화학2 : I-1. 물질을 구성하는 입자

1. 물 질

(1) 물질의 분류

가. 순물질(simple substance)

: 일정한 성분비로 되어 있고, 같은 성질을 가진 물질

① 홑원소 물질 : 한 종류의 원소로만 이루어진 물질로, 화학적 방법으로 분해되지 않는다.
㉠ 원자로 된 것 : 구리, 철, 금과 같은 금속, 헬륨, 네온, 아르곤 같은 비활성 기체, 다이아몬드, 흑연등
㉡ 분자로 된 것 : 수소(H₂), 산소(O₂), 질소(N₂), 등
㉢ 연소 생성물 : 완전 연소 후 한가지 화합물이 생김
② 화합물 : 두 종류 이상의 원소가 화합하여 일정한 성분피를 이루는 물질. 분해하면 두 종류 이상의 순물질이 된다.

㉠ 기본 입자가 분자인 것 : 녹는점, 끓는점이 비교적 낮다.
(예) 물(H₂O), 암모니아(NH₃), 메탄(CH₄), 에탄올(C₂N₅OH) 등
㉡ 기본 입자가 이온인 것 : 녹는점이 매우 높다.
(예) 염화나트륨(NaCl), 황산암모늄(NH₄)₂SO₄ 등)
㉢ 연소 생성물 : 완전 연소 후 두 가지 이상의 화합물이 생김

나. 혼합물

: 몇 가지 순물질들이 섞여서 각 순물질들의 성질을 그대로 나타내는 물질

① 균일 혼합물 : 어느 부분을 취해도 조성비가 균일한 물질. 용액이라고도 함.
(예) 공기(질소+산소), 소금물, 청동(구리+주석), 사이다(물+설탕+이산화탄소) 등
② 불균일 혼합물 : 취하는 부분에 따라 그 조성비가 다른 물질.
(예) 흙탕물, 암석, 우유 등
③ 화합물과 혼합물의 비교

구분	화합물	혼합물
조성비 끓는점, 녹는점 합성 및 분해	일정 일정 화학 변화(화합, 분해)	농도에 따라 변화 농도에 따라 변화 물리 변화(혼합, 분리)

다. 동소체

① 동소체 : 한 종류의 원자(원소)로 이루어져 있으나, 성질과 모양이 서로 다른 홑원소 물질

② 동소체의 생성 원인 : 구성 입자의 조성, 입자의 배열차 때문
③ 동소체의 연소 생성물 : 한 가지의 같은 원소로 구성되어 있으므로 모두 같다.

■ 여러 가지 동소체와 연소 생성물

성분원소	동소체의 종류	생성원인	연소 생성물
산소 탄소 황 인	산소(O2), 오존(O3) 다이아몬드, 흑연, 활성탄(C) 사방황, 단사황, 고무 모양 황(S8) 흰인, 붉은 인(P4)	분자 조성의 차이 원자 배열의 차이 분자 배열의 차이 분자 배열의 차이	- CO2 SO2 P4O10

(2) 혼합물의 분리

가. 물질의 성질

① 물리적 성질 : 물질의 어는점, 끓는점, 밀도, 색깔, 냄새, 맛 등으로 화학적 본질을 변화시키지 않고 관찰할 수 있는 성질
② 화학적 성질 : 열, 빛, 약품 등에 의해 물질의 본질에 변화가 있을 때 관찰되는 성질.

나. 고체와 액체 혼합물의 분리

① 거름 : 액체 중에 있는 고체(앙금)를 깔때기와 거름종이를 사용하여 분리하는 방법.(거름을 빨리하기 위한 방법 : 흡인 여과).
(예) 흙탕물로 부터 흙과 물 분리, 모래와 소금의 분리

② 증류 : 고체의 끓는점 차이를 이용한 분리 방법 (고체의 끓는점>액체의 끓는점). 즉, 비휘발성 고체가 액체에 용해된 경우 가열하면 액체가 증기로 날아가고 고체는 남게 되어 분리

다. 고체 혼합물의 분리

① 재결정(분별 결정) : 온도 변화에 따른 용해도의 차가 큰 고체 혼합물의 분리.
(예) 질산칼륨과 염화나트륨 혼합물의 분리
② 승화 : 승화성 고체와 비승화성 고체가 혼합되어 있을 때 가열하여 승화성 물질을 승화시켜 분리.
(예) 나프탈렌과 염화나트륨 혼합물의 분리

③ 추출 : 특정 용매를 사용하여 혼합물 중 한 가지 성분만 녹여서 분리.
(예) 콩 속에서 지방 분리(용매-에테르)

