수용액에서의 반응

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4.1 수용액의 일반적 성질 4.2 침전 반응

4.3 산-염기 반응 4.4 산화-환원 반응 4.5 용액의 농도

4.6 무게 분석

4.7 산-염기 적정 4.8 산화-환원 적정

수용액에서의 반응

4.1 수용액의 일반적 성질

• 용액(solution) : 두 가지 이상 물질의 균일 혼합물

• 용질(solute) : 더 작은 양이 들어있는 물질

• 용매(solvent) : 더 많이 포함된 물질

용액 용매 용질

Soft drink (l) Air (g) 땜납(s)

H

O N

Pb

Sugar, CO

O

, Ar, CH

Sn

수용액(Aqueous solution) 에서 용질의 구분

• 비전해질(nonelectrolyte) : 물에 용해 되었을 때 전기를 전도하지 않는 물질

• 전해질(electrolyte) : 물에 용해 되었을 때 전기를 전도하는 물질

- 강전해질 – 100% 해리

- 약전해질 – 불완전 해리

NaCl (s) NaH₂O ⁺ (aq) + Cl^- (aq)

CH₃COOH CH₃COO^- (aq) + H⁺ (aq)

가역 반응. 반응이 양방향으로 모두 일어남

4

전해질의 용해와 수화 현상

• 물 분자는 전기적으로 중성이지만, O원자는 – 전하, H 원자는 + 전하를 띤 극성 용매

• 전해질이 물에 녹으면, 양이온과 음이온은 각각 물의 음전하를 띤 쪽과 양전하를 띤 쪽에 의해 둘러싸임  수화(hydration)

δ⁺ δ^-

H₂O

수용액에서 용질의 구분

비전해질

4.2 침전 반응

침전 (precipitate): 용액에 녹지 않은 불용성 고체

침전반응(precipitation reaction): 가용성 물질들이

화학반응을 한 후 불용성 고체( 침전 ) 생성물을 만드는 화학반응이다.

Pb(NO₃)₂(

aq

aq

aq

s

용해도( 溶解度, solubility) : 특정온도 에서 주어진 용매에 녹을 수 있는 용질의 최대 양

• 정성적인 용질의 분류

가용성(매우 잘 녹음, soluble), 미용성(약간의 용해),

불용성(전혀 녹지 않음)

용해도 규칙

Pb²⁺

Sr²⁺

Ba²⁺

9

분자반응식, 이온반응식, 알짜 이온 반응식

Pb(NO₃)₂(

aq

aq

aq

s

Pb²⁺(

aq

aq

aq

aq

2 K⁺(

aq

aq

s

• 분자반응식(molecular equation): 반응에 관여한 모든 물질은 그들이 마치 분자로 있는 것처럼 완전한 화학식으로 사용한 반응식  이온들이 반응식에 나타나 있지 않음

• 이온반응식(ionic equation): 반응에 관여한 모든 강전해질이 이온 형태로 쓰여진 반응식

• 알짜 이온 반응식(net ionic equation): 반응에 실제로 참여하는 화학종만을 나타낸 반응식

Pb²⁺(

aq

aq

aq

aq

2 K⁺(

aq

aq

s

aq

aq

s

알짜 이온 반응식 적기

1. 반응에 대한 균형 분자 반응식을 표기

2. 용액에서 형성되는 해리된 이온들이 나타나도록 이온 반응식을 표기 3. 이온 반응식의 양쪽에서 구경꾼 이온들을 모두 삭제

4. 알짜 이온 반응식에서 전하와 원자 수에 대한 균형을 양쪽에 대해 확인

질산은과 염화소듐 반응에서의 알짜 이온 반응식을 적으시오.

