수용액 반응4

A bag of mostly water- Star Trek -

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Collision

Rareness No mobility

Solution is the solution.

단지 140억년 만에 이모든 것이 이루어졌다고? Solution is the solution.

수용액의 일반적인 성질

용액(Solution): 두 가지 이상의 물질이 섞여 있는 균일혼합물

용매(Solvent): 균일혼합물에서 가장 많이 있는 물질

용질(Solute): 균일혼합물에서 적게 존재하는 물질. 용매 이외의 것

용액 용매 용질

탄산음료 (l) H2O 설탕, CO2

공기 (g) N2 O2, Ar, CH4

납땜(s) Pb Sn

수용액(Aqueoussolution)

A bag of mostly water- Star Trek -

풍부한 물-> 다양한 종류의 화학반응-> 다양한 물질

왜 “물”이어야 할까?

용액(Solution)

수용액의 일반적인 성질 물:Universal solvent

물이 왜 중요? • 물은 많은 종류의 물질을 녹일 수 있다.• 알려진 것 중 가장 좋은 “Universal Solvent”

* Universal solvent: 산과 염기모두 녹일 수 있는 물질

물은 그 극성으로 인해 이온화합물 그리고 극성 분자와 인력이 잘 작용한다.

수화(Hydration) 또는 용해화(Solvation): 이온이 물로 둘러 쌓이는 과정

Ethanol Like dissolves Like.

분자

NaCl(s) → Na+(aq) + Cl-(aq)

H2O

이온화합물

수용액의 일반적인 성질

물이 왜 중요? • 물은 많은 종류의 물질을 녹일 수 있다.• 알려진 것 중 가장 좋은 “Universal Solvent”

* Universal solvent: 산과 염기모두 녹일 수 있는 물질

물은 그 극성으로 인해 이온화합물 그리고 극성 분자와 인력이 잘 작용한다.

수화(Hydration) 또는 용해화(Solvation): 이온이 물로 둘러 쌓이는 과정

Ethanol Like dissolves Like.

분자

NaCl(s) → Na+(aq) + Cl-(aq)

H2O

이온화합물 그리고 ….. 생명에의 중요성

물이 액체 상태로 있을 수 있는 온도범위 (0oC ~ 100oC).

얼음의 밀도가 물의 밀도보다 낮아얼음이 물 위에 뜬다.

물:Universal solvent

수용액의 일반적인 성질 용질: 전해질과 비전해질

Arrhenius의 가설: 용액의 전도도는 용액에 녹아있는 이온의 수에 비례한다. (학계에서 처음(1880s)에는 인정하지 않았으나 후(1890s)에 인정)

용질

전해질(Electrolyte)은 물에 녹았을 때, 용액이 전기를 통하게 한다.

비전해질(Nonelectrolyte)은 물에 녹아도 용액이 전기가 통하지 않는다.

수용액의 일반적인 성질전해질: 강전해질과

약전해질

강전해질(Strong electrolytes) – 용매에 녹았을 때 100% 해리되어 양이온과 음이온을 내어 놓는 물질

이온화합물(Ionic compounds)

강산(Strong acids) – 물에서 100 % 해리되어 H+ 이온과 짝염기(음이온)을 내어 놓는다.

NaCl(s) → Na+(aq) + Cl-(aq)H2O

HCl → H+(aq) + Cl-(aq)H2O

HNO3 → H+(aq) + NO3-(aq)

H2O

H2SO4 → H+(aq) + HSO4-

(aq)

H2O

강염기(Strong bases) – 물과 완전히반응하여 OH- 이온과 짝산(양이온)을 내어놓는다.

NaOH → Na+(aq) + OH-(aq)H2O

KOH → K+(aq) + OH-(aq)H2O

(Sugar)

수용액의 일반적인 성질전해질:

강전해질과 약전해질

(Sugar)

약전해질(Weak electrolytes) – 용매에 녹았을 때, 100 % 해리되지 않는 물질

약산(Weak acids) – 물에서 약간만 해리되어 H+ 이온과 짝염기(음이온)을 내어 놓는다.

←

NH3(aq) + H2O(l)

← → NH4+(aq) + OH-(aq)

비전해질(Nonelectrolytes) – 용매에 녹았을 때 해리가 전혀 일어나지 않는다.

C12H22O11 → C12H22O11(aq)H2O

녹지 않는 물질- 용질이 아님

CH3COOH(aq) → H+(aq) + CH3COO-(aq)

약염기(Weak bases) – – 물과 약간만 반응하여 OH- 이온과 짝산(양이온)을 내어 놓는다.

