시리즈:화포자도 쉽게 알 수 있는 화학

화학이 정말 쉬워서 저 화포자 그만둡니다.

문서의 내용이 너무 쉬워서 머리속에 쏙쏙 들어옵니다.

이 문서는 쉽게 알 수 있다 시리즈이며, 집단연구 문서입니다.

이 문서에는 독자적으로 연구한 내용이 들어갑니다. 다른 사람의 의견을 존중하면서 무례하지 않도록 작성해 주시고, 의견 충돌 시 토론 문서에서 토론해 주세요.

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들어가기 전

이 항목은 화포자도 이해할 수 있는 화학 개념을 적어 보는 집단 연구 문서이다.

화학을 처음 접한 사람을 멘붕에 빠뜨리는 내용 위주로 서술하는 게 좋을 듯하다. 각 항목의 마지막에는 가능하면 세줄요약 정도로 정리해 두자. 대략적인 수준은 고등학교 화학~대학교 일반화학 정도가 좋을 듯. 적극적인 추가바람

현재 목차 구성은 임시로 교재의 단원별 구성을 참고하였습니다. 나중에 학문별 하위분류로 바꿔 주세요. 화학 전공자 여러분의 적극적인 참여 바랍니다. 딱딱한 용어나 서술을 쉽게 풀어쓰는 편집도 환영합니다.

테크트리

• 고등학교 화학 1 내용: → → → →
• 고등학교 화학 2 내용: → → → →

기초적인 내용

• 물질의 세 가지 상태: 고체solid는 s, 액체liquid는 l, 기체gas는 g로 괄호 안에 표시한다.

예시) 고체 칼슘 Ca(s)

• 순물질과 혼합물

주기율표는 왜 외우나요?

히익 대부분의 선생님들이 화학을 처음 배울 때 외우라고 하는 것이다. 학생들 입장에서는 크고 아름다운스케일에 주눅이 들게 되고, 화학을 하기 싫어지는 첫 번째 이유가 된다. 하지만 어떤 원소의 원자번호, 주기(가로줄), 족(세로줄)은 전부 중요한 성질을 가지고 있으며 그 중 1번~20번까지의 원소는 매우 자주 나오므로 외우는 게 좋다. 외우지 않으려고 해도 계속 화학을 하다 보면 외워질 수밖에 없다.

주기율표를 처음 보면 굉장히 낯설다. 1~18족(세로줄)까지의 원소가 있는데, 1번(수소)~20번(칼슘)까지의 원소는 1, 2, 3, 4… 이런 식으로 배치가 된 게 아니라 1, 2, 13(!), 14,… 순으로 진행된다(미국식 표기라면 1A~8A, 1B~8B얘들도 순서 되게 이상하다로 되어 있을 것이다). 그리고 밑에는 58~71번, 90~103번까지의 원소가 이상하게 따로 분리되어 있다. 일단 가장 거슬리는 건 2족과 13족 사이의 텅 빈 공간이다.

주기율표를 외울 때는 아무 의미가 없어 보여도, 나중에 화학을 배워나갈수록 배치나 숫자 하나하나가 중요한 의미를 담고 있다는 걸 알게 된다. 주기율표가 왜 저런 모양인지도 알 수 있다. 이런 걸 알아가는 것도 화학의 재미라고 볼 수 있다. 더 자세한 내용은 뒤에 나올 주기율표 항목에서 설명한다.

이 세상에 원소가 118개밖에 없다는 걸 어떻게 알아요?

'이 지구상에 있는 원소는 118개 뿐이다'라는 말을 들으면 반감이 생길 것이다. "아니, 이 우주가 얼마나 넓은데, 우리 인간이 아직 발견 못 한 원소가 있을지도 모르잖아요?"라는 의문이 들 것이다.

일단 지금 계속해서 새로운 원소가 발견되는 중인 것은 맞다. 하지만, 새로 발견된 원소는 인공적으로 만들어진것들이며, 납을 기준으로 그 위의 원소들은 상대적으로 안정도가 떨어지는데, 가장 큰 이유는 중성자와 양성자의 비율을 맞추기 힘들어지기 때문인데, 양성자끼리는 서로 반발하고, 중성자는 상대적으로 쉽게 이탈할 수 있기 때문에 중성자와 양성자의 수가 많으면 극도로 불안정해지기 때문이다. 이 이상 파고들면 물리학의 영역이다 현재 인공적으로 합성된 많은 원소들은 단 몇초만에 혹은 몇 밀리초만에 소멸해버리기 때문에, 이들을 기초로 하여 더 큰 원자량을 가진 원소들의 생성확률은 더더욱 낮다고 생각을 할 수 있다.

