1.1 물질의 특성
1. 물질의 겉보기 성질
사람의 감각기관을 통하여 알아낼 수 있는 물질의 성질 - 냄새, 맛, 모양, 색깔, 촉감등
(물질의 물리적 특성과 화학적 특성)
1) 물리적 특성 : 물질의 본질을 변화시키지 않으면서 측정할 수 있는 성질
예) 녹는점, 어는점, 끓는점, 밀도, 용해도 등
2) 화학적 특성 : 빛, 열, 약품 등에 의해 물질의 본질이 변할 때 나타나는 성질
예) 이산화탄소는 석회수와 만나 뿌옇게 흐려짐
참고) 물체와 물질
물체 : 일정한 모양과 형체를 가지고 있는 것
물질 : 물체를 이루고 있는 성분
2.물질의 양
(1) 부피의 측정
1)부피 : 물질이 차지하는 공간
2)부피의 단위 : ㎤, ㎥, ㎖, ℓ
→ 1㎤ = 1㎖, 1㎥ = 1000ℓ, 1ℓ = 1000㎖
3) 고체의 부피
①규칙적인 모양 - 길이측정, 부피계산식에 대입
②불규칙적인모양 - 메스 실린더 사용( 부피= 물체를 담근부피- 물의부피)
4) 액체의 부피 : 메스 실린더 사용
5) 기체의 부피 : 온도와 압력을 표시
(2) 질량의 측정
1) 질량 : 장소에 따라 변하지 않는 물체의 고유한 양( g, kg)
2) 무게 : 물체에 작용하는 지구 중력의 크기(g중, kg중, N(뉴턴))
3) 질량 측정 저울 : 양팔저울, 윗접시저울 등
4) 무게 측정 저울 : 용수철저울, 앉은뱅이저울 등
3. 물질의 상태와 변화
(1) 물질의 세가지 상태
① 고체 : 압력이나 온도에 따른 부피변화가 거의 없음
② 액체 : 온도에 따른 부피변화는 있으나 압력에 따른 부피변화는 없음
③ 기체 : 압력과 온도에 따라 부피가 크게 변화
(2) 물질의 상태변화
1) 증발 : 액체가 그 표면에서 기체로 변하는 현상
2) 기화 : 액체가 기체로 변하는 현상
3) 액화 : 기체가 액체로 변하는 현상
4) 융해 : 고체가 액체로 변하는 현상
5) 응고 : 액체가 고체로 변하는 현상
6) 승화 : 기체가 고체로 또는 고체가 기체로 변하는 현상
7) 끊는점 : 기화가 일어나는 온도(물질의 특성)
8) 녹는점 : 융해가 일어나는 온도(물질의 특성)
9) 어는점 : 응고가 일어나는 온도(물질의 특성)
(3) 물질의 상태변화와 부피, 질량
1)고체 → 액체 → 기체 : 부피증가(예외 : 물), 질량불변
2)고체 ← 액체 ← 기체 : 부피감소(예외 : 물), 질량불변
4. 밀도
1) 밀도 : 단위 부피에 대한 질량(물질의 특성)
2) 고체와 액체의 밀도 : 온도와압력에 따른 밀도의 변화가 거의 없다
3) 기체의 밀도 : 온도와 압력에 따라 변하므로 기체의 밀도를 나타낼때는 온도와 압력을 반드시 표시해야 한다
5. 녹는점과 끓는점
(1) 녹는점과 어는점(물질의 특성)
1) 가열과 냉각곡선에서 수평한 부분은 상태의 변화(고체→액체, 액체→고체)가 일어나는 부분이고 이때 가해진 열은 온도를 높이는데 사용되지 않고 상태변화를 하는데 사용되기 때문에 온도의 변화가 없다.
