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Chapter 4 화학반응

수용액에서의 이온

화학반응의 종류

용액

정량분석

화학반응은 반응물에서 생성물로 변하고, 그 생성물은 반응물과 물리적 화학적 성질이 다름.

화학반응의 몇 가지 대표적인 유형

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

용액에서 이온존재의 증거는 무엇인가?

이온을 포함하는 반응에 대해 화학반응식을 어떻게 쓸 것인가?

많은 반응들을 어떻게 체계적으로 분류하고 기술하는가?

용액 또는 용액내의 반응물들을 어떻게 정량적으로 나타내는가?

수용액에서의 이온

4.1 용액이온 이론과 용해도 규칙

용액이온 이론: 전해질이 물에 녹으면 이온이 형성되고, 이 이온은 수용액에서 전류를 흐르게

한다. Svante Arrhenius 용액의 전도성 설명

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NaCl은 이온결합성 고체로 물에 녹일 경우, Na+이온과 Cl-이온을 형성한다.

이 용액에 전지에 연결된 도선을 담그면, 이온들이 이동하고 전하의 이동은

용액에 전류를 형성한다.

순수한 물은 전기 전도성을 띠지 않지만, 이온들을 포함하는 수용액은 전기

전도성 용액이다.

전해질과 비전해질

전해질: 물에 용해되어 전기 전도성 용액이 되는 물질

일반적으로 물에 녹는 이온성 물질들

물에 녹아 이온을 생성하는 분자성 물질

HCl(g) HCl(aq) H+(aq) + Cl-(aq)H2O

염화수소 염산

비전해질: 물에 용해되기는 하지만 전기 전도성이 전혀 없거나 대단히 약한 물질

예) 설탕 sucrose (C12H22O11), 메탄올 (CH3OH) – 자동차 유리세정액 – 분자성 물질

용액의 전기전도도 실험

강전해질과 약전해질

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강전해질(strong electrolyte): 용액에서 거의 전부가 이온으로 존재하는 전해질

대부분의 이온성 물질 – 예) NaCl

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

약전해질(weak electrolyte): 물에 녹아서 적은 양의 이온들을 생성하는 전해질

일반적으로 분자성 물질들 – 예) NH3

NH3(g) NH4+(aq) + OH-(aq)

H2ONH3(aq) + H2O(l)

NH4+(aq) + OH-(aq) NH3(aq) + H2O(l)

NH4+(aq) + OH-(aq)NH3(aq) + H2O(l)

용해도 규칙

용해도: 물에 녹을 수 있는 능력

가용성 – NaCl, EtOH

불용성 – CaCO3, C6H6

가용성 이온성 화합물은 강전해질 용액을 생성한다.

이온성 화합물의 용해도를 예측하기 위해 용해도 규칙을 이용

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→가용성 물질들은 전해질이 될 수도 있고 비전해질이 될 수도 있다.

→비전해질은 분자 상태로 녹기 때문에 전기 전도성 수용액이 되지 못한다.

→전해질은 녹아 이온을 생성하므로 전기 전도성 수용액이 된다.

4.2 분자 반응식과 이온 반응식

이온을 포함하는 반응에 대한 화학 반응식

분자 반응식; 전체이온 반응식; 알짜이온 반응식

CaCO3: 종이 충진제, 제산제, 치약의 연마제

분자 반응식

분자 반응식(molecular equation): 반응 물질들이 용액 속에서 실제로 이온들로 존재한다 하더

라도 마치 분자성 물질들인 것처럼 기술하는 화학반응식 – 반응물질과 생성물질이 무엇인지

나타내고자 할 때 유용

Ca(OH)2(aq) + Na2CO3(aq) CaCO3(s) + 2NaOH(aq)

전체이온 반응식

전체 이온 반응식의 목적은 각 물질들이 어떠한 형태로 존재하는가를 나타내는 것

수용액에서 강전해질은 이온의 형태로, 약전해질은 분자식(또는 화학식)으로 표시

전체이온 반응식(complete ionic equation): 강전해질을 용액 중에서 분리된 각각의 이온으로

나타내는 반응식; 가용성 약전해질은 화학식 다음에 (aq)를, 불용성 물질은 화학식 다음에 (s)를

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붙여 나타낸다.

