Chemical Reactions-화학반응에 대해 알아보자

Chemical & Physical Changes

• 물리변화에서 물질의 화학조성은 일정하다. 

• 물리변화의 예: 얼음의 녹음, 물의 끓음.

• 화학변화에서 물질의 화학조성은 변한다; 화학 반응이 일어난다.

• 화학반응 동안 새로운 물질이 생성된다.

Evidence for Chemical Reactions

• 화학반응이 일어나는 네 가지 관찰

Evidence for Chemical Reactions

• 불용성 물질이 발생된다.

Evidence for Chemical Reactions

• 영구적인 색갈 변화가 관찰된다.

Evidence for Chemical Reactions

• 열에너지 변화가 관찰된다.

화학 반응식 쓰기

• 화학반응식 (chemical equation)은 식과 기호로 화학반응을 기술한다.  일반적인 화학식은:

A + B  →  C + D

• 여기서 A와 B는 반응물, 그리고 C와 D는 생성물이라 한다.

• 촉매를 화학반응을 추가할 수 있는 데 이는 위의 식의 화살표 위에 쓰며 반응의 속도를 빠르게 한다.

States of Matter in Equations

• 화학식을 쓸 때, 반응물과 생성물의 물리적 상태를 표시한다.

A(g) + B(l)  →  C(s) + D(aq)

• 여기서, 반응물 A 는 기체상태 반응물 B는 액체상태이다.

• 또한, 생성물 C는 고체상태이고 생성물 D는 수용액 상태이다.

Chemical Equation Symbols

• 화학식에서 사용되는 기호들:

A Chemical Reaction

• 화학식을 보면:

HC2H3O2(aq) + NaHCO3(s) → NaC2H3O2(aq) + H2O(l) + CO2(g)

• 화학식은 다음과 같이 읽을 수 있다:

– 수용액 초산, acetic acid에 고체 탄산나트륨, sodium carbonate를 넣어 수용액 초산나트륨, sodium acetate, 액체 물과 기체 이산화탄소, carbon dioxide를 생성된다.

Diatomic Molecules(이원자 분자)

• 자연에서 7개의  비금속원소들은 이원자 분자를 형성한다. 

• 이들은 수소 (H2), 질소 (N2), 산소 (O2), 그리고 할로겐 원소들, F2, Cl2, Br2, and I2.

화학반응식 균형 맞추기

• 화학반응식을 쓸 때, 각각의 원소의 원자수는 화살표의 양쪽에서 같아야 한다.

• 이것을 균형 화학 반응식(balanced chemical equation)이라 한다.

• 각 물질 앞에 정수 계수(coefficient)를 놓아 균형 화학 반응식이 되도록 한다.

• 계수는 뒤따라오는 화학식의 모든 아래첨자에 곱한 것이다 :

– 3 H2O : 6 수소 원자와 3 산소 원자

Guidelines for Balancing Equations

• 반응식에 계수를 쓰기 전에 화학식이 옳은 지 점검한다.

• 균형을 맞추기 위해 화학식의 하첨자는 절대로 바꾸지 않는다. 

• 가장 복잡한 화학식부터 각 원소의 균형을 맞춘다. 

• 화학식의 양쪽에 다원자 이온이 있으면 하나로 보고 균형을 맞춘다.

Guidelines for Balancing Equations

• 계수는 반드시 정수이어야 한다.  만일 분수를 얻으면 각 식에 분모를 곱하여 정수를 얻는다:

[H2(g) + ½ O2(g)  →  H2O(l)] × 2

2 H2(g) + O2(g)  →  2 H2O(l)

• 균형을 맞춘 뒤, 화학식의 양쪽에 같은 수의 같은 원자(또는 다원자 이온)가 있는 지 확인한다. :

2(2) = 4 H; 2 O  →  2(2) = 4 H; 2 O

Guidelines for Balancing Equations

• 마지막으로, 계수가 최소 정수비인지 확인한다.  공통인자로 나누어 반응식의 균형을 완성한다.

