캣미스트리

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5. 한계 반응물(=한계 시약)

한계 반응물의 정의는 간단합니다!

빨간분자는 산소, 파란분자는 수소입니다.

O2와 H2가 결합해 H2O가 되려 합니다.

화학반응식을 만들면, O2 + 2H2 → 2H2O 가 되겠지요?

즉, O2 하나에 H2 두개가 필요해요. 그런데 O2는 4개, H2는 10개가 있습니다. 

그럼 이렇게 되겠지요.

O2 + 2H2 → 2H2O 에서, O2가 4개 있을 때 H2 8개가 결합할 수 있습니다.

그럼 H2가 2개가 남겠지요?

즉, O2가 더 있었으면 생성물을 더 만들었을텐데 그러지 못했어요. O2가 부족했기 때문이에요.

이렇게 생성물의 양을 제한하는 반응물을 한계 반응물 또는 한계 시약 이라고 부릅니다.

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1. 원자 질량, 몰

① 원자 질량

원자 한개의 절대적인 질량을 정확하게 저울에 달아 재는 것은 불가능해서,

원자 질량은 상대적인 질량을 재요. 즉, 하나를 기준으로 잡아놓고 나머지가 얼마나 가볍냐, 무겁냐로 따져요.

이때 기준이 되는것이 탄소의 질량단위 입니다. 탄소에도 동위원소들이 있는데,

이중 자연에서 가장 많은 질량수 12인 탄소를 기준으로 잡았습니다.

원자의 질량은 amu (atomic mass unit) 단위로 나타냅니다.

1 amu 란 원자 한개의 질량을 의미해요. 실제로 원자의 질량을 절대적으로 잴 순 없어서 1개가 딱 1 amu 인건 아니에요.

대신 원자의 질량을 나타낼 때 질량수 12인 탄소의 질량을 12 amu 로 잡은거에요. 즉, 그러기로 약속한거에요.

(이때 질량수란 양성자수+중성자수 를 뜻해요. 질량수는 보통 기호왼쪽위에 숫자로 나타내요.  질량수 12인 탄소는  이렇게)

그냥 직관적으로 설명해볼께요 (정확하지는 않음)

앞에서 원자의 질량은 양성자와 중성자에 의해 결정된다고 했지요. 질량수 12인 탄소는 양성자 6개와 중성자 6개를 가지고 있어요.

12 amu 가 질량수 12인 탄소의 질량이라고 했지요.

즉, 1 amu 는 양성자 하나와 중성자 하나를 합쳐서 2로 나눈, 평균 질량같은 느낌이겠네요
(실제론 중성자가 조금 더 무겁대요)

원자 한개의 무게를 표시하고자 amu 를 만들었는데, 왜 하필 탄소를 사용했을까요?

계산과정에서 가장 유용한게 탄소이기 때문이에요.

이유를 크게 두가지로 잡아보면 다음과 같아요.

⑴ 탄소를 기준으로 잡으면, 질량수 1인 수소의 질량이 1 amu에 매우 가까워요. 


수소 하나가 약 1.008 amu 가 돼요. 수소나 탄소는 화학계산에서 매우 많이 쓰이기에,


이 값들이 정수에 가까운게 화학계산에 유리해요.

⑵ 탄소가 자연계에서 동위원소 비율이 상당히 낮기 때문이에요.


동위원소란 같은 원자내에서도 질량이 다른거라고 했었어요. 그 이유는 중성자수가 다른 원소들이 있기 때문이구요.

그래서 동위원소가 매우 많고 복잡한 원소면 질량 계산할때 복잡하겠지요?

근데 탄소는 동위원소 비율이 매우 낮아요.

질량수 12인 탄소가 지구상에 98.89%, 13인 탄소는 1.11%, 14인 탄소는 계산의 의미가 없을 정도로 적어요.

그래서 동위원소로 인한 오차가 매우 적기 때문에 기준으로 사용하기 좋아요.

화학계에서는 산소를 기준으로 잡기도 한대요. 16amu 를 질량수 16인 산소원자의 질량으로 보는거지요.

