시리즈:화포자도 쉽게 알 수 있는 화학/총론

화학이 정말 쉬워서 저 화포자 그만둡니다

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화포자도 쉽게 알 수 있는 화학
총론	물질	화학평형	양자화학	기타

화학 반응에서의 질량 관계

원자 질량

화학 1 교과서에서는 원자량이라는 개념이 설명되어 있을 것이다. 원자량이란 탄소12의 질량을 12로 정하고 다른 원자의 질량을 이에 맞추어 정한(예: 수소1의 질량은 탄소12의 질량의 1/12이므로 1로 정함)상대적 질량으로 귀찮게 왜 이런걸 정하냐 하면 원자의 질량은 매우 작아 일반적으로 사용하는 그램을 활용하면 계산에 수많은 애로사항이 생기는 반면 원자량으로 계산할 때에는 각 원자의 원자량만 알아두면 간단한 정수로 원자나 분자의 질량을 나타낼 수 있어지기 때문이다. 그러니까 불만 가지지 말고 공부하자 주로 사용되는 원소의 원자량을 말하자면 수소는 1이며, 2번부터 20번까지의 원소들은 원자량이 "원자번호 × 2"의 법칙이 대체로 맞아들어간다. 물론 정확한 법칙은 아니지만 대체로 이렇다는 것. (염소에서 뽀록나긴 한다) 통상 고등학교 수준에서는 이 정도까지만 알아두면 통밥 굴려서 문제를 푸는데는 지장이 없을 것이다. 그리고 어지간한 문제에서는 원자량이 얼마인지 표기되니 걱정하지 말자.

여담으로 원자량은 1몰당 그램수인데 기준은 탄소원자 1몰의 질량을 12g으로 정의하는 것에서 시작한다. 고교 과정이든 대학 기초화학과정이든 적어도 수소와 산소, 탄소, 질소 정도의 원자량은 외워두자. 수소는 1이고 나머지는 원자번호의 2배수가 원자량이므로 외우기도 쉽다. 왜 이 원소들을 따로 얘기하냐면, 화학2 과정에서도 유기화합물까지 들어가 봐야 저 원자량을 계산하는 문제들은 원소들이 거의 전부이기 때문이다.(물론 언제든지 뒤통수를 맞을 수 있기 때문에 저것만 다 외웠다고 안심하지 말자)

아보가드로 수와 원소의 몰질량

일단 이 숫자는 무조건 외워두는 게 속이 편하다. 무슨 소리인고 하니 기체 1몰당 들어가는 분자의 숫자는 6.02×10²³개라는 소리이다. 분자량이 얼마이건, 분자를 구성하고 있는 원자의 수가 몇 개이건 그건 전혀 상관없다 일단 기체물질이기만 하다면 그게 단원자 분자이건, 이원자분자이건, 다원자 분자이건 기체 1몰에 해당하는 분자의 개수는 무조건 저것이며, 부피비도 여기에 동일하게 적용된다. 즉, 기체간의 반응식에서 몰의 비율 = 기체의 부피비율이 되기 때문에 반응 이후 부피상태를 쉽게 유추할 수 있다. 예를 들어 수소와 산소가 만나 물이 되는 화학 반응식을 살펴보면 2H₂(g) + O₂(g) → 2H₂O(g) 로 수소 2몰과 산소 1몰이 반응하여 물분자 2몰이 발생함을 알 수 있으며, 반응 이후의 물이 수증기라는 기체상태이므로 반응 이후의 총 부피는 3에서 2로 줄어들게 되는 것이다.

분자 질량

분자 질량도 아까와 동일한 방식으로 구하면 된다. 다만 여기서는 분자이기 때문에 분자를 구성하는 원자의 질량을 모두 더해줘야 하는데 예를 들면 물의 경우 수소 두개와 산소 하나로 이루어져 있으므로 수소의 원자량인 1에 수소 두개가 있었다고 하니 2를 곱해준 후 산소의 원자량인 16을 더해주면 된다 이때 화학식량이란게 얼마나 우수한 것인지 알 수 있는데 특정 물질 1몰의 질량을 알고 싶을때는 분자량 뒤에 그램만 붙여주면 되기 때문이다.