Ca2+(aq) + 2OH-(aq) + 2Na+(aq) + CO32-(aq) CaCO3(s) + 2Na+(aq) + 2OH-(aq)

알짜이온 반응식

구경꾼 이온(spectator ion): 전체이온 반응식에서 반응에 참여하지 않는 이온

알짜이온 반응식(net ionic equation): 전체이온 반응식에서 구경꾼 이온들이 소거된 반응식

Ca2+(aq) + CO32-(aq) CaCO3(s)

유제)

Ca(NO3)2(aq) + K2CO3(aq) CaCO3(s) + 2KNO3(aq)

Ca2+(aq) + 2NO3-(aq) + 2K+(aq) + CO3

2-(aq) CaCO3(s) + 2K+(aq) + 2NO3-(aq)

Ca2+(aq) + CO32-(aq) CaCO3(s)

분자 반응식

전체이온 반응식

알짜이온 반응식

화학반응의 종류

1. 침전 반응: 두 가지의 가용성 이온성 화합물들을 혼합하면 고체 이온성 물질(침전)이 형성.

2. 산-염기 반응: 산이 염기와 반응하며, 반응물들 사이에 양성자의 전이가 일어남.

3, 산화-환원 반응: 반응물들 사이에 전자 전이가 일어남.

4.3 침전반응

침전반응을 예측하기 위하여, 예상되는 생성물이 가용성 혹은 불용성인가를 아는 것이 필요

침전반응 예측하기

MgCl2와 AgNO3의 용액을 혼합할 때,

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MgCl2 + AgNO3 라 쓸 수 있으며, 이 반응은 교환반응의 형태이다.

교환반응(exchange reaction): 두 반응물들 사이에 일부 원소의 교환이 있는 반응

상기 반응물들의 음이온들을 서로 교환하면 AgCl과 Mg(NO3)2가 형성된다.

따라서 분자 반응식은

MgCl2 + 2AgNO3 2AgCl + Mg(NO3)2

AgCl은 불용성이고 Mg(NO3)2는 가용성임을 용해도 규칙으로부터 알 수 있다.

분자 반응식에 각 화합물의 상태를 표시하면

MgCl2(aq) + 2AgNO3(aq) 2AgCl (s) + Mg(NO3)2(aq)

알짜이온 반응식으로 표현하면

Mg2+(aq) + 2Cl-(aq) + 2Ag+(aq) + 2NO3-(aq) 2AgCl (s) + Mg2+(aq) + 2NO3

-(aq)

Ag+(aq) + Cl-(aq) AgCl (s)

4.4 산-염기 반응

산과 염기는 가장 중요한 전해질

산의 특성 – 신 맛 (예) acetic acid (식초), citric acid (레몬 주스), hydrochloric acid (위산)

염기의 특성 – 쓴 맛, 미끈미끈한 느낌 (예) aqueous ammonia (가정용 세척제)

산과 염기는 염료들의 색을 변화시킬 수 있다.

산-염기 지시약(indicator): 색 변화를 일으켜 산성 용액과 염기성 용액을 육안으로 구별하는데

이용되는 염료

리트머스: 산성 – red; 염기성 – blue

페놀프탈레인: 산성 – 무색; 염기성 – pink

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산과 염기의 정의

아레니우스(Arrhenius)의 정의

산: 물에 녹을 때 수소이온(H+)을 생성하는 물질

예) 질산 HNO3

HNO3(aq) H+(aq) + NO3-(aq)

H2O

염기: 물에 녹을 때 수산화이온(OH-)을 생성하는 물질

예) 수산화 나트륨 NaOH

NaOH(aq) Na+(aq) + OH-(aq)H2O

암모니아 – 물과 반응하여 수산화이온을 형성하기 때문에 염기이다.

NH3(aq) + H2O(l) NH4+(aq) + OH-(aq)

Bronsted / Lowry의 정의

산-염기 반응은 양성자 전달 반응

산: 양성자 전달 반응에서 다른 화학종에 양성자를 주는 화학종 (분자 혹은 이온)

염기: 양성자 전달 반응에서 양성자를 받아들이는 화학종 (분자 혹은 이온)

NH3(aq) + H2O(l) NH4+(aq) + OH-(aq)

산염기

H+

수소이온 H+(aq)와 hydronium ion H3O+(aq)은 동일한 물리적 대상을 나타냄

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HNO3(aq) + H2O(l) H3O+(aq) + NO3-(aq)