그거야 과학계 알아서 할 일이고..

우리는 amu 가 가상의 원자 1개의 질량을 나타내는거구나, 하고 알면 돼요.

그리고 근사적으로, 1 amu 는  이에요.

② 몰, 아보가드로 수

몰은 쉽게 생각해야해요. 몰은 그냥 수에요. 1몰은 에요. 그냥 수이기에 단위도 없어요.

구슬이   개 있다하면 구슬이 1몰 있어요.

아이스크림이  개 있다 하면 아이스크림이 1몰 있어요.

이 때   이 수를 아보가드로 수(Avogadro's number)라 해요.

몰의 정확한 의미는 정확히 12g의 순수한  에 들어있는 탄소 원자수와 같은 수 라고 정의해요.

정의가 만들어지고, 정확한 측정법에 의해 아보가드로 수가 정해진 거에요.

다른 말로, 탄소 12g에 각 질량이 12 amu인 탄소가 정확히  개 들어있다는 뜻이에요.

즉,    이에요.

Q. 탄소 6개가 들어있는 시료의 질량은?

A. 탄소 하나의 질량은 12 amu 로 정의되었어요. 즉, 탄소 6개의 질량은 12 amu X 6 = 72 amu 에요.

amu와 g의 관계식을 위에서 봤지요. 단위인자로 환산해서 생각해보면

  이므로  

입니다.

즉, 

 일반화학에서 문제로 출제되는 영역을 요점정리 해볼께요.

보통 1단원에서는 기초부분을 설명합니다.

문제 제출의 핵심은 용어정의 / 유효숫자 계산 / 단위 계산 입니다.

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[용어 정의]

원자 - 물질을 구성하는 기본 입자

국제 단위계(SI단위계) - 과학자들의 국제적 합의에 의해 정해진 단위계(미터계 사용)로 가장 널리 사용됨

질량 - 물체의 운동상태를 변화시킬 때 물체 자체의 저항, 물체의 고유한 값

유효숫자 - 오차를 생각해도 믿을 수 있는 숫자, 항상 확실한 자릿수 + 불확실한 첫번째 자릿수

정밀도 - 측정값끼리 비슷한 정도

정확도 - 측정값이 참값에 가까운 정도

우연오차 - 특정한 원인을 알 수 없는 오차

계통오차 - 특정한 원인이 정해진 오차

단위(환산)인자 - 단위를 바꾸기 위해 사용하는 수식

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[유효숫자]

1. 유효숫자 세는 방법

① 0이 아닌 정수는 모두 유효숫자

  ex) 778.32 → 유효숫자 : 7,7,8,3,2

② 숫자 앞부분에 오는 0은 유효숫자가 아님

  ex) 0.014 → 유효숫자 :1,4

③ 숫자 가운데에 오는 0은 유효숫자

  ex) 481.021 → 유효숫자 : 4,8,1,0,2,1

④ 숫자 끝에 오는 0은 소수점일 경우에만 유효숫자

  ex) 0.023010 → 유효숫자 : 2,3,0,1,0

  ex) 1990 → 유효숫자 : 1,9,9

⑤ 완전수 - 직접 세거나, 정의에 의해 정해지는 수

  완전수는 유효숫자의 계산에서 고려 X

2. 유효숫자 계산 방법

① 곱셈, 나눗셈

   → 유효숫자의 개수가 가장 적은값 에 맞춤

즉, 계산 중에 가장 낮은 유효숫자의 개수 = 결과값의 유효숫자 개수

ex)

2.4의 유효숫자가 2개이므로, 결과값의 유효숫자도 2개로 맞춰줍니다.

② 덧셈, 뺄셈 

   → 정밀도가 가장 낮은값 에 자리를 맞춤

즉, 소수점 아래 숫자가 제일 적은 값에 맞춤

ex)

33.1이 소수점 아래 숫자가 하나로 가장 낮은 정밀도를 가지고 있으므로

결과값도 소수점 아래 숫자를 하나로 맞춤

③ 덧셈, 뺄셈, 곱셈, 나눗셈 혼합 

   → 사칙연산 순서대로 계산하며, 과정마다 따로 위의 유효숫자 계산하는 규칙에 따라 계산

================================================================================

[단위 계산]

ex) 인치 → 센티미터 로 바꾸기

위 식에서 양변을 2.54 cm 로 나누면

​

즉,

  or  

Q. 10.2인치를 센티미터로 바꾸기

A.   