←

화학반응의 종류

침전 반응(Precipitation reaction): 녹지 않는 생성물(침전)을 만들어 내는 반응

K2CrO4(aq) + Ba(NO3)2(aq) → BaCrO4(s) + 2KNO3(aq)

산화-환원 반응(Oxidation-reduction reaction): 물질들 사이의 전자전달 반응

CH4(g) + 2O2(g) → CO2(g) + 2H2O(g)

hydrated methane

산-염기 반응(Acid-base reaction): 산과 염기 사이의 반응

NaOH(aq) + HCl(aq) → NaCl(aq) + H2O(l)

침전 반응(Precipitation Reaction)

침전 반응(Precipitation reaction): 녹지 않는 생성물(침전)을 만들어 내는 반응

Pb(NO3)2(aq) + 2 KI(aq) → PbI2(s) + 2 KNO3(aq)

2 KNO3(aq)

침전 반응

용해도(Solubility): 일정한 온도에서 일정한 용매량에 녹는 물질의 양

불용성 물질: 용해도가 0.01 mol/L 이하

이온화합물의 용해도 규칙

Ex) 가용성, 불용성 ?

Na2CO3: 가용성 PbSO4: 불용성

침전 반응

교환 반응(Exchange reaction), 복분해 반응(Metathesis reaction): 두 가지 반응물중 양이온들이 음이온들을 서로 교환하는 반응

교환(복분해) 반응

Ex) Mg(NO3)2(aq) + 2 NaOH(aq) → Mg(OH)2(s) + 2 NaNO3(aq)

BaCl2(aq) + K2SO4(aq) → BaSO4(s) + 2 KCl(aq)

AX+ BY → AY + BX

AgNO3(aq) + KCl(aq) AgCl(s) + KNO3(aq)

복분해 반응의 균형을 맞추기

1. 반응물의 화학식을 사용하여, 어떤 이온이 존재하는지 결정2. 생성 가능한 이온화합물의 조합 찾기3. 조합 중 불용성 찾기4. 반응식의 균형 맞추기

Pb(NO3)2(aq) + 2 KI(aq) → PbI2(s) + 2 KNO3(aq)

침전 반응 이온 반응식

Pb(NO3)2(aq) + 2 KI(aq) → PbI2(s) + 2 KNO3(aq)

분자반응식(Molecular formula)에서는 반응물과 생성물의 모든 화학식을 나타낸다. (분자 형태로 나타낸다.)

이온반응식(Ionic equation)에서는 반응 혼합물에서 발견되는 화학종을 좀 더 정확하게 나타낸다.

Pb2+(aq) + 2 NO3-(aq)+ 2 K+(aq) + 2 I-(aq) → PbI2(s) + 2 K+(aq) + 2 NO3

-(aq)

구경꾼 이온(Spectator ion): 반응에 참여하지 않는 이온(NO3-, K+)

알짜 이온반응식(Net ionic equation): 실제 반응에 참여한 화학종만 표시

Pb2+(aq) + 2 I-(aq) → PbI2(s)

분자 반응식: AgNO3(aq) + NaCl(aq) → AgCl(s) + NaNO3(aq)

이온반응식:Ag+(aq) + NO3

-(aq) + Na+(aq) + Cl-(aq) → AgCl(s) + Na+(aq) + NO3-(aq)

알짜 이온반응식: Ag+(aq) + Cl-(aq) → AgCl(s)

구경꾼 이온: Na+, NO3-

산-염기 반응

산-염기 반응(Acid-base reaction): 산과 염기 사이의 반응

NaOH(aq) + HCl(aq) → NaCl(aq) + H2O(l)

산, 염기의 정의

산(Acid) 염기(Base)

Arrhenius H+ 를 생성 OH- 를 생성 수용액에서만 정의 됨

Brønsted-Lowry H+ 주개 H+ 받개 수용액, 비수용액에서 모두 정의 됨

Lewis e- 쌍(pair) 받개 e- 쌍(pair) 주개1

HCl(aq) → H+(aq) + Cl-(aq)HNO3(aq) → H+(aq) + NO3

-(aq)CH3COOH(aq) → H+(aq) + CH3COO-(aq)←

산, 염기의 정의

산-염기 반응 산, 염기의 세기

HCl(aq) → H+(aq) + Cl-(aq)

HNO3(aq) → H+(aq) + NO3-(aq)

CH3COOH(aq) → H+(aq) + CH3COO-(aq)

일양성자산(monoprotic acid), 이양성자산(diprotic acid)

←

시트르산

(citricd acid)

강산(Strong acids) – 물에서 100 % 해리되어 H+ 이온과 짝염기(음이온)을 내어 놓는다.강염기(Strong bases) – 물과 완전히 반응하여 OH- 이온과 짝산(양이온)을 내어 놓는다.약산(Weak acids) – 물에서 약간만 해리되어 H+ 이온과 짝염기(음이온)을 내어 놓는다.약염기(Weak bases) – – 물과 약간만 반응하여 OH- 이온과 짝산(양이온)을 내어 놓는다.