2) 순수한 물질은 녹는점과 어는점이 일정하고 같다( 물의 녹는점 0℃, 어는점0℃ )
(2) 끓는점(물질의 특성)
1) 가열곡선에서 수평한 부분은 상태의 변화(액체→기체)가 일어나는 부분이고 이 때 가해진 열은 온도를 높이는데 사용되지 않고 상태변화를 하는데 사용되기 때문에 온도의 변화가 없다
2) 끓는점은 압력에 비례한다
3) 끓는점(기준끓는점)은 1기압에서의 끓는점을 말한다
6. 용해도
(1) 용해와 용액
1) 용해 : 어떤 물질이 다른 물질속으로 균일하게 녹아 들어가는 현상
① 용매 : 다른 물질을 녹이는 물질, 용매, 용질이 모두 액체일때는 양이 많은 것이 용매
② 용질 : 용매에 녹아 들어가는 물질
③ 용액 : 용해에 의해 생긴 균일한 혼합물
2) 용액
① 성질
㉠ 무색, 투명
㉡ 용질의 형태가 보이지 않음
㉢ 침전물이 없음
㉣ 성분물질이 균일하게 섞여 있음
② 종류
㉠ 수용액 - 용매가 물
㉡ 알콜용액 - 용매가 알콜
㉢ 벤젠용액 - 용매가 벤젠
3) 용액이 아닌것
① 성질
㉠ 성분물질이 균일하게 섞여있지 않음
㉡ 침전물이 있음
㉢ 용질의 형태가 보임
㉣ 불투명
② 종류 : 흙탕물, 분필가루를탄 물
참고) 용액의 의미
일반적으로 용액이라고 하면 액체 상태의 균일한 혼합물을 나타내지만 넓은 의미로는 합금과 같은 고체, 공기와 같은 기체 등과 같이 균일한 혼합믈을 통틀어 용액이라고 한다.
(2) 용액의 퍼센트 농도
1) 농도 : 용액속에 용질이 얼마나 녹아 있는가를 나타내는 값
2) 퍼센트농도 : 용액 100g 속에 녹아 있는 용질의 양을 백분율로 나타낸 것
(3) 용해도(물질의 특성)
1) 포화용액 : 용질이 더 이상 녹을 수 없을 정도로 최대한 녹아 있는 용액
2) 불포화 용액 : 용질이 더 녹을 수 있는 용액
3) 과포화 용액 : 용해도 이상으로 용질이 녹아 있는 용액
4) 용해도 : 용매 100g 속에 최대로 녹을 수 있는 용질의 양을 g수로 나타낸 것
고체와 액체는 온도와 용매의 종류를 표시, 기체는 온도와 압력, 용매의 종류를 표시한다.
① 고체, 액체의 용해도 : 온도가 높으면 상승, 압력의 영향은 거의 받지 않는다.
② 기체의 용해도 : 저온, 고압일 때 상승
→ 탄산 음료수 : 압력을 낮추면(병을 따면) 물에 녹아 있던 기체(이산화탄소)가 날아가 거품이 발생. 즉 물 속에 녹아있던 기체의 양 감소하게 되어 용해도는 낮아짐.∴ 압력↓-용해도↓
→ 탄산 음료수를 냉장고에서 꺼내 더운 곳에 두면(온도를 높이면) 거품이 많이 생기게 된다. 즉 물 속에 녹아있던 기체의 양 감소하게 되어 용해도는 낮아진다. ∴ 온도↑-용해도↓
1.2 혼합물
1. 혼합물의 성질
(1)혼합물과 순물질
1)순물질 : 이 물질이 전혀 포함되지 않은 한 가지 물질로만 되어 있는 물질
① 고체상태의 순물질 : 철, 소금, 설탕
② 액체상태의 순물질 : 물, 에탄올, 벤젠
③ 기체상태의 순물질 : 수소, 산소, 이산화탄소
2) 혼합물 : 성질이 다른 두가지 이상의 물질이 본래의 성질을 잃지 않고 단지 섞여 있는 물질
① 균일혼합물(용액) : 성분물질이 균일하게 섞여 있는 혼합물 - 소금물, 공기, 설탕물, 황산구리 수용액 등
② 불균일혼합물 : 성분물질이 균일하게 섞여 있지 않은 혼합물 - 흙탕물, 우유등
3) 화합물 : 2종 이상의 원소의 원자가 화합해서 생긴 물질
- 본래의 성질이 변해 새로운 성질로 나타난다.(하나의 순물질로 봄)
- 녹는점. 끓는점 등 물질의 고유한 성질을 가지고 있다.
