생활 속 화학
- 의생활: 나일론, 폴리아크릴로니트릴 합성섬유, 광섬유 (통신), 탄소섬유 (자동차, 우주선), 폴리에스테르 합성섬유 (혈관 대용), 아라미드 섬유 (물건 이동용), 실리콘 섬유 (우주복/신 발) - 식생활: 식량 증산, 식품 보존 및 개선, 복합비료, 농약대체 합성 페로몬 제조, 합성 냉동제 프레온, 합성세제, 의약품 발전 (페니실린, 술파민제, 스트렙토마이신 등 개발, 셀룰로오스 유도체 합성) - 주생활: 건축재료 (시멘트, 강화유리, 플라스틱 창틀, 발포 폴리스티렌 방음보온재, 알루미 늄 새시, 실리콘 접착제, 유리섬유, 폴리염화비닐 파이프 등), 연료 (태양집열판, 액화석유가 스, 액화천연가스 제조기술 등) - 기타 첨단 신소재 개발: 세라믹스 공학 (인공뼈), 물질구조 연구 (고성능 투과 전자 현미경 발명), 초전도체 연구 (초전도 케이블, 자기부상열차, 자기공명영상, 핵융합 인공태양 구현)1. 물질의 상태
• 물질 (matter) - 물체 (body)들의 재료 (stuff); 분자, 원자, 이온들이 모여서 이루어짐 - 주어진 조건에 따라 상태의 변화 일어남; 물리적 변화 (physical change)와 화학적 변화 (chemical change)가 있음 • 물질을 구성하는 기본 입자인 분자간의 압축성, 유동성, 밀도 등의 물리적 성질에 의해 구 별됨 - 고체: 분자의 움직임이나 이동이 거의 없는 정렬된 상태로 나열되어 있음, 팽창성이나 유 동성 없음, 가장 조밀한 구조 가짐 - 액체: 분자의 운동이 가능하고, 유동성으로 나타남, 일정한 모양이나 형태 유지 못함 - 기체: 분자간 거리 멀어 인력 작용 못하고, 유동성 가짐, 액체와 달리 분자간 거리 가깝게 (압축성), 또는 멀게 (팽창성) 가능함2. 물질의 분류
• 혼합물 (mixture)=두 종류 이상의 순물질이 섞여 있는 경우, 물리적인 방법으로 다른 종류 의 물질로 분리 가능함 - 균일 혼합물 (homogeneous mixture): ‘고르게’ 혼합물의 어떠한 부분을 측정해도 성질이 동일함 (ex. 소금물=소금 (염화나트륨)+물, 공기= 질소+산소+이산화탄소) - 불균일 혼합물 (heteogeneous mixture): ‘고르지 않게‘ 일정하게 혼합되어 있지 않음 (ex. 생과일쥬스=과일+설탕+물 등, 우유=물+단백질+지방+ 아연 등 콜로이드 상태)2. 물질의 분류
• 순물질 (pure substance)=한 가지 종류의 물질로만 구성, 물리적인 방법으로 다른 물질로 분리되지 않음 일정한 녹는점, 끓는점, 밀도, 비중 가짐 - 화합물 (compounds): 두 종류 이상의 원자가 항상 일정한 비율로 화학적 결합에 의해 만 들어져 물체를 구성하는 물질 (ex. H2O; 물분자=수소원자 2개+산소원자 1개, C6H12O6; 포도당 한 분자) - 원소 (element): 화학적인 방법으로 더 이상 간단한 순물질로 분리할 수 없는 물질, 주기율 표상 113개, 원소의 표기는 문자를 사용함, 한 종류의 원자로만 구성 * 원소 ≠ 원자 (atom): 원소의 화학적 성질을 지닌 가장 작은 입자 즉, 화학결합 할 수 있는 원소의 기본단위, 주기율표에서 왼쪽 오른쪽, 위 아래 갈수록 원자번호 증가함2. 물질의 분류
- 화합물 (compounds) * 화학반응의 전후에서, 물질 전체의 질량은 변하지 않는다=질량 보존의 법칙 (ex. 2H2+O2=2H2O 수소 4 g을 모두 태울 때 산소 32 g이 소모되었다면 생성된 물의 질 량은 36 g이 된다) * 한 화합물을 구성하는 성분 원소의 질량비는 항상 일정하다=일정 성분비의 법칙(ex. H2O에서 H:O의 질량비는 1:8이다)
* 두 원소가 결합하여 두 가지 이상의 화합물을 만들 때, 한 원소의 일정량과 결합하는 다른 원소의 질량 사이에는 간단한 정수비가 성립한다=배수 비례의 법칙
(ex. 일산화탄소 (CO)와 이산화탄소 (CO2)에서 탄소 1개와 결합하는 산소의 질량비는 1:2이 다)
실험 1: 혼합물의 분리와 확인
설탕 1 g + 탄산칼슘 1 g + 물 10 ml 혼합물을 거름 장치로 거른 후, 거른 액과 녹지 않은 고체에 각각 묽은 황산을 3-5 방울씩 떨어뜨려 본다. 어떤 현상을 볼 수 있는가? 혼합물임 을 확인할 수 있는가?
※ 기체 발생의 현상으로 3 종류 이상의 혼합물임을 확인할 수 있다.
