Chapter 01 화학의 이해

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Chapter 01 화학의 이해

1.1 화학의 본질

1.2 문제 해결을 위한 과학적 접근법 1.3 물체의 입자적 성질

1.4 물체의 분류

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Semiconductor Chemistry

2019 Spring Copyright by DH Lee Dept. of SCEE, KDU

SCEE

1.1 화학의 본질 – 화학의 정의와 화학을 공부하는 것이 왜 중요한지를 말할 수 있다

1.2 문제 해결을 위한 과학적 접근법 – 과학적인 방법에 포함되는 단계들을 서술할 수 있다 1.3 물체의 입자적 성질 – 물체의 상태를 포함하여 물체의 특성을 서술할 수 있다

1.4 물체의 분류 – 순물질, 균일 혼합물, 불균일 혼합물을 구별할 수 있다

학습 목표

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• 화학 – 물체(Matters, 물질; Substances)의 과학

. 물체는 공간(Space)에서 일정한 질량과 부피를 차지하는 존재

. 물체를 나타내는 물리량(Representing Physical Quantities of Substances) 1) 질량(Mass)

2) 체적(부피, Volume)

. 화학에서 취급하는 물질의 내용

1) 조성(Content, Composition) 2) 구조(Structure, 결합; Bond)

3) 성질(Chemical/Physical Properties) 4) 반응(Chemical Reaction)

5) Energy의 변화(Energetics)

. 화학이 가지는 기능 – 화학자가 수행하는 연구

- 실험(Experiments), 자료 해석(Analysis), 새로운 물질의 합성(Synthesis)

. 화학의 간단한 정의

- 물체의 조성과 물체에서 일어나는 조성의 변화를 다루는 과학

1.1 화학의 본질

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Figure 1.1 물과 그 구성 분자

• 화학자 (화학자처럼 생각하기)

. 어떻게, 왜 화학적 변화가 인간의 몸과 자연에서 발생하는가? (연구)

. 눈으로 관찰이 가능한 거시적(Macroscopic) 세계를 설명하려고 노력

. 육안(Naked Eyes)으로 볼 수 없는 미시적(Microscopic) 관점, 요소로서 거시적 세계를 해석/이해

. 미시적 세계는 원자나 분자와 같이 눈으로 볼 수 없는 작은 요소들로 구성

. 예시: 물에 대한 미시적인 관점 ☞ Figure 1S.1 in p3

하나의 물 분자(H2O)는 2 개의 수소, 1 개의 산소 원자로 구성, 각 원자들은 특별한 배열로 서로 연결(결합; Bonds)되어 있는데 2 개의 O-H 결합 형성

심화 예제 1.1 in p3

8 개의 산소 원자와 15 개의 수소 원자가 있다. 이것으로부터 몇 개의 물 분자를 만들 수 있는가?

풀이

위 물 분자 모형에서 볼 수 있듯이 1 개의 물 분자는 1 개의 산소 원자와 2 개의 수소 원자를 포함한다. 따라서 8 개의 산소 원자로부터 8 개의 물 분자를 만들 수 있지만 그러기 위해서는 수소 원자가 16 개 필요한데 , 수소 원자가 15 개 밖에 없으므로 만들 수 있는 물 분자는 7 개이다.

실습 문제 1.1 in p3

10 개의 수소 원자와 8 개의 산소 원자를 가지고 있다. 이것으로부터 몇 개의 물 분자를 만들 수 있는가?

Figure 1S.1 물 분자를 이루는 2 개의 O-H 결합

1.1 화학의 본질 (계속)

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• 일상에서 겪는 문제를 해결하기 위한 논리적 방법

☞ RA(Reading Assignment) p4 1) 문제에 대한 관찰(Observation)

2) 가설(Hypothesis) 세우기 3) 실험(Experiment) 수행

• 과학적 방법(Scientific Method)

. 과학자는 주변의 세계를 설명하기 위해 논리적 과정을 이용 1) 의문 사항과 연관된 사실과 자료 수집

2) 가설 설정(설명);

증명을 위한 추가 실험이 요구되는 자료의 잠재적 설명 3) 가설을 증명할 수 있는 추가 실험 계획/수행

의문과 연관된 경향을 찾기 위해 결과 자료 분석 4) 필요한 경우 가설 수정/보완

* 유용한 가설은 모든 자료를 설명할 수 있어야 한다

* 잘 세워진 가설은 이론(Theory, 법칙; Law)이라고 부른다 이론은 이미 여러 번 반복된 실험으로 입증되어 가설을 요약, 틀렸음을 입증하는 어떠한 근거도 발견되지 않는 한 유효