H+

산 염기

강산과 약산, 강염기와 약염기

강산: 물속에서 완전히 이온화하는 산 – 강전해질

예) 염산 HCl(aq)

HCl(aq) + H2O(l) H3O+(aq) + Cl-(aq)

약산: 물에서 부분적으로 이온화하는 산 – 약전해질

예) hydrocyanic acid: HCN(aq)

HCN(aq) + H2O(l) H3O+(aq) + CN-(aq)

강염기: 물에서 완전히 이온화하는 염기 – 강전해질

예) 수산화 나트륨: NaOH, beryllium hydroxide를 제외한 IA, IIA 족 수산화화합물

NaOH(s) Na+(aq) + OH-(aq)H2O

약염기: 물에서 부분적으로 이온화하는 염기 – 약전해질

예) 암모니아

NH3(aq) + H2O(l) NH4+(aq) + OH-(aq)

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※ 이온반응식을 쓸 때, 강산과 강염기는 해리된 형태로, 약산과 약염기는 화학식을 써야 함.

중화반응

중화반응: 산과 염기가 반응하여 이온성 화합물(염)과 물이 형성되는 반응

예)

2HCl(aq) + Ca(OH)2(aq) CaCl2(aq) + 2H2O(l)HCN(aq) + KOH(aq) KCN(aq) + H2O(l)

중화반응에서 생성되는 염은 염기로부터 얻어진 양이온, 산으로부터 얻어진 음이온으로 구성되

어있다.

알짜이온 반응식으로 표현

(1) 강산 + 강염기

2H+(aq) + 2Cl-(aq) + Ca2+(aq) + 2OH-(aq) Ca2+(aq) + 2Cl-(aq) + 2H2O(l)

H+(aq) + OH-(aq) H2O(l)

(2) 약산 + 강염기

HCN(aq) + K+(aq) + OH-(aq) K+(aq) + CN-(aq) + H2O(l)

HCN(aq) + OH-(aq) CN-(aq) + H2O(l)

일양성자 산: HCl, HNO3 – 분자당 단지 하나의 산성 수소원자만 가지는 산

다양성자 산: H3PO4 - 분자당 두 개 혹은 더 많은 양성자들을 주는 산

산염(acid salt): NaH2PO4, Na2HPO4 - 내놓을 수 있는 수소 원자를 가지고 있고 염기들과 중화

반응을 할 수 있는 염.

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H3PO4(aq) + NaOH(aq)

H3PO4(aq) + 2NaOH(aq)

H3PO4(aq) + 3NaOH(aq)

NaH2PO4(aq) + H2O(l)

Na2HPO4(aq) + 2H2O(l)

Na3PO4(aq) + 3H2O(l)

기체가 생성되는 산-염기 반응

Carbonate (CO32-), sulfite (SO3

2-), sulfide (S2-)와 같은 염기들은 산과 반응하여 기체를 생성

Na2CO3(aq) + 2HCl(aq) 2NaCl(aq) + H2O(l) + CO2(g)

Na2CO3(aq) + 2HCl(aq) 2NaCl(aq) + H2CO3(aq)

알짜이온 반응식

CO32-(aq) + 2H+(aq) H2O(l) + CO2(g)

4.5 산화-환원반응

산화-환원 반응에서는 한 화학 종에서 다른 화학 종으로 전자 전달이 일어남

예) 못을 CuSO4(aq)와 반응 시키면 못의 표면에 구리가 코팅되는 것을 볼 수 있다.

Fe(s) + CuSO4(aq) FeSO4(aq) + Cu(s)

Fe(s) + Cu2+(aq) Fe2+(aq) + Cu(s)

분자반응식

알짜이온 반응식

상기 반응의 전자 특성 - 철 원자는 두 개의 전자를 잃어 iron(II) 이온이 되고, copper(II)이온은

두 개의 전자를 얻어 구리원자가 된다.

반응에서 전자의 이동 경로를 파악하기 위하여 산화수의 개념을 제안

산화-환원 반응에서는 산화수의 증감이 일어남.

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산화수

산화수(산화상태): 원자의 경우 단원자 이온상태로 존재하면 이온의 전하량으로 주어지고, 그

밖의 경우에는 (간단한 법칙에 의해) 원자에 할당된 가상적인 전하량을 준다.

산화-환원 반응은 한 개 또는 두 개 이상의 원자의 산화수가 변하는 반응으로 전자전달 과정

을 동반한다.