라. 액체 혼합물의 분리

① 분별 깔대기 사용 : 서로 섞이지 않는 두 액체의 밀도차를 이용한 분리
(예) 물과 에테르 혼합물의 분리

② 분별 증류 : 끓는점의 차이를 이용한 서로 잘 섞이는 액체 혼합물의 분리.
(예) 원유로부터 가솔린, 경유, 등유의 분리

마. 기체 혼합물의 분리

① 흡수법 : 혼합 기체 중 한 종류만 흡수하는 약품에 통과시켜 기체를 분리한다.
㉠ 산성 건조제 : 진한 황산, 오산화인 => 수증기와 염기성 기체를 흡수
㉡ 염기성 건조제 : 소다석회(CaO+NaOH) => 수증기와 산성 기체를 흡수
㉢ 중성 건조제 : 염화칼슘, 실리카 겔 => 수증기 흡수

② 액화법 : 기체 혼합물을 액화시켜 분별 증류하거나 비중 차이를 이용하여 분리한다.
(예) 공기의 분리(질소 끓는점 : -195℃, 산소의 끓는점 : -183℃)

바. 그 밖의 방법

① 이온 교환법 : 물 속에 들어 있는 미량의 이온을 이온교환수지에 통 과시킴으로써 제거한다.
(예) 센물 중에 있는 Ca²⁺, Mg²⁺ 를 제거하여 단물로 만든다.

② 투석 : 입자 크기차 이용(이온 , 작은 분자 < 반투막의 구멍 < 콜로이드 입자)
(예) 소금물 속의 FeCl₃ 분리

③ 크로마토그래피 : 용해성과 흡착성의 차이를 이용한 분리 방법
(예) 종이 크로마토그래피, 관 크로마토그래피

2. 원 자

(1) 원자에 관한 기본 법칙

가. 질량 보존의 법칙

: 1772, 프랑스의 라부아지에가 황의 연소 반응 실험으로 발견

화학 반응 전후에 있어서 반응 물질의 질량의 총합은 생성 물질의 질량의 총합과 같다.

나. 일정 성분비의 법칙

: 1799, 프랑스의 프루스트가 탄산구리의 성분비 조사에 의해 발견

어느 한 화합물을 구성하고 있는 성분 원소들의 질량비는 항상 일정하다.

[실험] 물을 합성하면 수소와 산소의 질량비가 1 : 8 로 결합한다.

다. 배수 비례의 법칙

: 1803년 영국의 돌턴

A, B 두 원소 두 가지 이상의 화합물을 만들 때 A의 일정량과 결합하는 다른 원소 B의 질량 사이에는 간단한 정수비가 성립한다.

(2) 원자설

가. 원자설의 배경

: 1803년 돌턴 은 질량보존의 법칙과 일정성분비의 법칙을 보고 이를 효과적으로 설명하기 위해 입자설을 바탕으로 원자설을 발표하게 되었다.

나. 돌턴의 원자설

① 모든 물질은 더 이상 쪼갤 수 없는 입자, 즉 원자로 이루어져 있다. ② 같은 원소의 원자는 모양, 질량, 크기 등이 모두 같으며, 다른 원소의 원자는 모양, 질량, 크기 등이 서로 다르다. ③ 화학 변화가 일어날 때 원자는 서로 자리바꿈만 할 뿐, 새로 생기거나 소멸되지 않는다. ④ 화합물은 두 종류 이상의 원자가 간단한 정수비로 결합하여 만들어진 것이다

다. 원자설로 두 법칙 설명

① 질량보존과 원자설 : 원자는 더 이상 쪼개지지 않고 고유한 질량을 가지며 화학변화가 일어날 때 새로 생기거나 없어지지 않으므로 화학반응 전후의 질량은 보존된다. (1,2.4 항)
② 일정성분비의 법칙과 원자설 : 원자는 쪼개지지도 않고, 같은 원소의 원자는 같은 질량을 가지며, 화합물은 두 종류 이상의 원자들이 정수비로 결합되어 있으므로 질량비도 일정하다.

라. 돌턴의 원자설 수정

① 원자는 더 작은 입자(전자, 양성자, 중성자)로 나누어 진다.(원자설 ①항 수정)
② 같은 종류의 원자에도 질량이 다른 동위원소가 존재한다.(원자설 ②항 수정)

3. 분자

(1) 기체 반응과 분자설

가. 기체 반응의 법칙

일정한 온도와 기체가 화학 반응을 할 때 반응하는 기체와 생성하는 기체의 부피 사이에는 간단한 정수비가 성립한다.

