수용액에서의 반응 II Ch. 6

Ch. 6

수용액에서의 반응II

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 4.11 원소의 활동도 서열

4.7 산, 염기 및 중화 반응

아레니우스 (Scante Arrhenius, 1859~1927) 산과 염기

산: 물에서 해리하여 수소 이온(H⁺)을 생성하는 물질이라고 제안함.

염기: 물에서 해리하여 수산화 이온(OH^-)을 생성하는 물질이라고 제안함.

산 HA(aq) → H⁺(aq) + A^-(aq) 염기 MOH(aq) → M+(aq) + OH^-(aq) HA: 산의 일반적인 화학식임. 예) HCl 또는 HNO₃

MOH: 금속 수산화물의 일반적인 화학식임. 예) NaOH 또는 KOH

H⁺(aq)

• 반응식에서 사용하기에 편리하지만, 수용액에서 존재하는 이온의 구조를 실제로 나타내지는 않음.(반응성이 너무 커서 그 자체로만 존재할 수 없음)

• H⁺는 물 분자와 결합하여 더 안정한 하이드로늄 이온(H₃O⁺)을 형성함.

• 물속에서, 산은 하이드로늄 이온(H₃O⁺)을 형성함.

• 편의상, 특히 반응식의 균형을 맞출 때 H⁺(aq)라고 쓰지만, 산 수용액을 나타낼 경우에는 H₃O⁺(aq)를 사용함.

H₃O⁺(aq) + Cl^-(aq) HCl(aq) + H₂O(aq)

강산(strong acid):많이 해리되는 산이며 강전해질임.

예) HCl, HClO₄, HNO₃, H₂SO₄

약산(weak acid):조금만 해리되는 산이며 약전해질임.

예) CH₃CO₂H, HF

• 아세트산에는 실제로 수소 4개가 있지만 산소 원자에 결합된 수소 하나만 해리된다는 것에 유의.

일양성자 산(monoprotic acid)

염산(HCl)같이 H⁺ 이온을 단 하나만 생성하는 산.

이양성자 산(diproticacid)

황산(H₂SO₄) 같이 H⁺ 이온을 두 개 생성하는 산.

삼양성자 산(triprotic acid)

인산(H₃PO₄) 같이 H⁺ 이온 세 개 생성하는 산.

염기;

• 수용액 중에서 해리되어 수산화 이온, OH^-을 만드는 물질을 말함.

• 수산화 이온, OH^-을 만드는 정도에 따라 강염기 또는 약염기로 구분됨.

강염기(strong base): 많이 해리되는 염기이며 강전해질임.

예)NaOH와 Ba(OH)₂ 같은 대부분 금속 수화물

약염기(weak base): 조금 해리되는 염기이며 약전해질임.

예) 암모니아(NH₃)

암모니아

• 화학식에 OH^-를 포함하고 있지는 않지만, 물과 조금만 반응하여 NH₄⁺와 OH^- 이온을 만들기 때문에 약염기임.

NH₄⁺(aq) + OH^-(aq) NH₃(aq) + H₂O(aq)

M⁺(aq) + OH^-(aq) MOH(aq)

Na⁺(aq) + OH^-(aq) NaOH(aq)

강산과 강염기는 강전해질임.

약산과 약염기는 약전해질임.

산의 명명

• 대부분의 산은 산소산(oxoacid, oxyacid).

산소산(oxoacid, oxyacid)

• 수소와 다른 원소들 외에 추가적으로 산소를 함유.

• 물에 녹을 때 하나 이상의 H⁺ 이온과 한 가지의 산소산 음이온 (oxoanion, oxyanion)을 생성.

• 영어명에서 -ite나 –ate 로 끝나는 음이온의 이름 더 적은 수의 산소를 포함하는 산은 -ous로 끝나고, 더 많은 수의 산소를 포함하는 산은 -ic로 끝이 남.

• 산소산 이외에 HCl과 같이 산소를 포함하지 않는 다른 산도 소수 존재함.

• 이런 화합의 수용액을 나타낼 경우 접두사 hydro-와 접미사 -ic acid가 사용 됨.

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중화 반응

• 산과 염기가 정확한 화학량론적 비로 혼합되어 물과 이온성 염(salt)을 생성 하는 반응.

