시리즈:화포자도 쉽게 알 수 있는 화학

화학이 정말 쉬워서 저 화포자 그만둡니다

문서의 내용이 너무 쉬워서 머리속에 쏙쏙 들어옵니다.

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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

본격적인 내용은 테크트리에 나와 있는 하위 문서에 분리해 두었고, 여기에는 그 개별 항목을 이해하기 위한 배경 지식을 적어 두었다.

• 편집의 방향성
  • 딱딱한 용어나 서술을 쉽게 풀어쓰는 편집도 환영합니다.
  • 수식은 보는 사람을 겁먹게 합니다. 수식을 꼭 넣어야 하는 상황일 때는 되도록이면 펼치기/접기를 이용해서 위키러의 멘탈을 안심시켜 주세요.
  • 현재 이 문서는 '범위는 일반화학까지, 설명은 고등학교 화학책처럼 친절하게'를 모토로 하고 있습니다.
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• 주의사항
  • 화학식을 수식으로 적으면 절대 안 됩니다. 원소기호는 절대로 이탤릭으로 적지 않습니다. 일부 무식한 참고서에서 수식 기능을 사용해서 적는 예가 있으나, 제대로 된 교과서 펼쳐 보면 전부 다 세워 적고 있음을 알 수 있습니다.
    위첨자는  태그를, 아래첨자는  태그를 쓰면 됩니다.
  • 문자는 기울여 적고, 단위는 세워 적습니다.

테크트리

목차 구성

• 총론: 반응식과 반응수득률, 반응식 계수 맞추기, 분자의 구조, 화학결합 등
• 물질: 이상기체, (kinetic theory), 상, 용액, 결정 구조
• 화학평형: (열역학), 열화학, 산화-환원, 화학평형 일반, 산–염기 평형, 용해평형, 전기화학
• 반응속도: 반응속도식, 메커니즘, 핵화학
• 양자화학: (양자역학 서론), 원자의 구조, 분자의 구조, 분자와 빛의 상호작용, 배위화학
• 기타: 유기물질, 무기물질, 고분자물질 등

보는 순서

• 고등학교 화학 1을 배운다면: 아보가드로 법칙→원소의 주기성 →분자의구조 →산화와 환원 →산과 염기
• 고등학교 화학 2를 배운다면: 액체,기체,고체→반응의 자발성 → 화학 평형→화학 전지 →반응속도

기초적인 내용

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

예시) 고체 칼슘 Ca(s), 액체 물 H₂O(l), 기체 헬륨 He(g)

• 물에 물질이 녹아있는 수용액aqueous solution의 경우 aq를 괄호안에 표시한다. 단, 물에 녹아있는 물질만 쓰도록 한다.

예시) 염화 나트륨 수용액 NaCl(aq)

• 순물질과 혼합물

물질의 분류, 원소, 원자의 분류

원자, 분자 및 이온

이 세상의 모든 것은 원자로 이루어져 있다.우선 보면 여러분의 손바닥은 수많은 세포로 이루어져 있다. 그 세포는 단백질과 같은 수많은 분자로 이루어져 있고 그 분자는 원자들의 모임이고, 그 원자는 전자와 핵으로 이루어져 있다. 핵은 다시 양성자와 중성자로 나뉘고, 양성자와 중성자는 다시 쿼크로 나뉜다. 이런 작은 입자들이 얼마나 작은 지 상상하는 건 거의 불가능하다.

양성자는 원자를 구성하는 입자 중 하나이다. 이 양성자가 얼마나 작은 지 한 번 생각해 보자. 여기 찍힌 온점 하나 정도의 크기에 500,000,000,000개의 양성자가 들어갈 수 있다. 이 숫자는 오십만 년을 초로 센 것보다 큰 숫자이다.

옛날 사람들은 물질의 근본이 물, 또는 4원소(물, 불, 공기, 흙)로 이루어져 있다고 생각했다. 그러나 사실 우리의 세상은 이렇게 작은 것들로 이루어져 있다. 이러한 개념은 사람들이 세상을 보는 방식을 완전히 바꾸어 놓았다.

원자론

모든 원소는 원자라는 작은 입자로 구성되어 있다는 생각을 처음 한 사람은 영국의 화학자 존 돌턴이었다. 훨씬 이전에 그리스의 철학자 데모크리토스도 원자론을 주장하였지만 과학적 사고를 토대로 원자론을 주장한 사람은 돌턴이다. 물론 이런 생각이 갑툭튀한 건 아니다. 돌턴은 라부아지에의 질량 보존의 법칙과 프루스트의 일정 성분비의 법칙을 더 효율적으로 설명하고, 물질의 (화학)변화를 더 정확하게 서술하기 위해 원자라는 개념을 도입할 필요성을 느꼈다. 그래서 돌턴은 다음과 같은 가정을 하였다.