AgNO₃ (

aq

aq

s

aq

s

Ag⁺(aq) + Cl^-(aq) AgCl (

s

11

Examples of Insoluble Compounds

CdS PbS Ni(OH)

Al(OH)

4.3 산-염기 반응

12

• 아레니우스 (Svante Arrhenius) 정의

- 산(acid): 물에서 해리하여 수소 이온(H⁺)의 양을 증가시키는 물질 - 염기(base): 물에서 해리하여 수산화 이온(OH^-)의 양을

증가시키는 물질

산 염기

HA: 산의 일반적인 화학식 (예: HCl 또는 HNO₃)

MOH: 금속 수산화물의 일반적인 화학식 (예: NaOH 또는 KOH )

HA (aq) H⁺ (aq) + A^- (aq) MOH(aq) M⁺ (aq) + OH^- (aq)

• 브뢴스테드 (Johannes Brønsted, 1879~1947) 정의 - 산(acid): 양성자 (H⁺) 주게

- 염기(base):

양성자 (H

CH₃COOH(l) + H₂O(l) H₃O⁺(aq) + CH₃COO^-(aq) 아렌 산

브뢴 산 염기 산 염기 HCl(l) + NH₃(l) NH₄⁺ + Cl^-

아렌 -

브뢴 산 염기 산 염기

• 산의 일반적 성질

- 신맛, 식초의 신맛은 아세트산, 감귤류의 신맛은 구연산 함유 - 식물 염료의 색을 변화, 리트머스의 색을 푸른색에서 붉은색 - 금속과 반응하여 수소 기체 발생

- 탄산염이나 탄산 수소 염과 반응하여 이산화탄소 기체 발생

• 염기의 일반적 성질 - 쓴 맛

- 미끈미끈한 성질, 비누가 이러한 성질을 가짐

- 식물 염료의 색을 변화, 리트머스의 색을 붉은 색에서 푸른색 - 수용성 염기 용액은 전기를 통한다

산-염기의 특성

2HCl (

aq

s

aq

g

l

aq

s

aq

g

일양성자산

HCl H

+ Cl

HNO

H

+ NO

CH

COOH H

+ CH

COO

강전해질, 강산 강전해질, 강산 약전해질, 약산

이양성자산

H

SO

H

+ HSO

HSO

H

+ SO

강전해질 약전해질

삼양성자산

H

PO

H

+ H

PO

H

PO

H

+ HPO

HPO

H

+ PO

약전해질 약전해질 약전해질

강산과 약산의 몇 가지 예

산-염기 반응 :

강산 + 강염기 염 + 물

HCl (aq) + NaOH (aq) NaCl (aq) + H

O H

+ Cl

+ Na

+ OH

Na

+ Cl

+ H

O

H

+ OH

H

O

중화 반응(neutralization reaction)은 산과 염기 사이의 반응이다.

강산 + 강염기 반응

18

약산 + 강염기 염 + 물

HCN (aq) + NaOH (aq) NaCN (aq) + H

O HCN + Na

+ OH

Na

+ CN

+ H

O

HCN + OH

CN

+ H

O

산-염기 반응

약산 + 강염기 반응

기체 형성 반응

산 + 염기 염 + 물 + 기체

2HCl (aq) + Na

CO

(aq) 2NaCl (aq) + H

O +CO

2H

+ 2Cl

+ 2Na

+ CO

2Na

+ 2Cl

+ H

O + CO

2H

+ CO

H

O(l) + CO

(g)

탄산염, 탄산 수소 염, 아황산염, 황화물과 같은 염들은 산과 반응하여 기체를 생성한다.

3 2 2

NaHCO (aq) + HCl(aq)  → NaCl(aq) + H O(l) +CO ( ) g

탄산 수소 염 아황산염

황화물

2 3 2 2

Na SO (aq) + 2HCl(aq)  → 2NaCl(aq) + H O(l) +SO ( ) g

2 2

K S(aq) + 2HCl(aq)  → 2 Cl(aq) + H S(g) K

생 활 속 의 화 학

바람직하지 않은 침전 반응

• 석회석(CaCO₃)은 물에 녹지 않지만 물에 녹은 CO₂가 존재하면 탄산 수소 칼슘(Ca(HCO₃)₂)를 형성

• 탄산 수소 이온과 칼슘 이온이 녹아있는 용액을 가열하면 CaCO₃ 침전 형성. CO₂ (

aq

• 이 고체 침전은 보일러,파이프, 주전자 등에 쌓이는 스케일의 주성분이 되어 때로 관을 막히게 함

염산을 소량 첨가하는 방법으로 스케일 제거 가능

CaCO₃(s) + 2HCl(aq) CaCl₂(aq) + H₂O + CO₂(g) Ca²⁺ (

aq

aq

s

aq

l

s

aq

l

aq

aq

4.4 산화-환원 반응

21

• 산화-환원 반응: 전자 이동 반응 예: 연소 반응, 표백제, 금속의 제련

산화 반쪽 반응 (e^- 상실) 환원 반쪽 반응 (e^- 얻음) 2Mg 2Mg²⁺ + 4e^-

O₂ + 4e^- 2O2-

2Mg(s) + O₂(g) 2MgO(s)