질량 분석기

원리

실험식 결정법

원수

한계 시약

한계 시약, 초과 시약

주기율표는 왜 외우나요?

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. (한글자모도 24개로 다 말하는데 뭐가 이상하단거야!)

일단 지금 계속해서 새로운 원소가 발견되는 중인 것은 맞다. 하지만, 새로 발견된 원소는 인공적으로 만들어진것들이며, 납을 기준으로 그 위의 원소들은 상대적으로 안정도가 떨어진다. 이렇게 안정도가 떨어지는 가장 큰 이유는 중성자와 양성자의 비율을 맞추기 힘들어지기 때문이다. 양성자끼리는 서로 반발하고 중성자는 상대적으로 쉽게 이탈할 수 있기 때문에 중성자와 양성자의 수가 많으면 극도로 불안정해진다. 이 이상 파고들면 물리학의 영역이다 현재 인공적으로 합성된 많은 원소들은 단 몇초만에 혹은 몇 밀리초만에 소멸해버리므로 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, 납 등이다. 이 다음으로는 운비헥슘이라고 불리우는 원소가 여기에 속했다고 알려져 있다. 하지만, 아직까지 만드는데 성공을 하지 못했고 당연히 그 조건이 매우 까다롭기 때문에 쉽게 발견하긴 힘들 것이다. 잊지 말자. 과학은 발견을 하는 학문이지, 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.대학 오면 칼륨이 포타슘으로 둔갑해서 더 머리아파진다

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/포타슘) Ca(칼슘)

• 수헤리베비키니오프네나마알지펩시콜라칼칼신사
• 수헤리베비키니옷벗네나만알지펩시콜라크카콜라를 먹으면 트럼을
• 수헬리베붕탄질산플네나마알규인황염아르칼칼슘
• 수헤리베붕탄질산불네나마알실인황염알곤크카 : 이건 좀 옛날 방식이다. 플루오린을 불소라고 하기도 하기 때문. 원소기호의 발음에 초점을 맞춘 것이다.
• 흐헤 리베비씨노프네 남극알십스클라 크카 : 원소기호를 영어로 3번부터 20번까지 쭉 읽은 것으로 문자 하나가 원소 하나에 대응되지 않는다.
• 수리나칼 베마칼 붕알갈 탄규게 질인비 산황셀 플염브 헬네아크 : 족 단위로 암기하는 방법.

그 외 더 많은 암기법은 추가바람

여담

Na은 나트륨이라고도, 소듐이라고도 읽는다. 대학교 가면 책에 죄다 소듐이라고 적혀 있어서 낯설 것이다.여기서 나이가 티가 난다 개편된 교육과정에서는 소듐, 포타슘이라고 한다 카더라 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!

주기율표는 힘을 들여 외울 필요가 없다. 그저 자주 사용하다가 보면, 화학을 더욱 깊게 공부하다 보면, 어느새 자신이 원자번호만 듣는다면 그 원소가 무엇인지, 위치가 어디인지, 오비탈의 바닥배치가 무엇인지, 또는 그 원자의 질량이나, 아니면 전기 친화도와 원소의 족, 반응성, 이온화 에너지와 그런 이온 결합시 어째서 다른 모습의 결합이 없는가에 대한 이유, 전기음성도, 원자가전자와 오비탈의 홀전자수와 같은 것들을 곧바로 말할 수 있다. 혹시, 주기율표를 아직도 외운다는 바보같은 생각을 가지고 있다면 묻겠다. 저기 나열된 것들을 모든 번호에 대해서 외울 수 있는가?

주기율표

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

원소의 주기성

시험에도 참 많이 나오는 부분이다.

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

여담으로 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?(수식 주의)

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{ \sqrt{\nu} = 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.

