수용액에서의반응 -...

2016년도 1학기 일반화학(1) 제4장 수용액에서의 반응 1

4.1 수용액의 일반적 성질4.2 침전 반응4.3 산-염기 반응4.4 산화-환원 반응4.5 용액의 농도4.6 무게 분석4.7 산-염기 적정4.8 산화-환원 적정

수용액에서의 반응

Prof. Sang Kuk LeeDepartment of ChemistryPusan National University


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

수용액에서 용질의 구분

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

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

- 강전해질 – 100% 해리

- 약전해질 – 불완전 해리

NaCl (s) Na+ (aq) + Cl- (aq)H2O

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

가역 반응. 반응이 양방향으로 모두 일어남


3

수용액에서 용질의 구분

수용액 속에서 분자로 존재하면 비전해질이다. 그러나 어떤분자들은 수용액 속에서 스스로 분리(해리)하여 이온으로존재하는데 완전 분리되면 강전해질인 반면에 부분적(10%이하)으로 해리하면 약전해질이 된다. 이온이 수용액 속에서 안정한상태로 존재하는 이유는 물 분자에 둘러싸여 있기 때문이다.양이온은 물의 산소에 근접하며, 음이온은 수소에 근접한다.


전해질의 용해와 수화 현상

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

• 전해질이 물에 녹으면, 양이온과 음이온은 각각 물의음전하를 띤 쪽과 양전하를 띤 쪽에 의해 둘러쌓임 수화(hydration)

+

-

H2O

물은 극성 분자로서 부분적으로 전하가 나뉘어져 있으며, 산소는음전하를 수소는 양전하를 띠고 있다. 따라서 수소는 음전하를,산소는 양전하를 안정하게 한다.


4.2 침전 반응

침전반응(precipitation reaction): 가용성 반응물이 용액 중에가라앉아 불용성 고체(침전) 생성물을 만드는 과정이며, 일부의용해된 이온이 제거됨 (이중치환반응)

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

염(salt)은 수용액 속에서 분리하여 양이온과 음이온으로 존재하는데,다른 염이 섞이면 2종류의 양이온과 음이온으로 존재하며, 이 때양이온과 음이온이 결합하여 용해도가 낮은 염을 만들면 녹지 않고침전된다. 침전은 수용액 속에서 주로 가라 앉는다.


용해도

• 두 화합물의 수용액을 혼합하였을 때, 침전 생성 여부는용해도(solubility)에 의해 결정

• 용해도(solubility): 특정 온도에서 주어진 용매에 녹을 수 있는용질의 최대 양

• 가용성(적당량 용해), 미용성(약간의 용해), 불용성(전혀 용해되지않음)으로 구별

물에 얼마나 잘 녹을까? 이것은 용해도라는 기준으로 평가한다.일반적으로 용해도는 온도에 아주 민감하므로 꼭 온도를 명시하여야한다. 녹는 정도에 따라 가용성, 미용성, 불용성 등으로 구분한다.우리 자연에서 자주 보이는 석회석 동굴은 이 현상으로 생긴다.탄산가스가 존재하면 석회석은 물에 잘 녹지만(동굴), 이산화탄소가사라지면 침전(석주)한다.


용해도 규칙

용해도에 관한 일반적인 법칙은존재하지 않는다. 경험상 어떤 물질은 잘녹는다고 판단한다.


분자반응식, 이온반응식, 알짜 이온 반응식

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

Pb2+(aq) + 2 NO3-(aq) + 2 K+(aq) + 2 I-(aq)

2 K+(aq) + 2 NO3-(aq ) + PbI2 (s)

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

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

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

Pb2+(aq) + 2 NO3-(aq) + 2 K+(aq) + 2 I-(aq)

2 K+(aq) + 2 NO3-(aq ) + PbI2(s)

Pb2+(aq) + 2 I-(aq) PbI2 (s)

염의화학반응은어떤 식으로표현할까?


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 염화나트륨 반응에서의 알짜 이온 반응식을 적으시오.

