기초 일반 화학 – Class 3

기초 일반 화학 – Class 3

2016. 3. 17.

일반강좌 (공통교양)

참고문헌

참고문헌:

(1) 옥스토비의 일반화학, 제 7판, 화학교재연구회 옮김.

(2) 응용을 위한 대학 화학, 대학화학교재편찬위원회 편 (지구문화사) 그 외 참고문헌 및 인터넷 자료 등

담당교수: UST-ETRI 차세대소자공학과 윤 선진

([email protected])

Contents

 기체 분자의 속력, 평균자유행로

 기체의 분출과 농축/분리

 공기, 그리고 지구 대기의 화학

분자의 속력 – 얼마나 빠른가?

 the most probable speed : 가장 확률이 높은 속력

 average speed : 평균 속력

 rms speed : 근평균 제곱 속력 = 1.000 : 1.128 : 1.225

(퀴즈 1) 298K에서 (a) He 원자, (b) O

분자의 rms speed 를 구하시오.

(He, O

의 몰질량은 각각 4.0, 32.0 g/mol, R= 8.3145 kg m

s

mol

K

)

평균자유행로(mean free path)

 한 분자가 다른 분자와 충돌하지 않고 움직일 수 있는 거리, λ

: 평균속력 <υ>로 움직이는 분자가 충돌과 충돌 사이에 이동하는 거리.

 λ = <υ>/Z

(여기서, Z

:충돌할 때 까지 걸리는 시간의 역수, s

)

V

= πd

<υ>

단위 부피당 분자의 수(기체 수 밀도): N/V

 1s 동안의 충돌횟수 = Z₁ ∝V_cyl ·N/V

 실제로 구한 식: Z₁ = πd₂ ²

<υ>N/V

M d πRT V

4N

Z₁



λ = <υ>/Z

= <υ> / { πd

<υ>N/V} = ( πd

N/V)

: 평균 자유행로는 분자질량과 무관.  단위부피당 기체 분자의 개수에 의존

거리=속력 x 시간

d

<υ>·1s

기체의 분출

 Graham의 분출 법칙 (Graham’s law of effusion), diffusion에도 동일하게 적용 같은 온도에서 기체들의 운동에너지(KE)는 동일하다.

Gas 1: KE

= m

υ

Gas 2: KE

= m

υ



KE

= KE

m

υ

= m

υ

 m

υ

= m

υ

1

2

1 2

Graham’s law : 주어진 온도에서 기체의 분출 속도는 몰 질량 (또는 분자량)의 제곱근에 반비례한다.

1 2 2

2 2 1

m

 m





1 2 1

2 2

1

M

M m

m 

 

 Graham’s Law

1 2 1 2

KE = kT ³ ₂

 일정시간 동안에 작은 구멍을 통해 분출되는 두 종류 기체분자의 개수 비

A B

기체 혼합물의 분출

A

M

M B

A

B A

N

 N 분출속도 분출속도

N

: A 분자의 개수 N

: B 분자의 갯수 : 가벼운 분자가 무거운 분자보다 빨리 분출

 원래 가스혼합물 대비 분출된 가스에 가벼운 분자 의 비율이 증가

 농축인자(enrichment factor)

( M

> M

일 때 )

M

 M

(퀴즈 2) 두 동위원소로 구성된 ²³⁵UF₆, ²³⁸UF₆ 혼합물의 분출에 관한 농축인자를 구하시오 (²³⁵U 원자량: 235.04, ²³⁸U 원자량:238.05, F 원자량: 19.00).

(Source:2005 Pearson Prentice Hall, Inc.)

기체 확산에 의한 동위원소의 농축

 Graham의 분출 법칙은 diffusion에도 동일하게 적용

(퀴즈 3) 기체 UF₆ 확산 공정으로 ²³⁵U를 0.70%에서 7.00%로 농축하고자 한다. 농축인자가 1.0043 일 경우 몇 번의 확산 단계가 필요한가?

235

U과

U의 분리 농축

(그림일부수정, Source:옥스토비의 일반화학, 제 7판, 화학교재연구회 옮김.)