* 과학 법칙(Scientific Law)이란 자연현상에 관한 설명으로 주어진 조건에서 어떤 예외도 없다

1.2 문제 해결을 위한 과학적 접근법

Figure 1.2 과학적 방법

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• 물질의 구성

. 거시적(Macroscopic)으로 보이는 물질의 상태는 근본적으로 물질의 미시적(Microscopic) 구성에 의해 이루어진다

. 물체(Matter), 혹은 물질(Substance)은 다양한 형태를 가지고 있지만, 미시적^*1으로 보면 모든 물체가 원자(Atom)라고 불리는 매우 작은^*2 기본적인 입자로 불연속적으로 구성 ☞ Figure 1.4 in p6

*1 주사/투과 전자 현미경(SEM; Scanning/Transmission Electron Microscope로 물체를 수 백만배로 확대하여 관찰 가능

*2 원자는 매우 작은 10^-10 m ( = Å ngström ; Å ) 크기의 물질의 기본 구성 요소 e.g. Silicon의 원자 간 거리 aSi = 5.431 Å

. 원소(Element)

^*3

- 원자와 유사한 의미이지만 서로 종류가 다른 원자를 구별하는 용어

- 원자는 ‘입자’라는 의미를 내세울 때 사용하며, 원소는 물질을 구성하는 성분으로서 원자의 종류를 구별하기 위해 사용

- 원자의 구성

양성자(Proton), 중성자(Neutron)로 이루어진 핵(Nucleus)과 그 주위를 도는 전자(Electron)로 구성

*3 Chapter 3 ‘원소와 화합물’에서 상세히 다룬다

1.3 물체의 입자적 성질

Figure 1.4 Silicon 원자의 주사 전자현미경 사진 핵

Figure 1S.1 원자의 구성 입자

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• 물체의 물리적 상태(State)

. 3 가지 상태; 고체(Solid), 액체(Liquid), 기체(Gas) + Plasma(제4의 상태)

. 상태의 차이의 근본적 원인 – 원자나 분자간 결합력의 차이 ☞ Figure 1S.2 (b)

1) 고체

. 고체의 결정(Crystal)과 결정성(Crystalline, Crystallinity)

- 고체가 가지는 규칙적이고 반복적인 기하학적 3차원 정형(Pattern) e.g. 소금(NaCl)의 결정성 ☞ Figure 1.6 in p7, Figure 1.S2 (a)

- 비결정성(Noncrystalline, Amorphous) ↔ 결정성

일정한 모양이나 형태가 없다 (규칙성이나 반복성이 없는 무질서한 원자 배열) e.g. 유리 속 Silicon과 산소의 원자 배열

2) 액체

. 담는 용기에 따라 모양이 변화하므로 고유의 정해진 형태를 가지지 못하지만 확실한 부피를 가진다

. 입자들은 서로 잡아 당길 수 있을 만큼 가까이 있지만, 다른 입자 주변을 돌아다닐 수 있을 만큼 거동이 자유롭다

1.3 물체의 입자적 성질

Figure 1.6 소금의 결정

Figure 1S.2 (a) 고체 내의 원자의 규칙적인 배열, (b) 결정 구조 내 원자들의 용수철 모형

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• 물체의 물리적 상태

^(계속)

3) 기체

. 고정된 모양이 없으며 부피 또한 명확하지 않다

. 기체 입자는 거의 독립적으로 움직이며 (입자 간 인력이 약하므로) 상대적으로 충분한 거리를 두고 떨어져 있어서, 주변 압력의 영향에 따라 고체나 액체보다 상대적으로 훨씬 더 쉽게 응축, 팽창할 수 있다

e.g. 대표적인 고/액/기상 상(相)변화의 예 – H2O(얼음, 물, 수증기)

☞ Figure 1.5 in p6

4) Plasma

. 기체와 유사한 성질을 가지나 전기를 통하는 성질을 지니며, 자기장의 영향을 쉽게 받는 Ion이나 전자 등의 대전 입자로 구성된 복합 물질로서 온도가 매우 높은 상태에서 존재

e.g. 태양, 별, Aurora, 형광등 속의 기체와 같이 증기 상태로 발광하는 물질 등

1.3 물체의 입자적 성질 (계속)

고체 물 분자들은 매우 단단하게 결합되어 있으 며 분자간 매우 가깝게 붙어 있다.