[2 H2(g) + 2 Br2(g)  →  4 HBr(g)] ÷ 2

H2(g) + Br2(g)  →  2 HBr(g)

2 H; 2 Br  →  2(1) = 2 H; 2(1) = 2 Br.

Balancing a Chemical Equation

• 다음식의 균형을 맞추어라:

__Al2(SO4)3(aq) + __Ba(NO3)2(aq) → __Al(NO3)3(aq) + __BaSO4(s)

 오른쪽에 하나의 SO4,왼쪽에 세개; 3을 BaSO4앞에. 왼쪽에 2 Al, 오른쪽에 하나; 2를 Al(NO3)3앞에

Al2(SO4)3(aq) + __Ba(NO3)2(aq) → 2 Al(NO3)3(aq) + 3 BaSO4(s) 

오른쪽에 3 Ba, 왼쪽에 하나; 3을 Ba(NO3)2앞에

Al2(SO4)3(aq) + 3 Ba(NO3)2(aq) → 2 Al(NO3)3(aq) + 3 BaSO4(s)

균형 반응식 문제

(1)  Co(s) +  O2(g) →   Co2O3(s)

(2)  LiClO3(s) →  LiCl(s) +  O2(g)

(3)  Pb(NO3)2 +  LiCl →  PbCl2+  LiNO3

(4)  H2SO4 + Al(OH)3 →  Al2(SO4)3 +  H2O

(5)  H2CO3 +  NH4OH →  (NH4)2CO3 +  H2O

(6)  LiNO3(s) →  LiNO2(s) +  O2(g)

(7)  Pb(s) +  O2(g) →  PbO(s)

(8)  Cu(s) +  AgC2H3O2 →  Cu(C2H3O2)2 +  Ag(s)

화학 반응의 분류

• 화학 반응을 다섯 개로 분류:

– 화합반응 : Combination Reactions

– 분해반응 : Decomposition Reactions

– 단일 치환반응 : Single-Replacement Reactions

– 이중 치환반응 : Double-Replacement Reactions

– 중화 반응 : Neutralization Reactions

Combination Reactions(화합 반응)

• 화합반응은 두 간단한 물질을 결합하여 하나의 복잡한 화합물로 만드는 것이다. 

• 이것을 합성 반응이라고 한다: synthesis reactions.

• 3 combination reactions:

– 금속과 산소의 반응

– 비금속과 산소의 반응

– 금속과 비금속의 반응

Reactions of Metals and Oxygen

• 금속이 산소기체와 반응하여 금속산화물이 생성된다.

metal + oxygen gas  →  metal oxide

• 예로, 마그네슘 금속은 산소기체와 산화마그네슘 (magnesium oxide) 생성:

2 Mg(s) + O2(g)  →  2 MgO(s)

• 철금속은 산소와 결합하여 산화철 (iron(III) oxide) 생성:

4 Fe(s) + 3 O2(g)  →  2 Fe2O3(s)

Reactions of Nonmetals and Oxygen

• 산소는 비금속과 결합하여 비금속 산화물이 생성된다.

nometal + oxygen gas  →  nonmetal oxide

• 예로, 인과 산소는 tetraphosphorous decaoxide 생성.

P4(s) + 5 O2(g)  →  P4O10(s)

• 황은 산소와 이산화황 (sulfur dioxide) 생성:

S(s) + O2(g)  →  SO2(g)

Metal + Nonmetal Reactions

• 금속과 비금속이 반응하여 이성분 이온 화합물이 된다.

metal + nonmetal  →  binary ionic compound

• 나트륨(Sodium)금속은 염소(chlorine)기체와 반응하여 염하나트륨생성한다:

2 Na(s) + Cl2(g)  →  2 NaCl(s)

• 주족 금속과 비금속이 반응할 때는 이온 화합물의 화학식을 예측할 수 있다. 만일 전이금속을 포함할 경우 화학식을 예측할 수 없다.  