그리고 루트 안의 ν는 v(브이)가 아니다. 누(nu)라고 읽는 그리스 문자이다.이럴수가 진동수를 나타내는 기호.

원소의 주기적 분류

자, 다시 한 번 더 주기율표를 보자.

치워요 현기증난단 말이에요 정말 아름다워요.

주족 원소(representative element 혹은 main group element)

1족~2족, 13족~17족에 속해 있는 원소들이다. 이들은 모두 최대 주양자수의 s나 p 부껍질이 완전히 채워지지 않았다. 헬륨을 제외한 모든 비활성 기체(noble gas, 18족 원소)는 p 껍질이 완전히 채워져 있다.

전이 금속

3족~11족의 원소들로 d 부껍질이 완전히 채워지지 않았거나, 완전히 채워지지 않은 d 부껍질을 가진 양이온을 잘 형성하는 원소들이다.

12족 원소

주족 원소도 전이 금속도 아니며 특별한 이름이 없다.

란타넘족과 악티늄족

완전히 채워지지 않은 f 부껍질을 가지기 때문에, f구역 전이 원소라고 한다.

여기서 s, p, d, f를 보고 정신이 혼미해졌다면 다시 오비탈 부분으로 올라가 복습해보자.

원소가 화학적으로 어떻게 반응하는지는 원소의 원자가 전자(valence electron, 혹은 최외각 전자)에 의해 결정된다. 1족의 원자가 전자는 1개, 2족의 원자가 전자는 2개, 13족의 원자가 전자는 4개, ... , 17족의 원자가 전자는 7개이다. 18족은 원자가전자가 없다. 뭔가 규칙성이 보일락말락 하는가? 핵심은 모든 전자가 화학 반응에 참여하지 않는다는 것이다. 칼륨은 전자를 19개나 가지고 있지만 정작 반응에 관여하는 전자는 1개뿐이다! 이건 칼륨이 1족 원소여서 그렇다.

원소가 가진 모든 전자는 반응에 관여하는 원자가 전자와 원자가 전자가 아닌 핵심부 전자로 나눌 수 있다. 화학 반응을 생각할 때는 이 핵심부 전자에 대해서는 신경을 끄면 된다. 그럼 몇 개까지가 핵심부 전자인가? 그건 바로 그 원소 바로 이전에 있는 18족 원소의 전자 수이다. 칼륨의 경우, 바로 이전에 있는 18족 원소는 아르곤이다. 아르곤의 원자 번호는 18이므로, 칼륨의 원자가 전자는 칼륨의 원자번호 19에서 18을 뺀 1이다. 원자가 전자를 최외각 전자라고도 하는 이유는, 이런 식으로 '핵심부 전자를 제외한 나머지 가장 바깥에 있는 전자'라는 의미로도 해석할 수 있기 때문이다.

원자가 전자가 이런 식으로 결정된다면, 우리는 규칙을 발견할 수 있다. 같은 족이면 원자가 전자의 수가 같다. 따라서 같은 족이면 화학적 성질도 비슷하다. 예를 들어 1족은 (수소를 제외하고) 물에 떨어뜨려 보면 크고 아름다운 반응성을 폭발적으로 보여 준다.

다만 이 규칙성은 깊이 들어가면 맞지 않는 경우가 많으니 주의하자.

화학 결합: 기본 개념

공유 결합

결합 길이

결합의 개수가 많아질수록 결합이 강해진다. 결합이 한 개인 것이 손만 잡는 거라면, 두 개는 키스도 하는 것이고, 세 개는... 더 이상의 자세한 설명은 생략한다. 무슨 생각 하니?

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

쌍극자 모멘트

쌍극자란 크기가 같고 부호가 다른 두 전하가 일정한 거리에 떨어져 부분적인 전하를 나타내는 것이다. 쌍극자 모멘트는 결합이나 분자의 극성의 크기를 나타내는 물리량으로, 두 원자의 전하량과 두 전하 사이의 거리를 곱한 값으로 나타낸다. 쌍극자 모멘트의 값이 클수록 극성이 크다.

혼성

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