설탕 1 g 물 10 ml 에 녹음
탄산칼슘 1 g 물 10 ml 에 녹지 않음
탄산칼슘 묽은 황산을 떨어뜨리면 이산화탄소 발생함
원소기호 및 원소명
3. 물질의 변화
• 물리적 변화=물질을 구성하는 화학적 조성의 변화 없이 물질의 상 (phase)이나 형태만의
변화를 말함 (ex. 얼음 물 수증기)
• 화학적 변화=물질을 구성하는 화학적 조성의 변화를 동반함, 물질을 이루는 본질 자체가
4. 혼합물에서 순물질의 정제
혼합물에서 순수한 물질을 분리하는 과정 (ex. 설탕 정제)* 사탕수수재배 착즙 가열 건조=마스코바도 설탕 1차 정제=당밀분리=단맛높임 원당=유기농 갈색 설탕
4. 혼합물에서 순물질의 정제
정제의 수단- 여과 (filtration): ① 액체와 고체의 혼합물을 서로 분리 (ex. 핸드드립 커피; 여과지 (filter paper) 이용; 물빠짐), ② 고체나 액체 상관없이 입자 크기나 분자량 크기 차이로 분리 (ex. 분자생물학실험용 초순수 증류수; 압력차를 추진력으로 하는 막 (membrane) 이용, 한외여 과법 (ultrafiltration; 미생물제거), 역삼투압법 (reverse osmosis; 용존염류제거) 등)
- 증류 (distillation): 액체와 액체의 혼합물을 서로 분리, 끓는점 차이 이용, 끓는점 낮은 물 질이 먼저 기화 (vaporization), 단순증류법/분별증류법 (ex. 석유정제공정, 주류공정)
-크로마토그래피 (chromatography): 고정상 + 이동상 사이에서 여러 가지 물질이 나타내는 다른 친화성에 의해 시간적인 차이를 두고 각각의 물질로 분리
5. 화학식 (chemical formula)
분자식: 원소 기호를 써서 분자를 구성하고 있는 원자의 종류와 수를 나타낸 식
ex. 물분자 H2O, 수소분자 H2, 헬륨 He, 이산화탄소 CO2, 암모니아 NH3, 아세트산 C2H4O2 실험식: 화합물 중에 포함된 원소의 종류와 원자수를 가장 간단한 정수비로 나타낸 식 ex. 아세트산 화합물 (C:H:O=1:2:1 CH2O), 염화나트륨 화합물 (Na:Cl=1:1 NaCl) 시성식: 한 분자 속에 그 분자의 특성을 나타내는 작용기를 나타낸 식
ex. 산성=-COOH 아세트산 CH3COOH, 알코올=-OH 에탄올 C2H5OH
구조식: 한 분자에 들어 있는 각 원자의 결합 상태를 결합선을 사용하여 나타낸 화학식 ex. O H H N H H H 아세트산 구조식을 적어오세요~
6. 화학반응식
원자량: 탄소 원자 12C의 질량을 12.00으로 정하고 이를 기준으로 다른 원자들의 질량비의 값, 단위 없음 * 자주 사용하는 원자량 ex. 수소 1, 산소 16, 탄소 12, 질소 14, 나트륨 23, 황 32.1, 염소 35.5 분자량: 분자를 구성하는 모든 원자의 원자량의 합, 단위 없음 * 자주 사용하는 분자량 ex. 산소 32, 질소 28, 이산화탄소 44, 프로판 44, 과산화수소 34, 염화나트륨 (NaCl; 나트륨 원자량+염소 원자량)의 분자량은?6. 화학반응식
반응물질과 생성물질 사이에 질량보존의 법칙, 일정성분비의 법칙, 아보가드로의 법칙, 기 체 반응의 법칙 등이 성립한다. 몰 (mole, mol): 원자나 분자의 무게를 나타낸 화학적 단위, 1몰 탄소 (=12 g)의 원자개수와 같은 수의 기본입자에 해당하는 양, 아보가드로수 6.0221367 x 1023개 입자의 모임 아보가드로의 법칙: 물질이 기체인 경우, 0 °C, 1 기압의 표준조건에서 기체 1 mol에는 6.02 x 1023개의 분자가 있으며 그 부피는 항상 22.4 L를 가짐 ex. 0 °C, 1 기압에서 5.6 L의 프로판 (C3H8)이 있다. 이 기체의 mol 수? 분자수? 질량? 0 °C, 1 기압에서 기체 1 mol이 차지하는 부피는 22.4 L이므로 5.6 L의 프로판.. 다음 시간에 다시..6. 화학반응식
화학반응에서의 양적관계: 반드시 계수를 맞춤 ex. 메탄이 완전히 연소할 때의 화학반응식? 탄소수 수소수 산소 원자수 맞춤 반응물질 CH4 + O2 생성물질 CO2 + H2O (x) CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O (o) ex. 프로판이 완전히 연소할 때의 화학반응식은? 원자수를 맞춰 계수를 적어오세요~ 반응물질 C3H8 + (?)O2 생성물질 (?)CO2 + (?)H2O화학반응의 종류
① 화합: 두 가지 이상의 물질이 결합 한 가지 물질로 변함 (Fe + S FeS) ② 분해: 한 화합물 두 가지 이상의 물질로 나뉨 (CaCO3 CaO + CO2)
③ 치환: 화합물 속의 어떤 원자 다른 원자로 자리바꿈 (Fe + CuSO4 FeSO4 + Cu) ④ 복치환: 두 물질이 반응 성분을 교환함
HCl + NaOH NaCl + H2O