화합반응식 문제

(1) Li + O2 →

(2) Ca + O2 →

(3) Na + I2 →

(4) Ba + N2 →

(5) 탄소에 산소를 넣고 일산화탄소기체 생성;

(6) 구리에 염소기체를 넣고 고체염화구리 생성;

(7) 크롬에 산소를 넣고 산화크롬 생성;

(8) 인에 산소를 넣고 가열하면 오산화이인 생성;

Decomposition Reactions(분해반응)

• 분해 반응 (decomposition reaction)은 하나의 화합물이 간단한 물질로 나누어 지는 것이다. 

• 열이나 빛이 분해반응의 시작에 필요 되어 진다.  산소를 포함하는 이온 화합물은 금속과 산소기체로 분해된다. 

• 예로, 고체 산화 수은 (mercury(II) oxide)에 가열하면 수은금속과 산소기체가 생성된다:

2 HgO(s)  →  2 Hg(l) + O2(g)

Carbonate Decomposition

• 금속탄산수소염은 금속탄산염, 물, 이산화탄소가 생성된다.

• 예로, 탄산수소니켈 (nickel(II) hydrogen carbonate)는 다음과 같이 분해된다:

Ni(HCO3)2(s)  →  NiCO3(s) + H2O(l) + CO2(g)

• 금속탄산염은 금속산화물과 이산화탄소로 분해된다:

• 예로, 탄산칼슘, calcium carbonate 분해:

CaCO3(s)  →  CaO(s) + CO2(g)

Activity Series Concept(활성도 계열 개념)

• 금속이 치환반응을 할 경우 화합물이나 수용액으로부터 다른 금속을 치환시킨다.

• 하나의 금속이 다른 금속으로 치환되는 것은 그 금속이 반응하려는 보다 큰 경향을 가지고 있기 때문이다.

• 금속의 활성도는 치환반응에서 경쟁할 수 있는 금속 활성의 척도이다. 

• 활성도 계열은 반응하려는 금속의 활성에 따라 배열된 금속의 순서이다. 

Activity Series

• 반응성이 큰 금속들은 활성도 계열에서 먼저 나타난다.

• 반응성이 적은 금속들은 계열에서 나중에 나타난다. 

• 활성도계열:

Li > K > Ba > Sr > Ca > Na > Mg > 

Al > Mn > Zn > Fe > Cd > Co > Ni > 

Sn > Pb > (H) > Cu > Ag > Hg > Au

Single-Replacement Reactions

• 단일 치환반응 (single-replacement reaction)은 용액에서 활성이 큰 금속이 활성이 작은 금속을 치환하는 반응이다.

• 만일 한 금속이 활성도 계열에서 다른 금속보다 앞에 나오면 단일 치환반응은 진행된다:

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

• 만일 한 금속이 활성도 계열에서 다른 금속보다 뒤에 나오면 반응은 일어나지 않는다:

Ni(s) + CdSO4(aq)  →  NR

단일-치환 반응식

(1) Zn(s) + Pb(NO3)2 →

(2) Zn(s) + HNO3 (aq) →

(3) Cd(s) + HNO3 (aq) →

(4) K(s) + H2O →

(5) Ba(s) + H2O →

(6) 염산에 마그네슘 리본을 넣는다;

(7) 질산알루미늄 용액에 구리선을 넣는다;

Aqueous Acid Displacements

• 활성도 계열에서 수소보다 먼저 나오는 금속은 산과 반응하며 수소보다 늦게 나오면 산과 반응하지 않는다. 

• 보다 활성적인 금속이 산과 반응하여 수소가스와 이온 화합물을 생성한다:

Fe(s) + 2 HCl(aq)  →  FeCl2(aq) + H2(g)

• 수소보다 활성적이지 못한 금속은 반응하지 않는다: 

               Au(s) + H2SO4(aq)  →  NR

Active Metals (활성 금속)

• 몇몇 금속은 물과 직접 반응하기에 충분히 활성적이다.  이들을 활성 금속이라 한다. 