반쪽 반응

22

산화(oxidation): 어떤 물질, 즉 원소, 화합물, 또는 이온이 하나 이상의 전자를 잃는 것

환원(reduction): 어떤 물질, 즉 원소, 화합물, 또는 이온이 하나 이상의 전자를 얻는 것

산화제(oxidizing agent): 다른 원소를 산화시키는 물질로 작용

환원제(reducing agent): 다른 원소를 환원시키는 물질로 작용

Zn (s) + CuSO₄ (

aq

Zn Zn²⁺ + 2e^-

Cu²⁺ 환원 Cu²⁺ + 2e^- Cu

Zn 환원제

Cu²⁺ 산화제

23

24

산화수(Oxidation number)

Zn (s) + CuSO₄ (

aq

0 +2 -2 +2 -2 0

H₂ (g) + Cl₂(

g

0 0 +1 -1

25

산화수 결정 방법:

1. 자유 원소(화합물이 아닌 상태)의 각 원자는 산화수 0 Na, Be, K, Pb, H₂, O₂, P₄ = 0

2. 한 원자만을 포함하는 이온의 산화수는 이온의 전하수와 동일 Li⁺, Li = +1; Fe³⁺, Fe = +3; O^2-, O = -2

3. 산소의 산화수는 대부분 –2. 예외) H₂O₂ , O₂^2- –1

4. 수소의 산화수는 +1. 예외) 이성분 화합물에서 금속과 결합하는 경우 산화수 –1

5. 1족 금속 +1, 2족 금속 +2, fluorine(F)는 항상 –1

26

6. 중성 분자에서 모든 원자들의 산화수의 합은 0, 다원자 이온에서 이온에 대한 모든 원소의 산화수의 합은 이온의 알짜 전하와 동일

7. 산화수는 항상 정수 값만 갖는 것이 아니다. 초과산화 이온 (superoxide ion, O₂^-) –½

-2 +1 x

H₂SO₃

x = +4

2(+1) + x + 3(-2) = 0 (순 전하)

HCO₃^- -2

+1 x x = +4

(+1) + x + 3(-2) = -1 (순 전하)

27

화합물 내에서 각 원소의 산화수

A + B C

1. 결합 반응(Combination Reaction): 둘 이상의 물질이 결합하여 하나의 생성물을 만드는 반응

2. 분해 반응(Decomposition Reaction): 한 화합물이 둘 이상의 성분 물질로 나뉘는 반응

3. 연소 반응(Combustion Reaction): 물질이 산소와 반응하여 열과 빛을 내는 반응

산화-환원 반응의 형태

2HgO(s) 2Hg(l) + O₂(g)

+2 -2 0 0

C A + B

S + O^{0 0} ₂ SO₂

+4 -2

2 3

2 Al s ( ) 3 + Br l ( )  → 2 AlBr

4. 치환 반응(Displacement Reaction): 화합물의 한 이온(원자)가 다른 이온(원자)에 의해 치환되는 반응

a. 수소 치환, b. 금속 치환, c. 할로젠 치환

5. 불균등화 반응(Disproportionation): 한 원소가 같은 산화 상태에서 동시에 산화 및 환원되는 반응

산화-환원 반응의 형태

BC + A AC + B

Ca(s) + 2H₂O Ca(OH)₂ + H₂

TiCl₄ + 2Mg Ti + 2MgCl₂ 수소 치환

금속 치환

0 +1 +2 0

0

+4 0 +2

치환 반응의 종류

알칼리 금속과 몇 가지 알칼리 토금속은 찬물에서도 수소를 치환시킨다

금속의 활성도 (전기화학적) 계열에 따라 금속 치환 반응이 일어난다.

할로젠 치환

F₂ > Cl₂ > Br₂ > I₂

Cl⁰ ₂ + 2KBr 2KCl + Br₂

-1 -1 0

31

금속의 활성도 계열 (activity series)

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

• 활성도 계열은 금속의 치환반응의 결과를 요약한 것이다.