AgNO3 (aq) + NaCl (aq) AgCl (s) + NaNO3 (aq)

Ag+ + NO3- + Na+ + Cl- AgCl (s) + Na+ + NO3

-

Ag+ + Cl- AgCl (s)

수용액 속에서 존재하기는 하지만, 실제로 반응에 참여하지 않는 이온을구경꾼 이온이라고 하며, 이들을 제외한 반응식을 알짜이온반응식이라고 부른다. 훨씬 간단하다.


분자반응식

이온반응식

알짜 이온반응식


생 활 속 의 화 학

바람직하지 않은 침전 반응• 석회석(CaCO3)은 물에 녹지 않지만 물에 녹은 CO2가 존재하면중탄산 칼슘(Ca(HCO3)2)를 형성

• 중탄산 이온과 칼슘 이온이 녹아있는 용액을 가열하면 CaCO3

침전 형성. CO2 (aq) 는 고온에서 기체로 날아가기 때문에 역반응은안 일어남

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

Ca2+ (aq) + 2HCO3 (aq) CaCO3 (s) + CO2 (aq) + H2O (l)

CaCO3 (s) + CO2 (aq) + H2O (l) Ca2+ (aq) + 2HCO3 (aq)

주위에서 흔히 관찰되는 자연현상을화학반응을 생각하자. 대표적인 경우가석회석(대리석)이다.스케일이 생기는이유는 이산화탄소 때문이다.

스케일


4.3 산-염기 반응

• 산의 일반적 성질

- 신맛, 식초의 신맛은 아세트산, 감귤류의 신맛은 구연산함유

- 식물 염료의 색을 변화

- 금속과 반응하여 수소 기체 발생

- 탄산염이나 중탄산염과 반응하여 이산화탄소 기체 발생

- 수용성 산 용액은 전기 전도성

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

2HCl (aq) + Mg (s) MgCl2 (aq) + H2 (g)

분필(CaCO3)과 염산 용액의 반응

산과 염기는 무엇인가? 다음에 독립적인Chapter로서 나오지만 여기서는 단순하게취급한다.

산은 금속과반응하면 수소기체를발생시킨다.

유치원 학생들의 화산실험은 무엇인가?

이온으로 존재하면전기 전도성이다.


• 염기의 일반적 성질

- 쓴 맛

- 미끈미끈한 성질, 비누가 이러한 성질을 가짐

- 식물 염료의 색을 변화

- 수용성 염기 용액은 전기를 통한다

주위에서 흔히 볼 수 있는 물질 중에서 산과 염기에 대하여 알아보자.가장 흔한 산은 식초(acetic acid)이고 염기는 가성소다(sodiumchloride, NaOH)이다. 생활에 어떤 목적으로 사용되는지를 살펴보자.이미 앞에서 설명하였지만 예전엔 짚을 태워 그 재로 만드는잿물(KOH)이 염기성이었으며, 서양에서 도입된 가성소다(NaOH)를양잿물이라고 부른다. 염기성 약품은 세척제로서 많이 활용된다.비누는 지방산과 가성소다로부터 만들어지므로 수용액에서 약한염기성을 띤다.


산-염기의 정의

• 아레니우스 (Scante Arrhenius) 정의

- 산(acid): 물에서 해리하여 수소 이온(H+)을 생성하는 물질

- 염기(base): 물에서 해리하여 수산화 이온(OH-)을 생성하는 물질

산염기

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)

예전 사람들은 산과 염기를 어떤 방식으로 생각하였으며, 그 정의는무엇인가? 대략 3가지 단계로 발전하였다. Arrhenius 는 대학원시절에 용액 속에 이온의 존재를 주장하였다. 그 당시에는웃음거리였지만, 지금은 정설로 받아지고 있다. 1903년에 노벨화학상을 받았다. 이온으로 존재할 수 있는 이유는 용매의수화(hydration) 때문이다. 이온은 기체로는 존재하기가 쉽지 않다.