예) 칼슘의 연소반응

2Ca(s) + O2(g) 2CaO(s)0 0 +2 -2

(1) 원소 중에 존재하는 원자의 산화수는 0이다.

(2) 물질에서 단원자 이온으로 존재하는 원자의 산화수는 그 이온의 전하와 같다.

산화-환원 반응은 화학종들 사이에 전자 전달이 일어나거나, 원자들의 산화수가 변하는 반응

산화 – 산화수의 증가; 환원: 산화수의 감소

산화-환원 반응은 항상 산화와 환원을 동반

예) 칼슘의 염소와의 반응: 산소가 포함되지 않으나 산화-환원 반응이다.

Ca(s) + Cl2(g) CaCl2(s)0 0 +2 -1

산화수 규칙

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분자성 물질에 산화수 규칙을 적용하면 분자내 원자의 근사적인 전하량을 구할 수 있다.

예) SO2

Rule 3: O -2

Rule 6: S + 2 x (-2) = 0 ∴ S = +4

산화-환원반응의 특징

반쪽반응(half reaction): 산화-환원 반응은 전자를 잃어버리는 과정과 전자를 얻는 과정이 동

시에 일어나므로 이 과정을 둘로 나누었을 때, 각 과정에 해당하는 반응을 반쪽반응이라 한다.

Fe(s) + Cu2+(aq) Fe2+(aq) + Cu(s)0 0+2 +2

Fe(s) Fe2+(aq) + 2e-0 +2

Cu2+(aq) + 2e- Cu(s)0+2

알짜이온 반응식

산화 반쪽반응식

환원 반쪽반응식

산화: 전자의 손실(산화수의 증가)이 있는 화합물을 포함한 반쪽반응

환원: 전자의 획득(산화수의 감소)이 있는 화합물을 포함하는 반쪽반응

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산화제(oxidizing agent): 자신은 환원되고, 다른 화학종을 산화시키는 화학종 - Cu2+

환원제(reducing agent): 자신은 산화되고 다른 화학종을 환원시키는 화학종 – Fe

산화-환원반응

결합반응, 분해반응, 치환반응, 연소반응 등으로 분류

결합반응(combination reaction): 두 개의 물질들이 결합하여 제 삼의 물질을 생성하는 반응

예)

2Na(s) + Cl2(g) 2NaCl(s)0 0 +1 -1

2Sb(s) + 3Cl2(g) 2SbCl3(s)0 0 +3 -1

CaO(s) + SO2(g)+2 +4 +2 +4

CaSO3

분해반응(decomposition reaction): 하나의 화합물이 반응하여 두 개 혹은 더 많은 물질을 생

성하는 반응

2HgO(s)+2 -2 0 0

2Hg(l) + O2(g)

2KClO3(s)+1 +5 +1 -1

2KCl(s) + 3O2(g)MnO2

Δ

CaCO3(s)+2 +4 +2 +4

CaO(s) + CO2(g)

치환반응(displacement reaction): 어떤 원소가 어떤 화합물과 반응하여 그 화합물속의 원소를

치환하는 반응 – 반드시 산화-환원을 포함함

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Zn(s) + 2HCl(aq) ZnCl2(aq) + H2(g)0 0+1 +2

Zn(s) + 2H+(aq) Zn2+(aq) + H2(g)0 0+1 +2

분자반응식

알짜이온 반응식

수용액에서, 전자를 잃는 경향성

연소반응(combustion reaction): 어떤 물질이 산소와 반응하며 대개 열을 빠른 속도로 방출하

여 불꽃을 생성하는 반응 – 한 가지 이상의 산화물이 생성

예) 부탄가스의 연소

2C4H10(g) + 13O2(g) 8CO2(g) + 10H2O(g)

4Fe(s) + 3O2(g) 2Fe2O3(s)

3.6 산화-환원반응식 맞추기

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Zn(s) + Ag+(aq) Zn2+(aq) + Ag(s)0 0+1 +2

상기 반응식은 질량의 균형은 맞으나 전하의 균형이 맞지 않는다.

반쪽 반응법을 이용하여 전하의 균형을 맞춘다.

산화-환원반응식에 적용되는 반쪽반응법

반쪽반응법은 산화-환원반응을 산화반응과 환원반응의 두 부분으로 나누어 생각하는 것. 각 반

쪽반응을 맞추고, 반응식들을 합하여 전체 균형 반응식을 얻는다.