Figure 1S.3 극 지방에서 관찰되는 Aurora

Figure 1S.4 실험실에서 생성된 Plasma의 사진 Glow Discharge

(Plasma)

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• 물체(Matter)와 물질(Substance)

^*1

*1 Section 1.3에서는 ‘물체’와 ‘물질’을 구별하지 않고 사용

. ‘물체’와 ‘물질’

전자가 공간에서 차지하는 질량과 부피에 관점을 두는 용어인 반면, 후자는 물체 내부를 이루는 구성 요소에 더 관점

. 교재에서의 정의 ☞ Reading Assignment p8

“성분비(조성; Composition)가 일정하게 고정되어 있는 특별한 종류의 물체”

. 용어 ☞ Figure 1.7 in p9 & RA p8-10

1) (순)물질(Pure Substances) vs. 혼합물(Mixture)

e.g. Beaker 속 물과 한 숟가락의 설탕 ☞ Figure 1S.5 in p9, RA Box in p9

1.4 물체의 분류

Figure 1S.5 화합물과 혼합물

화합물(순물질) 뷸균일 혼합물 (용액) 균일 혼합물 (용액) ↓

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SCEE

• 물체와 물질

^(계속)

. 용어 (계속)

2) 원소(Element), 단일 원소 vs. 화합물(Compound) ☞ Refer to Chapter 3 ‘원소와 화합물’

e.g. 탄소(Carbon, 원소 기호; C)의 단일 원소 물질

흑연(Graphite), 금강석(Diamond), Graphene, Fullerene 등^*1 ☞ Figure 1S.6

* 동질이상(同質異像; 동질多상, Polymorphism)

- 화학 조성이 같은 물질이 다른 결정 구조를 갖는 것 ☞ Figure 1S.6 & 1S.7

- 자연계에는 탄소 이외에도 많은 물질에 동질이상의 예가 존재

e.g. 철(Iron, Fe), 주석(Tin, Sn)의 경우 온도에 따라 구조가 다른 a, b 상으로 존재

1.4 물체의 분류 (계속)

Figure 1S.6 탄소의 결정질 상태의 동질이상

(a) 금강석(Diamond), (b) 흑연(Graphite)

(a) (b)

Figure 1S.7 탄소 거대 분자(Macromolecules)의 동질이상 (a) Fullerene (“Bucky Ball”), (b) Graphene

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• 물체와 물질

^(계속)

. 용어 (계속)

3) 혼합물 vs. 화합물

구성 성분 사이의 화학적인 변화 여부로 구별

4) 균일(균질, Homogeneous) vs. 불균일(불균질, Inhomogeneous) - 균일 물질은 외형적 단일 형태, 전체적 동일한 성질

- 불균일 물질은 물리적 구별 가능한 두 가지 이상의 상(相, Phase)으로 구성

불균일 혼합물은 어느 부분에서 Sample을 채집하는가에 따라 조성이 달라진다 ☞ Figure 1S.8 복습 질문 6 in p12

e.g. 얼음이 떠 있는 물, 기름과 물, 포도주와 물의 경계

☞ Experiment ; Separation of 2 Phases – Alcohol(Wine) & Water ☞ Movie Clip 01-1 Wine Droplets

5) 상(相; Phase)

물리학적 경계에 의해 다른 부분으로부터 분리된 계(界; System) 내의 균일한 부분

6) 계(界; System)

실험자나 관측자가 연구나 관찰의 대상으로 고려하고 다루는 일체의 물체

1.4 물체의 분류 (계속)

Figure 1S.8 불균일 혼합물

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SCEE

• 물체와

^물질

. 용어 (계속)

7) 용액(Solution), 용매(溶媒; Solvent), 용질(Solute) - 용매(모 원자, Solvent or Host Atoms), 용질(Solute)

어떤 원소에 다른 원소를 섞어 만든 혼합물을 만들 때 용액이 형성, 상대적으로 양이 많은 성분을 용매, 양이 적은 성분은 용질 e.g. 설탕물의 경우 물은 용매, 설탕은 용질

- 혼합물에서 사용하는 용어들로서, 일상 생활에서는 액체에만 사용하지만 학문적으로는 고/액/기체에 모두 사용 특히, 재료공학적으로 금속의 혼합물을 고용체(固溶體; Solid Solution)라고 부른다

- 혼합물 내 각 물질들은 고유 성질을 잃지 않으므로 적절한 물리적 수단^*1을 이용하여 분리 가능

*1 가열, 여과, 부유법, 자기장법

1.4 물체의 분류 (계속)

Figure 1S.9 자기장을 이용한 철과 황의 불균일 혼합물의 분리

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1.4 물체의 분류 (계속)

실습 문제 1.2 in p10

다음 물질들 중 순물질과 혼합물을 구별하고 판단의 이유를 말하라 (a) 식초(4% Acetic Acid + 96% 물)

(b) 염화 Sodium(소금) (c) 금

(d) 우유

연습 문제 1.1

다음 중 불균일 혼합물은?

(a) Baking Soda (b) 휘발유 (c) 포도 Juice (d) 구리덩어리 (e) 흙

연습 문제 1.2

여과(濾過; Filtration)는 다음 중 어떤 종류의 혼합물을 분리하기에 적합한가?

(a) 두 액체의 균일 혼합물 (b) 두 액체의 불균일 혼합물

(c) 액체와 고체가 섞인 불균일 혼합물