매우 안정된 중성자와 양성자의 조합을 매직 넘버라고 하는데, 현재까지 이 조합에 속하는 원소로 알려진것은 헬륨, 산소, 칼슘, 니켈, 주석, 납이다. 이 다음으로는 운비헥슘이라고 불리우는 원소가 여기에 속했다고 알려져 있지만, 아직까지 만드는데 성공을 하지 못했고, 당연히 그 조건이 매우 까다롭기 때문에 쉽게 발견하긴 힘들것이다. 잊지 말자. 과학은 발견을 하는학문이지, 이게 절대적이라고 선을 긋는 학문이 아니다.

주기율표 외우는 방법.

대부분의 암기법은 1~20번 원소까지만 나와 있다. 그 이상은 이 단계에서 외울 필요가 없기 때문이다. 단, 원자번호에 상관없이 1족(알칼리 금속), 2족(알칼리 토금속), 17족(할로젠), 18족(비활성 기체)는 외워 두면 가끔 유용하다. 이것들도 나중에는 자주 봐서 외워지게 된다. 칼륨과 칼슘의 순서는 헷갈리니 조심할 것.

H(수소) He(헬륨) Li(리튬) Be(베릴륨) B(붕소) C(탄소) N(질소) O(산소) F(플루오린) Ne(네온) Na(나트륨/소듐) Mg(마그네슘) Al(알루미늄) Si(규소(실리콘)) P(인) S(황) Cl(염소) Ar(아르곤) K(칼륨) Ca(칼슘)

• 수헤리베비키니오프네나마알지펩시콜라칼칼신사

그 외 더 많은 암기법은 추가바람

여담

Na은 나트륨이라고도, 소듐이라고도 읽는다. 대학교 가면 책에 죄다 소듐이라고 적혀 있어서 낯설 것이다. K도 칼륨, 포타슘 표기를 둘 다 쓴다. 왜 이렇게 되는지는 Na 항목과 K 항목 참고. 그리고 Si(규소)는 실리콘이라고 읽지만 우리가 흔히 아는 실리콘과 다르다!

원자, 분자 및 이온

원자론

데모크리토스, 돌턴 돌턴의 가설

1. 원소는 원자라고 하는 매우 작은 입자로 구성되어 있다.
2. 한 원소의 원자들은 모두 동일하며, 크기, 질량, 화학적 성질이 모두 같다. 한 원소의 원자들은 다른 모든 원소의 원자와는 서로 다르다.
3. 화합물은 두 가지 이상 원소의 원자로 이루어져 있다. 어떤 화합물이든지 존재하는 어느 두 원소의 원자수의 비는 정수 혹은 간단한 분수이다.
4. 화학 반응은 원자의 분리, 결합, 재배열만을 포함한다. 다시 말해, 원자는 화학 반응에 의해서 생성되거나 없어지지 않는다.

원자의 구조

전자(톰슨, 음극선, 밀리컨), 방사선(알파, 베타, 감마선), 양성자(톰슨 건포도푸딩, 러더퍼드 알파입자 산란 실험), 핵, 중성자(채드윅)

원자 번호, 질량수 및 동위원소

원자 번호, 질량수, 동위원소 정의. 중수로 만든 얼음이 물에 가라앉는 사진.

주기율표

자세한 부분은 아래의 원소의 주기성 항목에 적자. 주기, 족, 금속, 비금속, 준금속, 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 할로젠, 영족 기체에 대한 간단 설명.

분자와 이온

분자와 이온의 종류

화학식

분자식, 동소체, 구조식, 실험식, 이온 결합 화합물의 화학식

화합물은 어떻게 읽나요

슈토크 체계를 사용하기. 분자, 이온, 산, 염기의 명명, 수화물

• 산(acid)
  1. "-산(-ic acid)"에 산소 원자 한 개를 첨가할 때: 그 산을 "과...산(per... ic acid)"이라 부른다. 따라서 염소산(chloric acid, HClO₃)에 산소 원자 한 개를 첨가하면 과염소산(perchloric acid, HClO₄)이 된다.
  2. "-산(-ic acid)"에서 산소 원자 한 개를 제거할 때: 그 산을 "아...산(-ous acid)"이라 부른다. 따라서 질산(nitric acid, HNO₃)은 아질산(nitrous acid, HNO₂)이 된다.
  3. "-산(-ic acid)"에서 산소 원자 두 개를 제거할 때: 그 산을 "하이포아...산(hypo...-ous acid)"이라 부른다. HBrO₃이 HBrO로 될 때 이 산을 하이포아브로민산(hypobromous acid)이라 한다.
  • 산소산 음이온(oxanion), 즉 산소산의 음이온
    1. "-산(-ic acid)"에서 모든 수소 이온을 제거하면, 음이온의 끝은 "-산 이온(-ate)"이 된다. 예를 들면, H₂CO₃에서 파생한 음이온 CO₃^2-은 탄산 이온(carbonate)이라 부른다.
    2. "야...산(-ous acid)"에서 모든 수소 이온을 제거하면, 음이온의 끝은 "아...산 이온(-ite)"이 된다. 따라서 HClO₄에서 파생한 음이온 ClO₂^-은 아염소산 이온(chlorite)이라 부른다.
    3. 음이온에서 전부가 아닌 일부 수소 이온이 제거되었다면 남아 있는 수소 이온의 수를 그 음이온의 이름에 나타내야 한다.