① 발견 : 1808년, 프랑스의 게이뤼삭
② 원자설로 설명한 기체 반응의 법칙

수소(H ₂) + 산소(O₂) → 수증기(H₂O)
부피비 2 : 1 : 2


산소원자가 쪼개진다. → 원자설에 위배됨 → 아보가드로가 분자설 제안

나. 아보가드로의 분자설

① 물질은 몇 개의 원자가 결합된 분자로 구성되어 있다. ② 분자는 다시 쪼개져 원자로 되며, 이 때 그 물질의 특성을 잃게 된다. ③ 모든 기체는 온도와 압력이 같은 상태에서 같은 부피속에는 같은 수의 분자를 포함한다.

① 기체 반응의 법칙을 설명하기 위해 1811년 아보가드르는 일정한 수의 원자들이 결합한 위와 같은 가설을 제안.
② 설명할 수 있는 법칙 : 기체 반응의 법칙, 아보가드로의 법칙

다. 아보가드로의 법칙

모든 기체는 온도와 압력이 같으면 같은 부피 안에 같은 수의 분자를 포함한다.

① 기체 반응의 법칙을 설명하기 위해 가서(1911년)로 시작하여 실험에 의해 확인(1960년)한 후 법칙으로 정립함.
② 0℃, 1기압에서 기체 22.4L(1몰)에는 6.02×10²³ 개의 분자가 존재한다.
③ 아보가드로의 수 : 6.02×10²³ 개

라. 분자설로 설명한 기체 반응의 법칙

수소(H ₂) + 산소(O₂) → 수증기(H₂O)
부피비 2 : 1 : 2
분자모형

(2) 분자와 분자 모형

가. 분자의 성질

① 분자 : 물질의 특성을 갖는 가장 작은 입자.
② 분자의 상태 : 온도에 따라 고체, 액체, 기체 상태로 존재. 분자 내의 원자 간의 결합 길이는 변하지 않고 분자 간의 거리만 변한다.
③ 분자 간의 거리 : 분자 내의 두 원자들 사이의 결합력이 분자들 사이의 인력보다 강함.

나. 분자식

: 원소기호를 써서 분자를 구성하고 있는 원자의 종류와 수를 나타낸 식.

다. 분자의 구분

① 단원자 분자 : He, Ne, Ar (비활성 기체) 등
② 2원자 분자 : H₂, O₂, N₂, HCl, CO 등
③ 3원자 분자 : H₂O, CO₂, O₃, H₂S 등
④ 다원자 분자 : 3원자 이상의 여러 개의 원자로 이루어진 분자

라. 분자 모형

① 공과 막대기 모형 : 결합들 사이의 각도를 뚜렷이 보여 준다.
② 전자 공간 모형 : 원자에서 전자들이 차지하는 공간을 보여 준다.

4. 이 온

(1) 이온의 형성

가. 이온의 종류

① 정의 : 중성인 원자가 전자를 잃거나 얻어서 전하를 띤 입자.
② 양이온(cation) : 원자가 전자를 잃어 (+)전하를 띤 입자.
(예) Na --→ Na⁺ + e^-, Mg ---→ Mg²⁺ + 2e^-

② 음이온(anion): 원자가 전자를 얻어 (-)전하를 띤 입자.
(예) Cl + e^- --→ Cl^- , S + 2e^- ---→ S^2-

나. 이온의 형성

① 금속 원소(M) : M ----→ Mⁿ⁺ + ne^-
② 비금속 원소(X) : X + ne^- ----→ X^n-
(예) Na → Na⁺(나트륨 이온) + e^-
Cl + e^- → Cl^- (염화 이온)

다. 이온과 원자의 크기

① 양이온 < 원자 (Na⁺ < Na)
② 음이온 > 원자 (Cl^- > Cl)

(2) 이온의 이름

가. 양이온과 음이온

① 양이온은 원소명 또는 원자단의 이름을 사용한다.
② 음이온은 원소명 끝에 ∼화 이온을 붙여 사용한다.(단, 산기 제외)

양이온	음이온
옥소늄 이온(H3O+) 나트륨 이온(Na+) 칼슘 이온(Ca2+) 알루미늄 이온(Al3+) 암모늄 이온(NH4+)	수산화 이온(OH-) 염화 이온(Cl-) 황화 이온(S2-) 황산 이온(SO42-) 질산 이온(NO3-)

나. 라디칼 이온(다원자 이온)

: 여러 개의 원자가 모여 마치 한 원자처럼 행동하는 원자의 집단이 전하를 띤 이온

① (+) 라디칼 이온 : 옥소늄 이온(H₃O⁺), 암모늄 이온(NH₄⁺) 등
② (-) 라디칼 이온 : 수산화 이온(OH^-), 질산 이온(NO₃^-), 과망간산 이온(MnO₄^-), 탄산 이온(CO₃^2-), 중크롬산 이온(Cr₂O₇^2-), 인산 이온(PO₄^3-), 질산 이온(NO₃^-), 황산 이온(SO₄^2-) 등.