• 염의 음이온(A^-)은 산으로부터 유래되고, 염의 양이온(M⁺)은 염기로부터 유래.

• 일반적으로 염은 수용액에서 강전해질이므로, 강산과 강염기의 중화 반응은 이온 반응식으로 쓸 수 있음.

이온반응식:

H⁺(aq) + A^-(aq) + M⁺(aq) + OH^-(aq) → H₂O(l) + M⁺(aq) + A^-(aq)

알짜 이온반응식:

H⁺(aq) + A^-(aq) + M⁺(aq) + OH^-(aq) → H₂O(l) + M⁺(aq) + A^-(aq)

H⁺(aq) + OH^-(aq) → H₂O(l) 혹은 H O⁺(aq) + OH^-(aq) → 2H O(l)

약산과 강염기의 중화 반응;

• 간단한 H⁺(aq)보다 그 산의 분자식을 써야 함. 왜냐하면 물에서 약산의 해리는 불완전하기 때문임.

• 산은 주로 중성 분자로 존재함.

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

1. 적절한 이온 규칙을 이용하여 생성물의 화학식을 작성함.

약산 강염기 물 염 H₂O

HF(aq) + KOH(aq) + KF

2. 분자 반응식 작성;

계수를 이용하여 반응식의 균형을 맞추고 생성물의 용해도를 예측함.

H₂O(l) + KF(aq) HF(aq) + KOH(aq)

용해도 규칙에 의하면 가용성 염

3. 이온 반응식 작성;

강염기와 가용성 이온 화합물을 해리시킴.(이온으로 표시함)

H₂O(l) + K⁺(aq) + F^-(aq) HF(aq) + K⁺(aq) + OH^-(aq)

KF(aq) KOH(aq)

4. 알짜 이온 반응식 작성;

이온 반응식에서 구경꾼 이온을 제거함으로 작성함.

H₂O(l) + K⁺(aq) + F^-(aq) HF(aq) + K⁺(aq) + OH^-(aq)

H₂O(l) + F^-(aq) HF(aq) + OH^-(aq)

4.8 용액의 화학량론

• 몰농도는 용질의 몰수와 용액의 부피 사이의 환산 인자로 사용.

• 용액의 부피와 몰농도를 알면 용질의 몰수를 계산할 수 있음.

• 용질의 몰수와 용액의 몰농도를 알면 용액의 부피를 구할 수 있음.

4.9 산화-환원 반응

산화(oxidation)

• 어떤 물질(원소, 화합물, 이온)이 하나 이상의 전자를 잃는 것임.

• 산화수가 증가함.

환원(reduction)

• 어떤 물질이 하나 이상의 전자를 얻는 것임.

• 산화수가 감소함.

산화-환원 반응;

한 물질로부터 다른 물질로 전자가 전달되는 과정임.

산화수(oxidation number, 또는 산화상태)

• 물질의 각 원소에 산화수가 할당됨.

• 원자들이 중성, 전자 풍부, 전자 부족인가의 여부를 나타냄.

• 반응 전후에 한 원자의 산화수를 비교하면, 원자들이 전자를 얻었는지 또는 잃었는지를 알 수 있음.

• 반드시 이온 전하를 의미하지는 않는다는 것에 유의해야 함.

• 산화-환원 반응에서 전자의 추적에 도움을 주는 단순하고 편리한 방법임.

산화수 규칙

1. 원소 상태에 있는 원자의 산화수는 0임.

2. 단원자 이온에서 원자의 산화수는 그 전하와 동일함.

3. 다원자 이온이나 분자 화합물에 있는 원자의 산화수는 일반적으로 그것이 단원자 이온일 때의 산화수와 같음.

(a)수소의 산화수는 +1 또는 -1이다. Na나 Ca 같은 금속에 결합할 때, 수소의 산화수는 -1임. 반면 C, N, O, Cl과 같은 비금속에 결합할 때, 수소의 산화수는 +1 임.

(b) 산소의 산화수는 보통 -2임. 예외 O₂^2- 이온이나 O-O 공유 결합을 갖는 과산화물(peroxide)에서 산소 원자의 산화수는 둘 다 -1임.

(c) 할로젠은 일반적으로 -1 산화수를 가짐.