235U

238U

다공성막

가벼운 기체 농축 무거운 기체 농축

자연상태의 우라늄 (0.711% ²³⁵U)

공 기

 고대 그리스인들은 자연은 4대 원소로 이루어져 있다고 믿었음.

 4대 원소 : 공기, 물, 불, 흙

 건조공기의 주요 성분

: 부피비로 질소, 산소가 99.03%

차지

성분 화학식 체적비 (%) 중량비 (%)

질소 N₂ 78.084 75.51

산소 O₂ 20.946 23.01

아르곤 Ar 0.934 1.286

이산화탄소 CO₂ 0.032* 0.040*

 공기의 미량 성분

성분 화학식 체적비

/ppm

네온 Ne 18.18

헬륨 He 5.24

메탄 CH4 1.60*

크립톤 Kr 1.14

수소 H₂ 0.50

일산화이질소 N₂O 0.3*

성분 화학식 체적비

/ppm

일산화탄소 CO 0.1*

크세논 Xe 0.087

오존 O₃ 0.03*

이산화질소 NO₂ 0.02*

암모니아 NH₃ 0.01*

이산화황 SO₂ 0.002

대기(Atmosphere) 어원: 수증기(atmos)+구(sphaira)

지구 대기의 진화

 지구가 생성되는 시기의 대기(1차 원시대기)는 H₂와 He이 주를 이 루는 두터운 대기층이 지구를 감싸고 있었을 것. 태양풍의 강도가 훨씬 강했을 것이므로 대기 입자들의 운동에너지가 커서 지구를 이 탈하기가 용이  수소가 짧은 시간 안에 소멸

 미행성과의 잦은 충돌로 고온상태 유지

 지표는 마그마 상태로서 수증기와 이산화탄소를 포함한 화산가스들 이 방출

 미행성과의 충돌이 감소하고, 지구가 식어갈 때 화산가스들이 온도 형성에 기여

 수증기의 응결로 원시바다 생성, 이산화탄소가 원시바다에 용해된 후 석회암(CaCO₃) 형성 대기 중에는 매우 적은 량의 이산화탄소 만 존재

 최초의 산소는 대량의 수증기가 자외선에 의해 광해리됨으로써 생성

 산소가 반응에 의해 오존 생성  오존층 형성에 의해 지표면의 자외 선 감소  생물의 등장  광합성으로 대기 중 산소량 증가

(Source:

gotothessc.tistory.com)

(source: web.kma.go.kr, 기상 예보관훈련용기술서) 현재 크기의 50배

(Source:http://blog.daum .net/don1280/200)

이산화탄소, 석회암, 그리고 종유석

(Source:http://senior.chosun.com/site/data

 종유석, 석순, 석주의 형성

이산화탄소의 용해: H

O + CO

→ H

+ HCO

탄산 칼슘의 용해: CaCO

+ H

O → Ca

+ HCO

+ OH

 CaCO

+ 2H

O + CO

→ Ca(HCO

)

+ H

O

종유석의 형성 : Ca(HCO

)

→ CaCO

+ H

O + CO

지구 대기의 화학

 지구의 대기는 온도곡선으로 4 영역으로 분류

- 대류권: 지표로 부터 약 12 km 높이 까지의 대기권, 여객기의 비행고도(10 ~ 12 km)

- 성층권: 대류권 위의 대기권 (고도: 12 ~ 50 km) o 고도가 증가함에 따라 온도가 증가

- 중간권: 성층권 위의 대기권 (고도: 50 ~ 80 km)

- 열권: 중간권 위의 대기권 (고도 80km 이상)

o 0.1㎛ 이하의 단파장 자외선을 질소, 산소가 흡수

o 1000- 2000 km 층은 주로 He, 10,000km 까지는 수소

1) 대류권의 화학

⦁ 공기오염, 산성비 ⦁ 지구온난화

2) 성층권의 화학: 오존층 존재. 강력한 자외선 흡수로 인해 지상의 생명유지에 매우 중요한 역할을 함.

