate)

물에 녹아 양이온과 음이온이 만들어지는 과정을 말함.

HCl(g) → H⁺(aq) + Cl^-(aq)

강전해질(strong electrolyte)

물에 녹을 때 이온으로 많이 해리되는 화합물(70~100%)을 말함.

약전해질(weak electrolyte)

조금만 해리되는 화합물(~ 5% 미만)을 말함.

4.4 수용액에서 화학 반응의 유형

수용액에서 일어나는 화학 반응은 세 가지 유형으로 구분됨.

• 침전 반응

• 산-염기 중화 반응

• 산화-환원 반응

침전 반응(precipitation reaction)

가용성 반응물이 용액 중에 가라앉아 불용성 고체 생성물을 만드는 과정이며, 일부의 용해된 이온이 제거됨. (이중치환반응)

Pb(NO₃)₂(aq) + 2 KI(aq) → 2 KNO₃(aq) + PbI₂(s)

Pb(NO ) 수용액과 KI 수용액이 반응

산-염기 중화반응(acid-base neutralization reaction)

• 산이 염기와 반응하여 물과 염(salt)이라고 부르는 이온 화합물을 형성함.

• 용액으로부터 H⁺ 이온과 OH^- 이온을 제거함.

HCl(aq) + NaOH(aq) → H₂O(l) + NaCl(aq)

산화-환원 반응(oxidation-reduction reaction 또는 redox reaction)

• 반응 상대들(원자, 분자, 이온) 상호간에 하나 이상 전자가 이동하는 과정임.

• 전자 이동의 결과로서, 여러 반응물 내 원자의 전하가 변함.

+1 0 Mg(s) + 2 HCl(aq) → MgCl₂(aq) + H₂(g) 0 +2

4.5 수용액에서의 반응과 알짜 이온 반응식

분자 반응식(molecular equation)

• 반응에 관여한 모든 물질은 그들이 마치 분자로 있는 것처럼 완결 화학식으로 사용한 반응식임.

• 물질이 수용액에 녹아있는 것을 나타내기 위하여, 괄호 안에 상태를 나타내는 약자(aq)를 사용함.

• 분자들이 상호 작용을 하는 것만 의미.

-> 이온들이 반응식에 나타나 있지 않음.

Pb(NO₃)₂(aq) + 2 KI(aq) → 2 KNO₃(aq) + PbI₂(s)

이온 반응식(ionic equation)

• 반응에 관여한 모든 강전해질이 이온 형태로 쓰여진 반응식임.

• 모든 이온이 명확하게 보이는 반응식이 더 타당함.

구경꾼 이온(spectator ion)

• 반응 중에 변화가 없고 반응 화살표의 양쪽에 존재하는 이온을 말함.

• 전하의 균형을 맞추는 역할만 감당함.(K⁺ 이온과 NO₃^- 이온 )

Pb²⁺(aq) + 2 NO₃^-(aq) + 2 K⁺(aq) + 2 I^-(aq)

→ 2 K⁺(aq) + 2 NO₃^-(aq) + PbI₂(s)

알짜 이온 반응식(net ionic equation)

• 반응하는 화학종만 쓰여진 반응식을 말함.

• 이온 반응식에서 구경꾼 이온을 제외한 반응식을 말함.

Pb²⁺(aq) + 2 NO₃^-(aq) + 2 K⁺(aq) + 2 I^-(aq)

→ 2 K⁺(aq) + 2 NO₃^-(aq) + PbI₂(s)

알짜 이온 반응식: Pb²⁺(aq) + 2 I^-(aq) → PbI₂(s)

4.6 침전 반응과 용해도 지침

용해도(solubility)

• 두 가지 물질의 수용액을 섞어 침전 반응이 일어나는 여부를 예측하는 데 이용됨.

• 각 화합물이 주어진 온도에서 주어진 양의 용매에 얼마나 많이 녹는가를 나타냄.

• 어떤 물질의 물에서의 용해도가 작으면 수용액에서 침전이 형성됨.

• 어떤 물질의 물에서의 용해도가 크면 침전이 형성되지 않음.

용해도 규칙

1. 어떤 화합물이 다음 양이온 중 하나를 포함하면 아마 가용성일 것임.

• 1A족 양이온: Li⁺, Na⁺, K⁺, Rb⁺, Cs⁺

• 암모늄 이온: NH₄⁺

2. 어떤 화합물이 다음 음이온 중 하나를 포함하면 아마 가용성일 것임.

가용성(soluble)

어떤 물질이 녹아 0.01M 이상의 농도가 되면 가용성이라고 함.

AgNO₃ 수용액과 Na₂CO₃ 수용액이 섞였을 때 일어나는 화학 반응에 대하여 분자 반응식, 이온 반응식, 그리고 알짜 이온 반응식을 써라.

CB + AD (이중 치환 반응) AB + CD

Ag₂CO₃

AgNO₃(aq) + Na₂CO₃(aq) + NaNO₃ 1. 적절한 이온 규칙을 이용하여 생성물의 화학식을 작성함.

2. 분자 반응식 작성

계수를 이용하여 반응식의 균형을 맞추고 생성물의 용해도를 예측함.

Ag₂CO₃(s) + 2NaNO₃(aq) 2AgNO₃(aq) + Na₂CO₃(aq)

• 용해도 지침을 활용하면 두 가지 이온 결합 화합물의 용액들을 섞을 때 침전물이 생성될지 여부를 예상할 수 있음.

• 의도적으로 침전 반응을 일으켜 특정 화합물을 만들 수 있음.

3. 이온 반응식 작성;

가용성 이온 화합물을 해리시킴.(이온으로 표시함)

Ag₂CO₃(s) + 2Na¹⁺(aq) + 2NO₃^1-(aq) 2Ag¹⁺(aq) + 2NO₃^1- (aq) + 2Na¹⁺(aq) + CO₃^2-(aq)

2NaNO₃(aq) 2AgNO₃(aq) Na₂CO₃(aq)

백색 고체

4. 알짜 이온 반응식 작성

이온 반응식에서 구경꾼 이온을 제거함으로 작성함.

Ag CO (s) 2Ag¹⁺(aq) + CO ^2-(aq)