Ex) 산의세기 HY > HZ > HX

산-염기 반응 산, 염기의 세기

주의: 이 표에서 강염기는 이온성 화합물에 속함, 불용성 이온화합물이라도 물에 녹으면 100% 양이온, 음이온으로 해리되어 강전해질로 분류

산-염기 반응 중화반응과 염

중화반응(Neutralization reaction): 산과 염기가 반응하여 염(salt)과 분자화합물을생성하는 반응. 수용액에서는 물이 같이 생성될 수 있다.

HCl(aq) + NaOH(aq) → H2O(l) + NaCl(aq)

염(Salt): 이온결합화합물

산 + 염기 → H2O(l) + 염

이온반응식: H+(aq) + Cl−(aq) + Na+(aq) + OH−(aq) Na+(aq) + Cl−(aq) + H2O(l)

알짜이온반응식: H+(aq) + OH−(aq) H2O(l)

산-염기 반응 중화반응과 염

분자반응식

알짜 이온반응식: Mg(OH)2(s) + 2H+(aq) → Mg2+(aq) + 2 H2O(l)

산-염기 반응 기체 생성을 하는 중화반응

황화 이온(sulfide ion)과 탄산 이온(carbonate ion)은 H+와 반응하여 기체 생성

2 HCl(aq) + Na2S(aq) → H2S(g) + 2 NaCl(aq)

알짜 이온반응식: 2 H+(aq) + S2-(aq) → H2S(g)

2 HCl(aq) + NaHCO3(aq) → H2CO3(g) + NaCl(aq)

H2O(l) + CO2(g)

분자 반응식: 2 HCl(aq) + NaHCO3(aq) → NaCl(aq) + H2O(l) + CO2(g)

알짜 이온반응식: H+(aq) + HCO3-(aq) → H2O(l) + CO2(g)

산화-환원 반응(Redox reaction)

산화-환원 반응(Oxidation-reduction reaction): 물질들 사이의 전자 전달 반응

CH4(g) + 2O2(g) → CO2(g) + 2H2O(g)

Na(s) Cl2(g) NaCl(s)

2Mg(s) + O2(g) → 2MgO(s)

전자가 전달되었다는 것을 어떻게 판정하는가?

산화-환원 반응산화수(Oxidation number)와

형식전하(Formal charge)

형식전하(Formal charge): 화학결합을 완전한 공유결합이라고 가정하였을 때 원자의알짜 전하 수

A B

0

0

0

00C HH

H

H

형식전하 = 원자의 알짜 전하공유 전자를 반분

산화수(Oxidation number): 화학결합을 완전한 이온결합이라고 가정하였을 때 원자의알짜 전하 수

A B

+1

+1

+1

-4+1(for χA > χB)C HH

H

H

산화수 = 원자의 알짜 전하전기음성도가 큰 원자가 공유 전자를 가짐

전기음성도(Electronegativity): 어떤 원자가 결합전자쌍을 끌어 당기는 능력의 척도

산화-환원 반응 산화수(Oxidation Number)

Ex) 각 원자의 산화수?

CO2

SF6

NO3-

O: -2, C: +4

F: -1, S: +6

O: -2, N: +5

Fe3O4

O: -2, Fe: +8/3

산화-환원 반응 산화(Oxidation)와 환원(Reduction)

산화(oxidation)

환원(reduction)

Ca: 환원제(reductant, reducing agent)O2: 산화제(oxidant, oxidizing agent)

산화와 환원은 동시에 일어난다. 잃은 전자의 개수 = 얻은 전자의 개수

0 0 -2+2산화수

산화-환원 반응 산과 염에 의한 금속의 산화

A: 금속, BX: 산 또는 염 치환반응(Displacement reaction)

어떤 반응이 일어날 지어떻게 아는가?