예외) 할로젠들이 산소와 결합하여 화합물을 형성할 때 관측됨.

산소는 -2의 산화수를 갖고, 할로젠은 양의 산화수를 가짐.

예) Cl₂O에서 O 원자는 -2의 산화수를 갖고 각 Cl 원자는 +1의 산화수를 가짐.

4. 중성 분자에 대하여 산화수의 합은 0이고, 다원자 이온에서는 산화수의 합이 알짜 전하와 같음.

• 화합물에서 특정 원자의 산화수를 알려고 할 때 특히 중요함.

과염소산 음이온(ClO₄^-)에서 염소 원자의 산화수?

4.10 산화-환원 반응의 확인

• Fe: 0에서 +3으로 변함.(전자를 잃음, 즉 산화)

• O: 0에서 -2로 변함.(전자를 얻음, 즉 환원).

• 산화되는 원자에 의하여 제공된 전체 전자 수(4 Fe×3 전자/Fe = 12 전자)는 환원되는 원자가 얻은 전자수와 같음.(6 O×2 전자/O = 12 전자).

철광석으로부터 철 금속의 제조

• 철 원자는 반응물(Fe₂O₃)의 +3의 산화수로부터 생성물(Fe)의 0으로 변하므로 환원됨.

• 탄소 원자는 반응물(C)의 0의 산화수로부터 생성물(CO₂)의 +4로 변하므로 산화됨.

• 산소 원자의 산화수(-2)는 변하지 않음.

• 산화되는 원자에 의하여 제공된 전체 전자수(3 C×4 전자/C = 12 전자)는 환원되는 원자가 얻은 전자수와 같음.(4 Fe×3 전자/Fe = 12 전자).

• 산화와 환원 반응의 각각을 반쪽 반응(half-reaction) 이라고 하고 이들은 항상 함께 일어남.

환원제;

• 다른 원소를 환원시킴.

• 하나 이상 전자를 잃음.

• 자신은 산화됨.

• 원자의 산화수가 증가함.

산화제;

• 다른 원소를 산화시킴.

• 하나 이상 전자를 얻음.

• 자신은 환원됨.

• 원자의 산화수가 감소함.

4.11 원소의 활동도 서열

수용액에서 금속 양이온과 자유 원소와 반응하여 다른 양이온과 다른 원소를 생성 하는 반응은 산화-환원 반응 중에서 가장 간단한 반응임.

Fe(s) + Cu²⁺(aq) -> Fe²⁺(aq) + Cu(s)

쇠못은 Cu²⁺ 이온을 환원시켜, 금속 구리로 도포됨.

어떤 이온과 원소 사이에서의 반응 여부 예측

• 화학종이 전자를 얻거나 잃는 상대적 용이성, 즉 각 화학종이 얼마나 쉽게 산화되고 환원되는가에 따라 결정됨.

• 다른 반응의 결과를 주목하면, 활동도 서열(activity series)을 체계화 할 수 있음.

• 활동도 서열은 수용액에서 원소를 환원시키는 능력을 순서대로 나열한 것임.

위쪽에 있는 원소들은 전자를 쉽게 내어주는 강한 환원제임.

(자신은 산화).

밑에 있는 원소들은 전자를 쉽게 잃지 않는 약한 환원제임.

활동도 서열에서 더 위에 있는 원소들은 더 아래에 있는 원소의 이온들을 환원시킴.

2Ag⁺(aq) + Cu(s) 2Ag(s) + Cu²⁺(g)

Cu²⁺(aq) + 2Ag(s) Cu(s) + 2Ag⁺(g)

두 반응 중 어떤 반응이 일어날까?

활동도 서열에서 수소의 위치는 특히 중요함

• 금속이 수용액 산(H⁺)과 반응하여 H₂ 기체의 방출 여부를 알려주기 때문임.

• 서열의 맨 위 금속, 즉 1A족 알칼리 금속과 2A족 알칼리 토금속은 H⁺ 농도가 매우 낮은 순수한 물과도 반응하는 대단히 강한 환원제임.

• 서열의 중간에 있는 금속은 산 수용액과 반응하지만 물과 반응하지 않음.

• 제일 밑 서열의 금속은 산 수용액이나 물과 반응하지 않음.