유기화합물의 명명

알케인, 알카인, 알켄, 앞에 붙는 접두사(펜타, 헥사, 헵타, 옥타,...)

화학 반응에서의 질량 관계

원자 질량

평균 원자 질량 계산

질량 분석기

원리

실험식 결정법

원수

화학 반응과 화학 반응식

반응식 표기, 계수 맞추는 요령

한계 시약

한계 시약, 초과 시약

오비탈과 양자화학

지옥에 온 것을 환영한다 화 1 선택자들을 멘붕시키는 첫 번째 관문. 하지만 오비탈을 모르면 이 뒤의 내용을 이해할 수 없다. 이 부분은 나만 힘든 게 아니니 기운을 내자. 어렵다면 양자화학 부분은 건너뛰고 오비탈만 읽어도 된다.

원소의 주기성

주기율표의 발전단계

뉴렌즈의 옥타브 법칙

1864년 영국의 화학자 뉴렌즈(Newlands)가 알려진 원소를 질량 순으로 배열하면, 매번 8번째 원소가 비슷한 성질을 갖는다는 것을 알아내었다. 뉴렌즈는 이 법칙을 옥타브 법칙(law of octaves)이라고 이름 지었다. 단 이 법칙은 칼슘 이후의 원소부터는 적절하지 않아서 뉴렌즈는 별로 인정을 못 받았다.

여담으로, 뉴렌즈는 당대에 인정을 못 받은 것 뿐만 아니라 조롱의 대상이 되기까지 했다. 이름을 옥타브음악시간에 들었던 그 옥타브라고 지은 바람에 동료 과학자들이 음악과 엮어서 놀렸다고.

멘델레예프의 주기율표

러시아의 화학자 멘델레예프(Mendeleev)와 독일의 화학자 마이어(Meyer)가 확립한 주기율표로, 현대적인 주기율표와 비슷하다. 멘델레예프의 주기율표는 66가지의 이미 알려진 원소가 포함되어 있었다. 이 주기율표가 대단한 이유는 다음과 같다.

• 원소의 성질을 기초로 하여 좀 더 정확하게 분류하였다.
• 발견되지 않은 원소의 성질을 예측할 수 있었다.

멘델레예프는 에카알루미늄(eka-aluminium)이라는 원소가 원자 질량 68amu에 녹는점이 낮고, 밀도는 5.9g/cm³이며 산화물의 화학식은 Ea₂O₃일 것이라 예측했다. 그런데 4년 뒤 발견된 갈륨(Ga)은 원자 질량 69.9amu에 녹는점은 29.78°C, 밀도가 5.94g/cm³, 산화물의 화학식이 Ga₂O₃였다!오오

갈륨은 낮은 녹는점 때문에 손바닥 위에서도 녹는다. 갈륨으로 만든 숟가락이 있으면 재미있는 장난을 칠 수 있다. 사라지는 숟가락

아직 이때는 원소를 원자번호 순이 아니라 원자량 순으로 나열해서 오류가 있다. 아르곤이 칼륨보다 원자 질량이 커서 1족에 배치되고 칼륨은 18족에 배치되었다. 1족은 반응성이 큰 알칼리 금속, 18족은 반응성이 거의 없는 비활성 기체이다. 그런데 아르곤은 비활성 기체이다. 반면 칼륨은 반응성이 지랄맞게크다! 이 오류는 나중에 영국의 젊은 물리학자 모즐리(Moseley)가 원자번호 순으로 나열한 현대 주기율표를 만들면서 해결된다.

현대 주기율표

현대 주기율표는 원자 번호 순(양성자 개수 순서)대로 배열한다. 따라서 멘델레예프의 주기율표와 다르게 아르곤이 18번, 칼륨이 19번이다. 영국의 물리학자 모즐리(Moseley)는 원자 번호 증가 순서가 몇몇 예외를 제외하고 원자 질량 증가 순서와 같음을 알게 되었다.