산화-환원 반응 활동도 계열

활동도 계열(Activity series): 금속이 산화되는 용이성의 순서

Ex)

Zn(s) + 2H+(aq) → Zn2+(aq) + H2(g)

Zn(s) + 2 HBr(aq)→ ZnBr2(aq) + H2(g)

Mn(s) + Pb2+(aq) → Mn2+(aq) + Pb(s)

Mn(s) + Pb(NO3)2(aq) → Mn(NO3)2(aq) + Pb(s)

산화-환원 반응 활동도 계열

귀금속 ?

산화-환원 반응 활동도 계열

Ex) 염화 철(II) 수용액이 금속 마그네슘을 산화시킬 것인가? 만약 그렇다면, 그 반응의 균형 맞춘 분자 반응식과 알짜 이온반응식을 쓰시오.

FeCl2(aq) + Mg(s) → ?

알짜 이온반응식:Fe2+(aq) + Mg(s) → Mg2+(aq) + Fe(s)

분자 반응식:FeCl2(aq) + Mg(s) → MgCl2(aq) + Fe(s)

용액의 농도 몰농도

농도(Concentration): 일정량의 용매 또는 용액에 녹아있는 용질의 양

(L)

(mol) (M)

부피용액의

몰수용질의몰농도

몰농도(Molarity): 용액 1L에 녹아있는 용질의 양

1.00M CuSO4 용액0.250 L 만들기

용액의 농도 몰농도

Ex) 23.4g 황산소듐(Na2SO4)을 충분한 물에 녹여125 mL 용액을 만들었다. 용액의 몰농도?

Ex) 0.025 M 질산칼슘(Ca(NO3)2) 수용액에 녹아있는 각 이온의 몰농도?

Ca(NO3)2 → Ca2+(aq) + 2NO3-(aq)

Ca2+: 0.025 M NO3

-: 0.050 M

Ex) 0.500 M Na2SO4의 0.350 L를 만들기 위해필요한 Na2SO4의 질량?

용액의 농도 용액 묽히기

희석 전 용질의 몰수 ＝ 희석 후 용질의 몰수

1.00 M CuSO4를 희석하여 0.100 M CuSO4 250 mL 만들기

Mc Vc = Md Vd

Ex) 0.10 M H2SO4 450 mL를 만들 때 필요한 3.0 M H2SO4은 몇 mL?

용액의 화학량론과 화학 분석

Ex) 25.0 mL 0.100 M HNO3 용액을 완전히 중화시키기 위해 필요한 Ca(OH)2 의 질량 ?

화학반응식 => 반응물과 생성물의 비율 => 몰 수 => 질량

용액의 화학량론과 화학 분석 적정

적정(Titration): 표준용액을 사용하여 용질의 농도를 결정하는 방법

표준용액(Standard solution): 용질의 농도를 정확히 알고 있는 용액

표준용액 만들기

1. Stock solution (농도가 진한 용액)

2. 묽히기 Mc Vc = Md Vd

용액의 화학량론과 화학 분석 적정

적정(Titration): 표준 용액을 사용하여 용질의 농도를 결정하는 방법

산-염기 반응, 침전 반응, 산화-환원 반응을 이용하여 적정

당량점(Equivalent point): 미지 농도의 용액에 있는 용질의 몰수와 넣어주는 표준용액에 있는 용질의 몰수가 같은 점

산-염기 적정

Ex) 표준용액 NaOH 대신 같은 농도의 Ba(OH)2을 사용하면 표준 용액의 부피는 얼마로 변하는가?

용액의 화학량론과 화학 분석 적정

Ex) 감자 껍질을 벗기기 위한 상업적 방법으로, 감자를 NaOH 용액에 짧은 시간 담근 다음 물로씻으면 대량으로 감자 껍질을 쉽게 벗길 수 있다. 이때 NaOH는 보통 3 ~6M 농도 용액을 사용하고, 정기적으로 용액의 농도를 검사해야 한다. 분석에서 45.7 mL 0.500 M H2SO4 용액의완전한 중화에 20.0 mL NaOH 용액을 사용하면, NaOH 용액의 농도는 얼마인가?

1 mol H2SO4 2 mol NaOH

용액의 화학량론과 화학 분석 적정

Ex) 인산포타슘(K3PO4) 시료 70.5 mg을 0.050 M 질산은(AgNO3) 용액 15.0 mL에 첨가하여 침전물을 만든다. (a) 분자 반응식을 쓰시오. (b) 한계 반응물은 어느 것인가? (c) 침전물 생성의 이론적 수득량을 그램으로 계산하시오.

(a) 분자 반응식

(b) 한계 반응물

(c) 침전물 생성의 이론적 수득량

K3PO4(aq) + 3 AgNO3(aq) → Ag3PO4(s) + 3 KNO3(aq)