• 활성 금속들은  Li, Na, K, Rb, Cs, Ca, Sr, and Ba.

• 활성금속들은 물과 반응하여 금속 수산화물과 수소기체를 생성한다: 

              2 Na(s) + 2 H2O(l)  →  2 NaOH(aq) + H2(g)

Ba(s) + 2 H2O(l)  →  Ba(OH)2(aq) + H2(g)

Solubility Rules (용해도 규칙)

• 모든 이온화합물은 물에 용해되지 않는다.  물에 녹는 화합물을 예상하기 위해 용해도 규칙을 사용한다.

Double-Replacement Reactions

• 이중 치환 반응에서 수용액의 두 이온 화합물들은 음이온을 교환하여 새로운 두 화합물을 생성한다. 

AX + BZ  →  AZ + BX

• 만일 AZ 또는 BX가 불용성 화합물이라면 침전물이 생성되고 화학반응이 일어난다.

• 만일 침전물이 생성되지 않으면 화학반응도 일어나지 않는다.

Double-Replacement Reactions

• 수용액 염화바륨(barium chloride)와 수용액 크롬산칼륨(potassium chromate)와의 반응:

 BaCl2(aq) + K2CrO4(aq)  →  BaCrO4(s) + 2 KCl(aq)

• 용해도 규칙으로부터, 크롬산바륨(BaCrO4)은 불용성 침전으로 이중 치환반응이다.

• 수용액 염화나트륨(sodium chloride)와 수용액 질산리튬(lithium nitrate)와의 반응:

NaCl(aq) + LiNO3(aq)  →  NaNO3(aq) + LiCl(aq)

• 질산나트륨(NaNO3)와 염화리튬(LiCl)가 가용성이므로 반응이 일어나지 않는다.

이중 치환 반응의 반응식

(1) 염화아연 수용액과 수산화 암모늄이 반응하면 염화암모늄 수용액과 수산화 아연 침전물이 생성된다.

(2) 황산니켈수용액과 질산수은이 반응하면 질산니켈 수용액과 황산수은 침전물이 생성된다.

(3) MgSO4(aq) + BaCl2(aq) →

(4) AlBr3(aq) + Na2CO3(aq) →

Neutralization Reactions(중화반응)

• 중화반응은 산과 염기의 반응이다.

HX + BOH  →  BX + HOH

• 중화반응은 염과 물을 생성한다.

H2SO4(aq) + 2 KOH(aq)  →  K2SO4(aq) + 2 H2O(l)

중화반응식쓰기:

1.수산화나트륨 용액을 질산에 넣기;

2. 수산화바륨용액을 인산에 넣기;

3. HF(aq) + Ca(OH)2(aq) →

4. H2SO4(aq) + LiOH(aq) →

Conclusions

• 4가지 화학반응의 증거:

• 가스 발생.

• 침전물 생성.

• 영구 색깔 변화.

• 열과 빛 발생.

• 발열반응:

• 흡열반응:

Conclusions Continued

• 다원자 분자로 존재하는 7 원소들:

– H2, N2, O2, F2, Cl2, Br2, and I2

• 화학 반응식을 균형을 맞출 때 반응식의 반응물과 생성물의 각각의 원소의 수가  같아야 한다.

• 화학 반응식의 균형을 위해 화합물 앞에 계수를 쓴다.

Conclusions Continued

• 5 basic types of chemical reactions.

Conclusions Continued

• 화합 반응에서 둘 이상의 작은 분자가 합하여 복잡한 분자를 생성한다.

• 분해반응에서 한 분자가 둘 이상의 간단한 분자로 나누어 진다. 

• 단일 치환 반응에서 활성도 계열의 보다 활성적인 금속이 덜 활성적인 금속을 치환한다.

Conclusions Continued

• 이중 치환 반응에서 두 수용액은 불용성 침전물을 생성한다.

• 불용성 화합물은 용해도 규칙에 의해 예상할 수 있다. 

• 중화 반응에서 산과 염기는 염과 물을 생성한다.