(예) Zn + H₂SO₄ ----→ ZnSO₄ + H₂ (∵이온화 경향: Zn > H)

5. 화학식

(1) 화학식의 종류

가. 화학식(chemical formula)

① 화학식 : 물질을 이루는 기본 입자인 원자, 분자, 이온을 원소 기호와 숫자로 나타낸 식
② 화학식의 종류 : 분자식, 실험식, 시성식, 구조식 및 이온식. 가장 자세한 정보를 제공하는 화학식은 구조식이다.
③ 화학식이 필요한 이유 : 어떤 물질의 이름은 각 나라마다 다르게 불려진다. 여러 나라에서 연구하는 학문, 화학에 대하여 서로 쉽게 의견을 주고 받으려면 쉽게 이해할 수 있는 간단한 표현 수단이 필요하다. 화학식은 그래서 필요하다고 볼 수 있다.

나. 분자식

: 한 분자를 이루는 원자의 종류와 수를 나타낸 식.

다. 실험식

① 물질을 구성하고 있는 원자의 종류와 수를 가장 간단한 정수비로 나타낸 화학식
② 실험식 꾸미기 : 양이온과 음이온으로 이루어진 이온 결합 물질은 전체적으로 중성이므로 양전하량의 총합과 음전하량의 총합이 같아지도록 나타내야 한다.

(양이온의 수 × 양이온의 전하) + (음이온의 수 × 음이온의 전하) = 0

③ 실험식과 분자식의 관계 : 물은 분자식이 H₂O이고 실험식도 H₂O이다. 그러나 과산화수소의 경우 분자식(H₂O₂)은 실험식(HO)의 2배이다.

분자식 = 실험식 × n

라. 시성식

① 물질의 특성을 나타내는 작용기를 써서 나타낸 식.
② 작용기 : 원자단이 어떤 특성을 나타내는 것

물질	에탄올	아세트산	아세트알데히드	아세톤	디메틸에테르
작용기	-OH	-COOH	-CHO	-CO-	O-
분자식	C2H6O	C2H4O2	C2H4O	C3H6O	C2H6O
시성식	C2H5OH	CH3COOH	CH3CHO	CH3COCH3	CH3OCH3

마. 구조식

: 분자를 구성하는 원자들의 결합 모양이나 배열 상태를 결합선을 사용하여 나타낸 화학식

물질	수소	물	암모니아	질소	이산화탄소
분자식	H2	H2O	NH3	N2	CO2
구조식

① 구조식 그리기 : 원자와 원자사이의 결합을 결합선으로 나타내는데 결합선은 원자가수와 같다.

원자	C	N	O	H
원자가	4	3	2	1
단일 결합	| - C - |	-N- |	- O -	- H
이중 결합	＼ C = /	= N -	= O
삼중 결합	- C ≡	≡ N

② 구조식을 그리는 순서
㉠ 화합물에서 중심 원자를 찾아낸다. 일반적으로 원자가가 큰 원자가 중심 원자이다.
㉡ 중심 원자에 결합하는 다른 원자의 수를 고려하여 결합선을 그린다.
㉢ 중심 원자에 결합하는 다른 원자(보통 H 원자)는 중심 원자가 가질 수 있는 결합선의 수와 모양을 고려하여 그린다.

(2) 화합물의 명명법

※ 무기 화합물의 명명법

가. 두 가지 원소로 된 화합물

: 화학식의 뒤에 있는 음성 원소 이름 끝에 '화'를 붙인 다음, 앞에 있는 양성 원소의 이름을 붙인다. 음성 원소의 이름이 '소'로 끝날 경우에는 '소'를 생략하나 수소의 경우는 생략하지 않는다.

(예) KBr 브롬화칼륨, CaCl₂ 염화칼슘, Na₂O 산화나트륨, NaH 수소화나트륨

나. 양성 원소가 두 가지 이상의 원자가를 갖는 화합물

: 양성 원소 이름 다음에 로마 숫자를 괄호 안에 써서 원자가를 표시한다. 또는 원자가가 작은 쪽은 '제일', 큰 쪽은 '제이'를 붙여 나타내기도 한다.

(예)

다. 두 가지 이상의 원자가를 갖는 비금속 원소가 다른 비금속 원소와 화합하여 두 가지 이상의 화합물을 만드는 경우

: 원자의 수를 '일', '이', '삼' 등으로 표시하고 해당 원소 이름앞에 쓴다. 단, 혼동의 우려가 없을 때는 이 숫자를 생략할 수 있다.

(예)

라. 원자단을 포함한 다원자 물질 : 음성 부분의 이름에 양성 부분의 이름을 붙인다.

(예)