3) 0 ~ 80km: 대기의 조성비가 거의 일정. 균질권 (Homosphere)

 지구 대기의 화학

(Source:web.kma.go.kr,기상예보관훈련용기술서)

8.848km

오존층의 파괴

CFCl

+ light (UV)→ Cl· + ·CFCl

Cl· + O

→ ClO + O

ClO + O

→ Cl· + 2O

Ozone cycle(https://en.m.wikipedia.org/wiki/Ozone

_depleting_chemical) Ozone 층의 파괴

 Free radical 촉매들:

·OH, NO·, ·Cl, ·Br, 등

남극의 ozone hole

http://earthlovers.altervista.org/ozone-hole/

Contents

 온실 효과와 온실 가스

 기체, 액체, 고체의 성질

온실기체와 온실 효과

 자연·인위적인 지구 대기의 가스상 구성 물질로서 주로 수증기(H₂O), 이산화탄소(CO₂), 아산화질 소(N₂O), 메탄(CH₄), 오존(O₃), 프레온(CFCs) 가스 등 온실효과를 일으키는 가스들

 영향: H₂

O 36~72%, CO

 지구 온난화 지수 (global warming potential: GWP): CO₂

1, CH

21, N

온실 가스 (Green house gases)

온실 효과 (Green house effect)

 온실 효과: 우주로 방출되는 특정한 파장 범위를 지닌 적외선 복사열 에너지를 지표면과 대기, 구름에 의하여 흡수하여 열을 저장하고 다시 방출하는 것

 지구를 항상 일정한 온도로 유지시켜 주는 매우 중요하며 반드시 필요한 현상

 지구 복사 평형:

- 태양 복사 (입사에너지 100 %) = 대기/구름에 의한 흡수 25% + 반사 30% + 지표면의 흡수 45%

- 지구 복사 평형: 지구 흡수 에너지 = 지구 방출 에너지

 산업혁명 이후 일부 온실 효과를 일으키는 기체들이 과다하게 대기 중에 방출됨으로써 야기되는 이상 고온에 따른 지구 온난화 현상 (global warming)이 문제

종류별 CO₂ gas 배출량

 온실가스 배출량

- CO₂가 전체 온실가스 배출량 중 80%, 주 로 에너지 사용 및 산업에서 발생

- 메탄은 가축 사육, 과다한 비료의 사용, 토 지의 이용 등에 의해 증가

 지구 대기의 CO₂ 농도 - 1832년 : 284 ppm - 2007년 : 384 ppm

(This image was copied from wikipedia:en)

 온실가스의 영향

- 온실 효과 - 해수면 상승 - 기후 변화 - 지구 온난화

산업화와 온실기체의 영향

S(s) + O₂(g) SO₂ (g)

2SO₂(g) + O₂(g) 2SO₃ (g) N₂(g) + O₂(g) 2NO (g)

2NO(g) + O₂(g) 2NO₂ (g)

CH₄(g) + 2O₂(g) CO₂ (g) + 2H₂O(g) C (s) + O₂(g) CO₂ (g)

지구 대기의 화학

 자연계에 존재하는 물질을 가열하면 산소, 이산화탄소 등의 기체 발생

CaCO₃(s) CaO(s) + CO^heat ₂ (g)

 대기 오염 기체의 발생

 산성비 : 비, 눈, 안개, 이슬 등에 산성 성분(원인 물질: SO

, NO

등)이 누적된 것을 의미.

pH 5.6 미만의 산성.

SO₃ + H₂O H₂SO₄

3NO₂ + H₂O 2HNO₃ + NO (반응식 예)

교토 의정서 (Kyoto protocol)&새 기후체제

 정식 명칭: a protocol to the United Nations Framework Convention on Climate Change (UNFCCC or FCCC)

 지구온난화의 규제와 방지를 위한 기후변화협약의 수정안. 이 의정서를 인준한 나라는 CO₂ 등 6종의 온실가스 배출량을 감 축하며, 배출량을 줄이지 않는 국가에 대해서는 관세장벽 적용.

 6종의 온실가스: CO₂

, CH

, N

O, SF

, HFCs, PFCs

 1997. 12. 11. 일본 Kyoto에서 열린 지구온난화 방지 교토회 의 제3차 당사국 총회에 채택되고,

2005. 2. 16. 에 발효. 2009. 11. 까지 187개 국가가 비준.