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[온도]

크게 섭씨(˚C), 화씨(˚F), 켈빈(K) 온도로 분류

[켈빈온도 = 섭씨온도 + 273.15]

[섭씨온도 = 켈빈온도 - 273.15]

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4. 옥텟규칙, 전자껍질

각 원자는 원자번호만큼의 전자를 가집니다.

예를 들어 12번인 마그네슘은 12개의 전자를 가져요.

이때 12개의 전자가 모두 화학결합에 참여하는가? 거의 그렇지 않아요.

전자는 일정한 규칙을 만족하면 매우 안정한 배열을 가지는데, 일단 안정한 배열을 가진 전자는

어지간해선 그 모양을 유지하고, 화학결합에 관심이 없어요.

이를 [옥텟규칙] 이라고 해요. 

전자 8개가 모일때마다 걔들끼리 안정한 궤도를 돌게된다는 뜻이에요

대충그린 그림으로 설명합니다.

     알아봐주세요...

이건 마그네슘의 전자배치를 그려본거에요. 

(아주 대충 그린거고 실제로는 절대 저렇게 존재하지 않습니다. 궤도를 설명하기 위해 저렇게 그렸을뿐

실제 도는 모양은 오비탈함수 모양을 따라가요. 언젠간 설명함)

전자는 양성자 주위를 돕니다. 마구잡이로 도는게 아니라 안정하게 도는 특정 궤도가 있어요. 

이 궤도를 실제 모양으로 매번 상상하기는 어려워요. 실제로 전자가 도는걸 눈으로 관측할 수도 없어서 (불확정성 원리)

​그냥 전자가 여기있을 확률이 얼마다, 하고 오비탈(궤도함수)을 만든거구요. 

그래서 이걸 에너지에 관한 그림으로 나타냈어요. 그걸 전자껍질 이라고 불러요.

우리는 편하게, 전자가 도는 궤도가 있는데 그걸 알기쉽게 그린게 전자껍질이구나, 생각하면 돼요.

전자껍질 안에 전자가 들어가는 거에요!

전자껍질은 안쪽에서부터 바깥쪽으로 차곡차곡 배열을 이뤄가요.

전자도 안쪽에서부터 바깥쪽으로 전자껍질안에 차곡차곡 쌓여가요.

그러다가 가장 바깥쪽에 생기는 전자껍질을 최외각 전자껍질 이라 불러요.

안정해진 배열은 화학결합에 관심이 없다고했지요? 그래서 실제로는 안정해진 배열안의 전자는 보통 생각할 필요가 없고,

가장 바깥쪽의 전자 배치인 최외각 전자껍질이 중요해져요.

전자를 전자껍질에 채워넣는데에는 규칙이 있어요. 옥텟규칙 이에요.

중심에서 가장 가까운 궤도에는 전자 2개가 들어갈 수 있어요.

그 다음 궤도부터는 전자가 8개씩 들어갈 수 있어요.

전자가 8개가 되었을때 가장 안정한 배치가 되는데, 이를 옥텟규칙(팔전자규칙) 이라고 합니다.

마그네슘은 전자가 12개에요. 가장 중심부의 궤도에 2개의 전자가 들어가고,

그다음 궤도에 8개의 전자가 들어가면,

전자가 2개 남아요. 이걸 최외각 전자라 해요.

그림에서 가장 바깥쪽의 궤도에 전자가 2개 남아있는게 보일거에요.

저 2개의 전자가 다른 원자끼리 결합할때 사용돼요.

그럼 드디어 본론으로 돌아와서, 왜 같은족의 화학적 성질이 비슷할까요?

같은족인 4번 베릴륨(Be)을 생각해봅시다. 베릴륨은 4번이니까 전자가 4개 있을거에요.