M + BC MC + B M : 금속

BC : 산 또는 H₂O B : H₂

Ca + 2H₂O Ca(OH)₂ + H₂ Pb + 2H₂O Pb(OH)₂ + H₂

4.5 용액의 농도

32

농도(concentration) : 주어진 용액 또는 용매의 양에 대한 용질의 양

몰농도(molarlity, molar concnetration): 화학에서 가장 널리 사용되는 농도로 용액 1L에 녹아있는 용질의 몰 수

• 몰농도는 세기 성질이므로 용액의 양과 무관

용액의 리터수

mol

=

4.7

농도가 2.16M인 용액 250mL를 만드는데 필요한 (K

Cr

O

) 의 그램수를 계산하시오?

A K

Cr

O

solution.

4.7

2 2 7

2.16 2.16

0.250 x K Cr O M mol

L L

= =

묽힘(Dilution) : 진한 용액을 가지고 묽은 용액을 제조하는 과정 희석 전 용질의 몰 수 = 희석 후 용질의 몰 수

묽힘 용매 추가

묽힘 전의 용질의 몰수 (i)

묽힘 후의 용질의 몰수 (f)

=

M

V

= M

V

4.6 무게 분석

36

무게분석 (gravimetric analysis, 또는 중량분석): 질량 측정에 기초를 두고 있는 분석 기술.

순서:

[혼합물] -> [홑원소 물질 또는 화합물] -> [질량 측정]

참고: 질량분석 : 기체 형태의 원자 또는 분자를 이온화 시켜 그

질량과 전하의 비에 따라 자기장이나 전기장에 휘는 정도의 차이를

이용하여 각각 분리하여 분석하는 방법.

37

무게 분석의 예

질량을 알고 있는 NaCl 중 Cl

의 질량 백분율

1. NaCl의 질량을 정확히 측정하고 물에 용해

2. NaCl 용액에 충분한 AgNO₃ 용액을 가하여 이 용액 중에 존재하는 모든 Cl^- 이온을 침전시킴

3. AgCl 침전물을 여과하여 용액으로부터 분리하고 건조시킨 다음 질량을 측정

AgNO₃ (

aq

aq

s

aq

4.7 산-염기 적정

적정(titration): 농도를 정확하게 알고 있는 용액인 표준 용액(standard solution)을 미지의 다른 용액에 두 용액간의 반응이 완전히 이루어질 때까지 서서히 첨가하여 미지 용액의 농도를 구하는 실험

일차표준물질: 순도가 높고 용액을 만들었을 시 무게 오차가 적어 예상한 농도와 거의 동일한 농도의 용액을 만들 수 있는 물질

당량점(Equivalence point) : 산이 염기에 의해 완전히 반응되는 점

지시약(Indicator ) : 산성과 염기성 용액에서 각기 현저히 다른 색을 띠는 물질

종말점(endpoint) : 지시약의 색이 변할 때 측정한 부피

산-염기 적정 실험

뷰렛을 이용하여 삼각 플라스크의 KHP 용액에

NaOH 용액을 가한다.

당량 점에 도달하면 진분홍색이 나타난다

1 몰 KHP = 204.2 g

프탈산, 일차표준 물질

용질의 몰수 몰농도= 용액의 리터수

1M KHP =100mL

NaOH = 37mL

4.8 산화-환원 적정

40

산화-환원 적정(redox titration): 환원제(산화제)가

산화제(환원제)에 의해 완전히 산화(환원)될 때 당량점에 도달

• 산화-환원 적정에서 지시약은 산화,환원 상태에 따라 색깔이

현저히 다르기 때문에 당량점에서의 급격한 색깔 변화로 당량점 확인 가능

(예: 잘 알려진 두 가지 산화제로는 과망가니즈산 포타슘(KMnO₄)과 중크로뮴산 포타슘 (K₂Cr₂O₇)은 각각 환원될 때 색깔이 변화되므로 스스로 산화-환원 적정시 내부 지시약으로 사용 가능)

MnO₄^- Mn²⁺ Cr₂O₇2- Cr³⁺

산화-환원 적정 실험

41

용질의 몰수

몰농도= 용액의 리터수