 “The target agreed upon was an average reduction of 5.2%

from 1990 levels by the year 2012. According to the treaty, in 2012, Annex I countries (40) must have fulfilled their obligations of reduction of greenhouse gases emissions established for the first commitment period (2008 – 2012).”

: a joint reduction of 8% for the EU and others, 7% for the US (non-binding as the US is not a signatory), 6% for Japan and

0% for Russia; increase of 8% for Australia and 10% of Iceland

2015.11.30 (연합뉴스)

- 파리, 유엔기후변화협약 당사국 총회 - 교토의정서는 미국의 참여 거부로 좌초 - 미 대통령이 새 기후체제 주도

- 미국 의회 비준은 어려울 것으로 예상 인도 등 개도국의 반발이 거셈.

 온실가스를 배출할 수 있는 권리를 사고 팔 수 있도록 한 제도로서 온실가스 중 가장 많은 량을 차 지하는 것이 이산화탄소이기 때문에 탄소 배출권 거래제로 명명.

 국가별 할당량을 정하고 국가간, 기업간 사고 팔 수 있는 제도.

탄소배출권 거래 제도와 탄소세

탄소배출권 거래제도

 이산화탄소를 배출하는 석유, 석탄 등의 각종 화석에너지 사용량에 따라 부과하는 세금

 1991년 스웨덴에서 도입한 후 핀란드, 덴마크, 노르웨이 등 유럽 선진국에서 활용.

탄소세

 온실가스 배출자에게 일정량 배출권리를 인정하고, 일부를 포기할 경우 대신 보조금을 주어 보상하 는 제도.

보조금 제도

 선진국과 개도국이 공동으로 추진하는 온실가스 감축사업. 선진국이 개도국을 활용하여 자국의 감 축비용을 줄이는 한편 개도국은 친환경기술 해외투자를 받게 되어 자국의 기술로 확보하는 장점

CDM (Clean Development Mechanism, 청정 개발 체제)

기체, 액체, 고체의 본체 성질

 본체 성질 (Bulk properties)

- 한 분자의 특성이 아닌 분자 집단의 물리적 성질

- 많은 분자들이 모여 집합체를 이룰 때 나타내는 성질로 구성 분자 각각의 성질과 무관 - 기체 상태의 분자들은 서로 멀리 떨어져 있으므로 분자간 상호작용이 약함

- 고체, 액체는 분자, 원자들이 가까이 있으므로 상호 작용이 강함

기체, 액체, 고체의 본체 성질

- 물질 1몰이 차지하는 부피

- 액체, 고체 : 10 ~ 100cm³/mol  응축상(condensed phases) - 고체  액체로 녹을 때의 부피의 변화: 2 ~ 10%

- 기체: 22,400~24,000 cm³/mol

- 몰부피는 수 밀도 (number density, 1mL (1cm³)당 분자의 개수로 정의)에 반비례.

- 분자간 거리:

o 액체나 고체에서 분자간 거리: 0.3 ~ 0.5 nm

: 화학결합의 길이(0.05 ~ 0.25 nm) 보다는 길지만, 기체 보다는 매우 가까운 거리 o 기체 분자간 거리: 3 nm (1기압, 실온 기준)

(1) 몰부피 (molar volume, V

)

기체, 액체, 고체의 본체 성질

- 압축율 (κ): 압력을 가하면 항상 부피 변화는 음수를 가지므로 (-)부호로 보정하여 양수가 되게 함.

- 액체나 고체 (응축상): κ ~ 0 (10^-5 ~ 10^-6 /atm) o 거의 접촉된 상태, 상호작용이 상당히 강함 - 기체: κ >> 0

o Boyle의 법칙에 따름 압력을 2배로 늘리면, 부피가 반으로 감소 o 빈 공간이 많음, 상호작용 매우 약함

P ) )( V V -( 1



 



(2) 압축율 (compressibility): 일정 온도에서 압력을 가함에 따라 줄어드는 부피의 분율

등온압축율 (isothermal compressibility)

(그림일부수정, Source:옥스토비의 일반화학, 제 7판, 화학교재연구회 옮김.)