산-염기의 정의

• 브뢴스테드 (Johannes Brønsted, 1859~1927) 정의

- 산(acid): 양성 (H+) 주게

- 염기(base): 양성 (H+) 받게

산염기

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)

예전 사람들은 산과 염기를 어떤 방식으로 생각하였으며, 그 정의는무엇인가? 대략 3가지 단계로 발전하였다. 브뢴스테드 정의는두번째 정의로서 수용액이 아닌 경우에 정의이다. 기준은수소이온(H+)이다. 수소이온을 주면 산, 받으면 염기성이다.이것으로부터 암모니아(NH3)가 염기성임을 알 수 있다. 보다발전된 정의는 루이스(Lewis) 정의이며, 이것은 전자가 기준이다.


이미 앞에서 나왔어야 할 문제인데…..


4.4 산화-환원 반응

• 산화-환원 반응(Oxidation-Reduction Reaction): 전자 이동반응 (산-염기 반응은 양성자 이동 반응)

• 산화-환원 반응의 예: 연소 반응, 표백 자용, 금속의 제련

산화 반쪽 반응 (e- 상실)

환원 반쪽 반응 (e- 얻음)

2Mg 2Mg2+ + 4e-

O2 + 4e- 2O2-

2Mg + O2 2MgO

반쪽 반응

전자의 이동이 있는 반응으로 전자를잃으면 산화, 얻으면 환원이다.

금속이 전자를 잃어 양이온으로되면 산화되는 것으로산화반쪽반응이며, 반대로산소가 전자를 얻어 음이온으로되면 환원이다. 산화-환원 반응은전자의 이동을 이용하는것이므로 축전지에 활용된다.


산화(oxidation): 어떤 물질, 즉 원소, 화합물, 또는 이온이 하나이상의 전자를 잃는 것, 산화수가 증가 (뒤에서 설명)

환원(reduction): 어떤 물질, 즉 원소, 화합물, 또는 이온이 하나이상의 전자를 얻는 것, 산화수가 감소

산화제(oxidizing agent): 전자를 얻어 환원되는 물질은 다른 원소를산화시키는 물질로 작용 : 산화시키므로 자신은 환원된다.

환원제(reducing agent): 전자를 잃어 산화되는 물질은 다른 원소를환원시키는 물질로 작용 : 환원시키므로 자신은 산화된다.

Zn (s) + CuSO4 (aq) ZnSO4 (aq) + Cu (s)

Zn 산화되었으며,Zn Zn2+ + 2e-

Cu2+ 환원되었으며,Cu2+ + 2e- Cu

Zn 환원제

Cu2+ 산화제

산화와 환원은 항상 같이 간다.


산화수(Oxidation number) : 전자의 교환이 완전히 일어났다고가정할 때 한 분자(또는 한 이온 화합물) 내에서 특정 원자가 갖게 되는전하수

산화수 결정 방법:

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

2. 한 원자만을 포함하는 이온의 산화수는 이온의 전하수와 동일Li+, Li = +1; Fe3+, Fe = +3; O2-, O = -2

3. 산소의 산화수는 대부분 –2. 예외) H2O2 , O22- –1

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

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

수소가 전기음성도가 큰 원소와 만나면 +1 전하를 가지지만, 전기음성도가작은 금속과 만나면 -1 전하를 띤다.


6. 중성 분자에서 모든 원자들의 산화수의 합은 0, 다원자 이온에서이온에 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)

실제 화합물에서 전자의 이동이 완전하게 일어나는 것이 아니다.


그룹 전체의 전하수로부터개별 원소의 전하수를구한다.


Cr6+ 는 매우 유독한물질로 알려져 있다.

많은 금속 물질이 광택을 내는 것은 크롬 도금 때문이다. 아주 얇게 도금을하면 멋지게 보인다. 현재 독성이 강한 +6 크롬으로 도금을 하면 선진국,특히 유럽으로의 수출은 금지된다.


화합물 내에서 각 원소의 산화수

붉은색은 안정한상태로 존재한다.