원자 번호는 어떻게 결정했을까?

모즐리는 자신이 원자 번호라고 이름 붙인 물리량과 그 원소로 만들어진 표적에 큰 에너지를 가진 전자를 부딪힘에 따라 발생하는 X선의 진동수 사이의 연관성을 발견하였다. 모즐리는 원소로부터 나오는 X선의 진동수를 다음 식으로 나타낼 수 있는 걸 알게 되었다. [math]\displaystyle{ [[TeX|\sqrt{ν}=a(Z-b)]] }[/math] 여기서 ν는 방출된 X선의 진동수이며, a와 b는 상수로 모든 원소가 같은 값을 갖는다. 그러므로 관찰된 방출 X선 진동수의 제곱근으로부터 그 원소의 원자 번호를 결정할 수 있었다.

화학 결합: 심화 개념

심화 개념이라고 되어 있지만 진짜 심화와 그럭저럭 할만한 개념이 섞여 있다.

분자의 기하 구조

원자가 껍질 전자쌍 반발(valence-shell electron-pair repulsion, VSEPR)모형

혼성

여기서부터 진짜 심화 개념. 고등학생인 위키러라면 마음을 비우고 그냥 보면 된다.

고체, 액체, 기체

이상 기체

일단, 위에서 적었듯이 물체는 고체, 액체, 기체 상태가 존재한다. 여기서 이상 기체를 다루기 전에 미리 알아야 할 내용을 서술하고 그 내용에 대해서 서술하도록 하겠다.

먼저, 1atm, 섭씨 25도에서 기체 상태로 존재하는 것들의 대표적인 예시다.

홑 원소 물질	화합물
수소, 산소, 오존, 질소, 플루오린, 헬륨, 염소, 아르곤, 네온, 크립톤, 크세논, 라돈	이산화탄소, 일산화탄소, 암모니아, 이산화황, 염화수소, 요오드화수소, 메탄, 에틸렌, 아세틸렌

다음으로는 기압에 관한 것이다. 토리첼리에 의하여 기체는 물질들을 미는 힘, 즉 압력이 있음이 발견되었는데 이것이 기압이다. 밑면적 1제곱센티미터, 높이 1미터의 유리관에 있다고 가정할 때, 이 유리관에 수은을 가득 채우고 수은이 가득 담긴 수조에 거꾸로 세우면, 수은 이 수조 속으로 내려가다가 높이가 76센티미터가 될 때때 멈춘다. 이는 대기 속의 기체 분자가 이리저리 닐아다니다 수조의 수면을 때리고, 이 힘이 전달되어 수은을 약 76센티미터까지 밀어올리기 때문이다. 이것이 대기압이며, 이를 1기압이라 하고, 760mmHg 또는 1atm으로 표기한다. 여기에 1atm은 1제곱미터당 1.013*100000Pa 또는 1013hPa에 해당한다.

일단, 이에 대해서 더 들어가면 끝이 없으므로 자세한 설명은 생략하고 본론으로 들어가자.

이상기체를 이해하기 위해서는 두 가지 법칙에 대한 선행 이해가 필수적이다. 바로, 보일의 법칙과 샤를의 법칙이다. 합쳐서 보일-샤를의 법칙이차 말하기도 한다.

우선, 보일의 법칙을 설명하자면, 온도가 일정할 때, 일정량의 기체의 부피 v는 압력 p에 반비례한다. 이를 식으로 표현하자면, pv=k <여기서 k는 상수다.> 이것을 조금 변화시켜보자. 일정량의 기체가 존재함을 가정하고, 압력이 (p1)에서 (p2)로, 부피가 (v1)에서 (v2)로 변화한다면, (p1)(v1)=(p2)(v2)가 된다.

다음으로, 샤를의 법칙을 알아보자. 압력이 일정한 상황에서 일정량의 기체는 온도가 섭씨 1도씩 증감함에 따라서, 부피의 1/273만큼 증감한다. 섭씨 0도에서의 부피를 (v0)라 하고, 압력이 일정한 상황에서 섭씨 t도만큼 온도를 상승시켰을 때 기체의 부피를 식으로 나타내면, V=(v0)(1+1/273)=(273+t)/273*(v0). 이 식에서 유도된 결과에 의한다면 섭씨 -273도에서 기체의 부피는 0이 된다. 이 0이 되는 온도를 0K이라 정의한다. 이 온도에 대한 변수를 T라 한다면, T=t+273. K가 비례상수라면, k=v/T이고, (v1)에서 (v2)로, (T1)에서 (t2)로 변한다면, (v1)/(T1)=(v2)/(T2).