중심에서 가장 가까운 궤도에 2개의 전자가 들어가면

그 다음 궤도에는 남은 전자 2개가 들어가겠죠? 즉, 최외각 전자 개수가 2개에요!

그럼 마그네슘과 같아요!!

또 같은족인 20번 칼슘(Ca)을 생각해봐요. 20번이니까 전자가 20개 있어요.

중심에서 가장 가까운 궤도에 2개, 그다음 궤도에 8개, 또 그다음 궤도에 8개 들어가요.

그럼 2개가 남죠? 또 최외각 전자 개수가 2개네요!

요약하자면 다음과 같아요.

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화학적 성질은 최외각 전자 개수의 영향이 크다.

같은족의 원소는 최외각 전자 개수가 같다.

즉, 같은족의 원소끼리는 화학적 성질이 비슷하다.

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다른 족으로 계산해봐도 똑같아요 (전이금속은 예외가 있는데 부전공 과정에선 안볼꺼에요)

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3. 주기율표

대충 만들어둔 주기율표 입니다.

1~20 까지는 고등학교 화학 수준 / 21~30 까지는 부전공 화학 수준 정도 되겠네요.



 

그 외에는 외우기도 힘들고, 잘 사용하지 않는편이에요.

단, 몇가지는 따로 외우는게 좋습니다. 알칼리 금속, 할로젠, 비활성 기체는 문제에 흔히 쓰입니다!

가로로 족, 세로로 주기라 불러요. 즉, 7주기 18족까지 있어요.

즉, 1번인 수소(H)는 1주기 1족원소, 2번 헬륨(He)은 1주기 18족 원소,

12번인 마그네슘(Mg)은 3주기 2족 원소 입니다.

중요한 부분 몇가지만 살펴봅니다.

① 대부분의 원소는 금속이다.

5번 붕소(B) 왼쪽밑으로 진한 줄이 그어져있어요.


그걸 기준으로 왼쪽 아래는 전부 금속, 오른쪽 위는 비금속 이에요.

(단, 수소는 왼쪽위에 있지만 비금속)

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금속의 대표적인 성질은 아래와 같아요.

열과 전기 전도성이 높다.

전성 및 연성이 높다.

전자를 잃고 양이온이 되기 쉽다.

=====================================================

② 금속이 아닌것을 비금속으로 분류한다.

비금속은 금속과 반대의 성질을 가집니다.

대체로 전자를 얻어 음이온이 되기 쉽고, 물리적인 특성이 없어요.

③ 같은족의 원소는 화학적 성질이 비슷하다.

비슷한 화학적 성질을 가지는게 세로로 나열되어 있어요.

다시 말해, 같은족끼리는 화학적 성질이 비슷해요.

예로, 1족에 알칼리 금속이라 묶여있는건 걔들끼리 화학적 성질이 비슷해요. 이유가 뭘까요?

화학적 성질은 앞에서 말했듯 전자와 관련이 있는데, 더 자세히는 오비탈(전자의 궤도함수), 전자껍질에서 다뤄요.

바로 다음 포스트에서 좀 더 자세히 알아봅니다!

이번 내용은 간단하므로 네이버 포스트 링크로 대체합니다.

(http://blog.naver.com/pysung0409/220982152520)

요약

[돌턴의 원자론]

1. 각 원소는 원자라고 하는 작은 입자로 이루어진다.

2. 한 가지 원소의 원자는 모두 동일하다. 서로 다른 원소의 원자들은 본질적으로 다르다.

→ 현대 화학에서 2번은 동위원소의 발견으로 깨집니다.

3. 화합물은 다른 원소의 원자들끼리 결합해서 형성된다. 한 가지 화합물에는 언제나 동일한 원자들이 일정비로 존재한다. 

→ 앞에서 살펴본 일정 성분비의 법칙입니다.

4. 화학 반응은 원자들이 재편성되는 과정이다. 원자 자체가 변하는 반응이 아니다.

→ 앞에서 살펴본 질량 보존의 법칙입니다.