(1) 산화 및 환원 반응식을 적는다.

(2) 각 반쪽반응에서 양전하가 많은 쪽에 전자를 첨가하여 전하의 균형을 맞춘다.

(3) 두 반쪽반응을 더했을 때, 전자의 개수가 상쇄되도록 적절한 정수를 곱하여 더한다.

Zn(s) Zn2+(aq) + 2e-

Ag+(aq) + e- Ag(s) x 2

Zn(s) + 2Ag+(aq) Zn2+(aq) + 2Ag(s)0 0+1 +2

용액

대부분의 화학반응들은 분자의 운동이 자유로운 용액에서 진행된다. 용액의 반응에서는 반응용

액의 부피로써 반응물의 양을 나타내는 것이 편리하다 - 용액에 대한 화학량론적인 계산

4.7 몰농도

어떤 물질이 어떤 액체에 용해되어 있을 때, 용해되는 물질을 용질, 액체를 용매라 한다.

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농도: 일정량의 용액 중에 용해되어 있는 용질의 양

예) 농축(진한) 암모니아수용액은 질량백분율 28%의 NH3를 함유한다.

즉, 용액 100 g 중에 함유된 용질의 질량 (용질의 질량백분율)으로 정량적인 농도를 표시

몰농도(molarity, M): 용액 1L에 용해되어 있는 용질의 몰수

몰농도(M) = 용질의 몰수/용액의 리터수

몰농도를 농도의 단위로 사용하면 용질의 양을 용액의 부피로부터 알 수 있는 이점이 있음

(예제 4.10)

0.184 g의 NaOH를 얻기 위해 0.150 M NaOH solution 몇 mL를 취해야 하는가?

0.184 g x (1 NaOH mol / 40.0 NaOH g) = 0.150 M (mol/L) NaOH soln x A L

4.8 용액의 희석

상용으로 판매되는 암모니아 수용액은 (28.0% NH3) 14.8 M NH3이다. 1.00 M NH3 용액이 필요

할 경우 일정량의 증류수를 이용하여 농축용액을 묽혀야 한다.

묽히기 전 용액의 몰농도와 묽힌 후 용액의 몰농도 사이의 관계를 알아야 함.

묽히기 전과 후의 용질의 몰수 변화는 없다

Mi x Vi = Mf x Vf

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정량분석

분석화학은 물질의 조성을 결정하는, 즉 물질의 분석을 다루는 화학의 한 분야이다.

물질의 분석은 정성분석과 정량분석으로 나눈다.

정성분석: 물질 안에 존재하는 화학종이나 원소의 종류를 규명하는 분석

정량분석: 물질 안에 존재하는 화학종이나 원소의 양을 결정하는 분석

4.9 질량분석

질량분석(gravimetric analysis): 정량분석의 일종으로 시료 중에 들어있는 화학종을 완벽하게

분리하여 그 질량을 측정할 수 있는 어떤 물질로 변환하여 그 양을 분석하는 방법 – 용액으로

부터 침전반응을 이용

예) 음료수 시료에 함유된 납의 양 측정

PbSO4 – 불용성 화합물

Na2SO4를 Pb2+가 녹아 있는 용액에 가하여 PbSO4를 침전시킴

Na2SO4(aq) + Pb2+(aq) PbSO4(s) + 2Na+(aq)

4.10 부피분석

예제 4.13

반응용액의 부피계산

H2SO4(aq) + 2NaOH(aq) Na2SO4(aq) + 2H2O(l)

0.175 M H2SO4 35.0 mL와 완전히 반응하는데 필요한 0.250 M NaOH의 부피

NaOH의 몰수

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→ 0.175 mol/L H2SO4 x (35.0 x 10-3) L x 2 mol NaOH/1 mol H2SO4

NaOH의 부피

→ NaOH의 몰수/NaOH 용액의 몰농도

특정 물질의 양을 결정하는 한 가지 중요한 방법은 반응 용액의 부피를 측정하는데 기초 – 적

정

적정(titration): 농도가 알려진 B를 포함한 용액을 미지 농도의 A가 포함된 용액에 가하여 이

두 물질이 완전히 반응해서 없어질 때까지 가해진 B의 부피를 측정하여 A의 양을 결정하는

분석법

부피분석은 적정에 기초한 분석법

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