위의 두 법칙을 합치면, k=pv/T이다. 당연하지만, 이것도 변환되어서 (p1)(v1)/(T1)=(p2)(v2)/(T2)가 되며, 이를 보일-샤를의 법칙이라 한다.

자, 여기까지 된다면, k의 값이 매우 궁금할 것이라 생각된다. K는 기체상수로 R이라 한다. 이 R은 표준상태에서 약 0.082[atm*l/(mol*K)] 또는 8.31[Pa*m^3/(mol/K)]이다. 이를 이용해서 보일-샤를의 법칙을 재설명하면, pV/T=R이다. 이는 기체가 n[mol]에서도 성립한다. 즉, pv=nTR이 되는데, 이 식을 이상 기체의 상태방정식이라 한다.

자, 이제 본론이다. 실제기체는 분자 알갱이 자체의 크기, 즉, 부피가 존재하고, 압력, 부피 등의 상태가 온도뿐 아니라 여러 요인에 의해서 변하게 된다. 이런 이유로 1몰의 부피가 22.41383 L 보다 크거나 작게 되며, 저압, 고온의 상황이 아닌 경우에는 오차가 발생하게 된다. 즉, 상태방정식을 완벽하게 따르지 않는다. 그러나, 이를 완전하게 만족하는 가상의 기체, 즉, 지금까지 유도된 기체의 상태방정식을 완전히 만족하는 기체는 이상 기체라 한다. 이런 이상 기체의 경우, 기체상수 R이 1몰에서 약 0.082가 되며, 어떤 온도나 압력이나 기체 종류나 상관없이 항상 일정하다. 즉, 이상기체는 분자간의 상호작용이 없으며, 온도와 압력이 변해도 고체나 액체가 되지 않고 항상 기체 상태이다. 또한 질량이 존재하는 것에 반하여 분자 알갱이 자체의 부피는 없다. 여기에 항상 표준상태에서 22.41383l이다.

따라서 실제 기체가 이상 기체와 가까워지려면 분자간 상호작용이 거의 없고, 분자 알갱이의 크기를 무시할 수 있어야 한다. 이런 상태는 기체가 아주 희박할 때, 즉 압력이 낮고 온도가 높아서 분자간 거리가 멀고 부피당 분자 수도 작을 때이다. 이런 조건에서는 이상 기체 식의 결과와 실제 측정 값이 매우 근접한 모습을 보인다.

화학 평형

어서와, 화학 평형은 처음이지?

엔트로피, 자유 에너지 및 평형

여러분이 화학 2를 수능에서 선택하는 미친짓을 했다면 이 단원이 굉장히 반가울 것이다. 이 단원의 수능 문제는 부등호 방향 몇 개만 파악하면 쉽게 풀린다.그러나 대학교를 가는 순간...

산과 염기

산-염기 평형 및 용해도 평형

버틸 수가 없다2

무기화학

weapon 화학이 아니다

비금속 원소

다음은 비금속 원소들의 제법들이다.

질소	실험실 제법 : 아질산암모늄 진한 용액을 열분해한다. NH4NO2 -> 2H2O + N2 공업적 제법 : 액체공기를 분별증류로 얻는다.
일산화질소	실험실 제법 : 묽은 질산과 구리를 반응시한다. 3Cu + 4HNO3 -> 3Cu(NO3)2 + 4H2O + 2NO
암모니아	실험실 제법 : 염화 암모늄과 소석회를 혼합하여 가열한다. 2NH4Cl + Ca(OH)2 -> CaCl2 + 2H2O + 2NH3 공업적 제법 : 수소와 질소를 촉매를 사용하여 200atm, 873K에서 반응시킨다. N2 + 3H2 -> 2NH3 (하버법)
이산화질소	실험실 제법 : 진한 질산과 구리를 반응시킨다. Cu +4HNO3 -> Cu(NO3)2 + 2H2O + 2NO2
일산화탄소	실험실 제법 : 개미산에 진한 황산을 적하하야 가열한다. HCOOH -> H2O + CO 공업적 제법 : 붉게 가열된 코커스에 이산화탄소를 통과시킨다. C + CO2 -> 2CO
이산화탄소	실험실 제법 : 1) 탄산칼륨과 묽은 염산을 반응시킨다. CaCO3 + 2HCl -> CaCl2 +H2O + CO2. 2)탄산수소나트륨을 열분해한다. 2NaHCO3 -> NaCO3 + CO2 + H2O. 공업적 제법 : 석회석을 구우면 얻을 수 있다. CaCO3 -> CaO + CO2

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