돌턴의 가설

1. 원소는 원자라고 하는 매우 작은 입자로 구성되어 있다. 원자는 더 이상 쪼개지지 않는 가장 작은 입자 단위이다.
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.

돌턴의 가설이 완전한 것은 아니었다. 다음과 같은 문제가 있었다.

• 1번에 대한 반박: 원소는 전자, 양성자, 중성자 등의 더 작은 단위로 쪼갤 수 있다.
• 2번에 대한 반박: 어떤 원소가 양성자 수는 같지만 중성자 수는 다른 동위원소관계이면 질량수가 달라진다.

분자설

이렇게 돌턴이 원자설을 제시하고 나서, 이탈리아의 화학자 아보가드로는 기체반응의 법칙을 위해 분자라는 개념을 도입할 필요를 느꼈다. 그러면 그 전에 기체반응의 법칙이 무엇인지 알아보자.

기체반응의 법칙

기체의 화학 반응에서 반응물과 생성물의 부피 사이에는 일정한 정수비가 성립된다는 법칙이다. 단, 같은 온도와 압력 조건이어야 한다. 1805년 게이뤼삭ANG?이 발견하였다.

물(수증기)가 생성되는 반응을 보자. 물은 수소기체 2부피와 산소 기체 1부피가 만나면 수증기 2부피가 생성된다. 그런데 아직 분자 개념이 없으므로 이런 반응이 성립하려면 반응물에서 생성물로 변하면서 원자가 쪼개져야 한다. 아래 그림을 보자.

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(틀렸지만)돌턴의 가설에 따르면 원자는 쪼개져서는 안 된다. 돌턴은 새로운 반박을 제시했는데, 원자 상태의 기체 물질과 화합물 상태의 기체 물질이 동일한 부피 내에서 존재하는 수가 다를 수 있다는 것이다. 쉽게 말해 수소나 산소가 1부피 안에 2개씩 들어간다면 물은 1부피 안에 하나만 들어간다는 것이다.

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아보가드로는 이에 동의하지 않았고, 분자라는 새로운 개념을 도입할 필요를 느끼게 되었다.

아보가드로의 가정(및 추론)

1. 기체 물질은 분자로 구성되어 있다.

→문제점: 분자로 구성되지 않는 기체 분자도 있다. (ex: He, Ne, Ar과 같은 18족 원소들)

1. 같은 기체 분자의 크기, 모양, 질량은 같다.

→문제점: 동위 원소 관계의 원자로 구성된 분자는 분자량이 다르다.

1. 분자는 더 작은 입자로 쪼개어질 수 있으며, 그 때 원래 분자의 성질을 잃게 된다.

→옳다: O₂기체가 O 두 개로 쪼개지면 원래 산소의 성질을 잃게 된다.

1. 동일한 온도, 압력 조건에서 같은 부피 속에는 기체의 종류에 상관없이 기체 분자 수가 같다.

원자의 구조

전자의 발견

전자는 톰슨이 음극선 실험으로 발견하였다.

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.

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 "차아...산" 또는 "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. "아...산(-ous acid)"에서 모든 수소 이온을 제거하면, 음이온의 끝은 "아...산 이온(-ite)"이 된다. 따라서 HClO₃에서 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

유기화합물의 이름은 반응기와 탄소의 개수로 명명된다. 예를 들어 -OH를 달고 있는 물질은 알코올, -O-를 달고 있는 물질은 아세톤... 같은 식으로 기본적인 이름이 결정된다. 다음은 탄소의 개수에 따라 화합물 앞에 접두사가 붙는다.

탄소의 개수	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
접두사(영어)	metha	etha	propa	buta	penta	hexa	hepta	octa	nona	deca
접두사(한글)	메타	에타	프로파	부타	펜타	헥사	헵타	옥타	노나	데카

예를 들어, 탄소가 2개인 알케인은 에타-(etha) + 알케인(alkane)이므로 에테인(ethane)이 되고, 탄소가 5개인 알케인은 펜테인(pentane)이 되는 식이다.

그런데, 탄소에 가지가 달리면 어떻게 이름을 붙여야 할까? 앞에 가지가 달렸다는 의미로 iso-, neo- 등의 접두사를 붙이지만, 그것 만으로 모든 탄소화합물 이름을 명명하기는 어렵고, 이름도 너무 길어진다. 따라서 실제로는 가지 부분을 알킬기로 본다. '가지'의 탄소수에 따른 접두사+알킬기의 일(yl-)접두사를 붙이고, 가장 긴 사슬의 탄소 수에따른 이름을 붙인다.