2KClO3 2KCl + 3O2

+1 +5 -2 +1 -1 0A + B C

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

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

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

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

산화-환원 반응의 형태

2Al + 3Br2 2AlBr3

0 0 +3 -1

C A + B

A + BC AC + B

S + O2 SO2

0 0 +4-2


Sr + 2H2O Sr(OH)2 + H2

TiCl4 + 2Mg Ti + 2MgCl2

Cl2 + 2KBr 2KCl + Br2

수소 치환

금속 치환

할로젠 치환

0 +1 +2 0

0+4 0 +2

0 -1 -1 0

치환 반응의 종류

치환 여부는 금속과 할로젠의 활동도 서열에 의해 결정됨


금속의 활성도 계열 (activity series)• 화학종이 전자를 얻거나 잃는 상대적 용이성, 즉 각 화학종이 얼마나쉽게 산화되고 환원되는가에 따라 결정됨

• 활동도 서열은 수용액에서 원소를 환원시키는 능력을 순서대로 나열한것

M + BC MC + B

M : 금속BC : 산 또는 H2OB : H2

Ca + 2H2O Ca(OH)2 + H2

Pb + 2H2O Pb(OH)2 + H2

환원 세기가 큰 금속을 이용하면 다른 금속의산화를 지연시킬 수 있다. 지하에 매설된수도관을 보호하는 방법은?

가장 쉽게 진행한다.

가장 어렵게 진행한다.

구리는 녹이 쓸지 않는다.

철은 녹이 쉽게 쓴다.

금은 금속으로 석출된다.


5. 할로젠 치환: 화합물의 한 할로젠 이온이 다른 할로젠에 의해치환되는 반응

• 할로젠 치환 반응에서의 활동도 서열

6. 불균등화 반응(Disproportionation): 한 원소가 같은 산화상태에서 동시에 산화 및 환원되는 반응

F2 > Cl2 > Br2 > I2

Cl2 + 2KBr 2KCl + Br20 -1 -1 0

Cl2 + 2OH- ClO- + Cl- + H2O0 +1 -1

산화

환원

산화-환원 반응의 형태

상당히 어려운문제이다.

활동도가 약할수록 분자로 나온다.



산화-환원 반응을 이용한 음주 측정기

3CH3COOH + 2Cr2(SO4)3 + 2K2SO4 + 11H2O

3CH3CH2OH + 2K2Cr2O7 + 8H2SO4

+6

+3

에탄올 중크롬산 포타슘 황산

아세트산 황산크로뮴 황산 포타슘

음주 측정기는어떻게 작동하는가?

빛의 세기를전기의 세기로바꾼다.

알코올이 들어가면 Cr6+가 Cr3+로바뀐다. 각각이 흡수하는 빛의파장이 다르다.

0.1% 이상이면 면허취소. 우리나라는 술에 관하여너무 관대하다.


4.5 용액의 농도

농도(concentration) : 주어진 용액 또는 용매의 양에 대한용질의 양

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

• 몰농도는 세기 성질이므로 용액의 양과 무관

M = 몰농도 =용질의 몰수

용액의 리터수

혼합물의 농도를 측정하는 단위에는 여러 가지가 있다. 대표적인 경우는질량백분율, 부피백분율 등이지만, 화학에서는 분자를 다루기 때문에분자의 개수(몰수)관점의 단위로, 몰 단위를 이용하는 몰농도(molarity), 몰랄농도(molality), 몰분율(mole fraction), 노르말(normality) 등이 있다. 각각을 정의하자.


특정 몰 농도의 용액을 만드는 방법

(a)정확한 양의 고체 용질을 부피플라 스크에 넣고, 깔때기를이용하여 물을 가함

(b) 플라스크를 가볍게 흔들어서고체를 서서히 녹임

(c) 고체가 모두 녹은 후, 물을눈금까지 채움

녹아있는 용질의 양과 용액의부피로부터 용액의 몰농도 계산

일정한 부피를 측정하는 장치,volumetric flask라고 부른다.