Lennard-Jones Potential

(3) 열팽창(thermal expansion): 일정 압력에서 온도가 1

C 증가할 때 증가하는 부피의 분율

- 기체: V ∝ T (샤를의 법칙): 분자간 인력 거의 무시

o 0^oC에서의 부피보다 0.3 - 0.4% 증가 (△V=V₀/273.15 ~ 0.366%/K) - 액체, 고체: 분자간 인력 매우 강함, α~ 0.02% 내외

T ) )( V V ( 1



 



Phase 화합물 κ (10

/atm)

@293K

α(10

/K)

액체 에틸알콜 38.7 11.2

물 49.7 2.1

고체

구리 0.735 0.501

다이아몬드 0.187 0.030

납 2.21 0.861

<화합물의 압축률과 열팽창계수)

기체, 액체, 고체의 본체 성질

기체, 액체, 고체의 본체 성질

(4) 유동성(fluidity)과 경직성(rigidity):

- 기체와 액체의 가장 특징적인 성질: 유동성 - 고체의 가장 특징적인 성질: 경직성

- 엇갈림 점성도(shear viscosity): 거시적인 유체 흐름에 대한 물질의 저항 척도,

o 미시적으로, 가상적인 한 분자 층이 다른 층에 의해 끌어당겨진다고 할 때 작용하는 저항력의 척도 o 액체의 엇갈림 점성도는 고체에 비해 10¹⁶배 정도 작고 기체의 경우는 이보다도 작다.

- 경도 (hardness): 흠이 잘 나지 않는 성질, 흠집에 대한 저항도

- 탄성도(elasticity): 모양을 변형시키는 외부 힘이 제거되어졌을 때 원형으로 복원되려는 능력 o 탄성도가 고체는 매우 크고 기체나 액체는 작다.

(5) 증발과 증발열:

- 증발: 액체 분자가 액체의 표면에서 다른 분자와의 인력을 이기고 떨어져 나와 기체 상태로 되는 현상 - 증발열 (kJ/mol): 끓는점에서 액체 1mol을 같은 온도의 기체로 증발시키는데 필요한 열량.

분자량 몰증발열

(kJ/mol)

끓는점 (^oC)

H₂ 2 0.92 -252.8

CH₄ 16 10.42 -164.0

NH₃ 17 23.39 -33.4

H₂O 18 40.68 100.0

(6) 증기압력과 끓는점

- 증기압: 어떤 온도에서 액체와 그 증기가 동적 평형상태에 있을 때 증기가 나타내는 압력

- 온도가 높아지면 액체 분자들의 운동에너지가 증가하여 분자 사이의 인력을 쉽게 이기므로 증기압이 커지고, 분자간 인력이 작은 액체일수록 증기압이 크다.

- 끓는점: 외부압력과 증기압이 같아질 때의 온도. 액체의 표면 뿐만 아니라 액체 내부에서도 기화가 일

기체, 액체, 고체의 본체 성질

기체, 액체, 고체의 본체 성질

(7) 확산(diffusion): 한 종류의 분자들이 다른 종류 분자들 속으로 이동하는 것

- 고체나 액체상 안의 분자들은 이보다 훨씬 느리게 확산. 액체는 기체 대비 10^-4 배 정도로 작음

- 대류(convection): 유체(액체나 기체) 전체가(개개 분자 수준이 아니라 분자들의 무리가) 다른 부분과 순환하는 것

o 확산 속도보다 훨씬 빠름

o 대양이나 대기권에서 혼합이 일어나는 주된 메카니즘 o 고체에서는 일어나지 않음

<기체와 고체의 확산상수>

기체, 액체, 고체의 본체 성질

(8) 표면장력(surface tension): 액체 표면의 접촉 면적을 가능한 한 최소화 시키려는 힘

- 두 개의 작은 물방울이 합쳐져서 큰 하나의 물방울로 바뀌는 현상의 이유 o 하나의 큰 물방울의 표면적이 작은 두 개의 물방울의 표면적 합 보다 작기 때문 - 표면장력은 액체상 내에 있는 분자간의 인력 때문에 생김

물 < 수은

액체내부

표면장력: A > B > C

A B C