Volumetric flask가 1L 용기라면 1L 속에 녹아 있는용질의 몰수이므로 몰농도(molarity)가 된다.


묽힘(Dilution) : 진한 용액을 가지고 묽은 용액을 제조하는 과정

희석 전 용질의 몰 수 = 희석 후 용질의 몰 수

묽힘 전의용질의 몰수 (i)

묽힘 후의용질의 몰수 (f)

=

MiVi MfVf=

묽힘

용매 추가

묽힘은 용매의 부피가 증가한 것이므로 용질의 양에는 변화가 없다.


4.6 무게 분석

무게분석 (gravimetric analysis): 질량 측정에 기초를 두고 있는분석 기술

무게 분석과정:

1. 미지 시료를 물에 용해

2. 침전 형성을 위해 알고 있는 물질과 미지의 물질을 반응시킴

3. 필터, 침전 건조

4. 침전의 무게를 측정

5. 미지 이온의 양을 측정하기 위해 침전의 양과 화학식을 이용

가장 초보적인 분석 방법으로 용해된 물질을 침전시켜, 침전된 질량(mass)으로부터 화학식을 결정한다. 침전을 형성하는 시약을 투입하면 고체 물질이만들어지며, 여과 후, 건조시키면 질량 측정이 가능하다.


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 중에존재하는 모든 Cl- 이온을 침전시킴

3. AgCl 침전물을 여과하여 용액으로부터 분리하고 건조시킨다음 무게를 측정

AgNO3 (aq) + NaCl (aq) AgCl (s) + NaNO3 (aq)


AgCl 중에서 Cl 이 차지하는 백분율을 구한다. 24.72%얻어진 AgCl 침전에서 Cl 양을 구한다. 0.2690 g넣어준 시료에서 Cl 이 차지하는 양은? 47.51%


4.7 산-염기 적정

적정(titration): 농도를 정확하게 알고 있는 용액인 표준 용액(standard solution)을 미지의 다른 용액에 두 용액간의 반응이 완전히 이루어질때까지 서서히 첨가하여 미지 용액의 농도를 구하는 실험 : 산과 염기가만나면 중성인 물이 만들어진다.

(예: 농도를 정확히 아는 산을 이용하여 농도가 정확하지 않은 수산화소듐(NaOH) 용액을 적정하여 농도 측정)

당량점(Equivalence point) : 산이 염기에 의해 완전히 반응되는 점지시약(Indicator ) : 산성과 염기성 용액에서 각기 현저히 다른색을 띠는 물질

뷰렛을 이용하여 삼각플라스크의 KHP 용액에NaOH 용액을 가한다.

당량 점에 도달하면진분홍색이 나타난다


N1V1 = N2V2 산-염기 적정에서 활용되는 식


4.8 산화-환원 적정

산화-환원 적정(redox titration): 환원제(산화제)가산화제(환원제)에 의해 완전히 산화(환원)될 때 당량점에 도달

• 산화-환원 적정에서 지시약은 산화,환원 상태에 따라 색깔이현저히 다르기 때문에 당량점에서의 급격한 색깔 변화로 당량점 확인가능

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

MnO4- Mn2+ Cr2O7

2- Cr3+

산화환원 적정에서는 지시약이 필요하지 않다. 자체가 지시약이다.

색의 변화를 볼 수 있다.



바닷속의 금속 회수하기

CaCO3 (s) CaO (s) + CO2 (g)

Mg(OH)2 (s) + 2HCl (aq) MgCl2 (aq) + 2H2O (l)

CaO (s) + H2O (l) Ca2+ (aq) + 2OH (aq)-

Mg2+ (aq) + 2OH (aq) Mg(OH)2 (s)-

Mg2+ + 2e- Mg

2Cl- Cl2 + 2e-

MgCl2 (aq) Mg (s) + Cl2 (g)

위장 약이다.

바다는 자원의 보고이다. 특히심해에는 금속 덩어리로 존재한다.Mn 덩어리가 산재해 있다.


The End of Chapter 4

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