- 전기분해와 같은 화학적인 방법으로 분리한다.
참고) 혼합물과 화합물의 차이(소금물)
→ 소금과 물이 섞여 있으면 이것은 혼합물이다. ∵ 각각의 성질을 가지고 있는 상태에서 단지 섞여 있기 때문. 즉 소금물은 물의 성질도 소금의 성질도 그대로 가지고 있다.
→ 소금물은 혼합물이지만 그러나 소금은 화합물이다.
소금은 염소와 나트륨으로 이루어져 있는데 이러한 원소들이 화학적 결합을 해서 염화나트륨이 되는 것이다. 소금의 경우 염소의 성질과 나트륨의 성질을 찾아볼 수 없이 새로운 물질로 변해 고유한 성질을 가지게 된다.
→ 혼합물은 물리적인 방법으로 분리하고, 화합물은 화학적 방법으로 분리를 한다.
(2) 혼합물과 순물질의 구별
1) 순물질의 성질
① 녹는점, 끓는점, 밀도 등이 일정
② 순물질의 가열, 냉각곡선에는 수평부분이 나타남(융해, 기화될 때 온도 변화가 일어나지 않는다.)
2) 혼합물의 성질
① 녹는점, 끓는점, 밀도 등이 일정하지 않음
소금물의 끓는점 - 100℃이상 ( 1기압 )
소금물의 어는점 - 0℃이하 ( 1기압 )
② 혼합물의 가열곡선에는 수평부분이 없거나 거의 수평부분이 두군데 이상 나타남
참고) 메탄올
→ 메틸알코올이라고도 하며, 독성이 있는 무색 투명하고 특유의 방향이 있는 휘발성 액체이다.
→ 물·에탄올·벤젠·에테르 등 많은 용매와 잘 혼합된다
→ 천연가스, 석유 등을 이용하여 제조한다.
참고) 나프탈렌
→ 벤젠과 함께 대표적인 방항족탄화수소의 하나. 실온에서도 휘발성이 강하고 특유한 냄새가 나며 방충제로 사용
→ 물에는 녹지 않으나 각종 유기용제에는 녹는다.
→ 나프탈렌은 녹는점인 80.5°C 이상으로 가열하면 반드시 액체가 된다.
참고) 파라디클로로벤젠
→ 좀약의 성분, 승화성 물질로 방충제로 사용된다.
참고) 승화성 물질의 오해
→ 승화성 물질이라 해서 무조건 고체에서 기체로 되는 것이 아니다.
승화성 물질은 다른 물질에 비해 쉽게 고체에서 기체로 변한다는 의미이다.
→ 대기압, 일정 온도 하에서 승화성 물질은 액체로도 존재한다.
참고) 형상기억합금
→ 두가지 이상의 금속이 혼합되어 원래의 금속들과는 다른 특성을 나타내는 금속 혼합물을 '합금'이라고 한다.
→ 형상기억합금은 어떤 일정 온도에서의 특정한 모양을 기억하고 있어서 변형이 되더라도 그 온도가 되면 본래의 모양으로 되돌아 간다. 치열교정기, 우주선의 안테나, 자동온도조절 커피포트 등에 사용하고 있다.
2. 혼합물의 분리
(1) 밀도차를 이용한 분리
1) 고체 혼합물
두 물질의 중간 정도의 밀도를 가진 액체 속에 넣어 분리. 밀도가 큰 물질은 가라 앉고, 작은 물질은 뜨게 된다.
→ 볍씨 고르기, 사금 채취, 쌀 씻기 등
2) 섞이지 않는 두 액체의 혼합물
가만히 놓아 두어 밀도가 큰 액체가 가라앉을 때, 스포이트나 분별깔대를 이용하여 분리한다.
① 물과 기름의 분리(밀도 크기 : 물 > 기름)
② 물과 사염화탄소의 분리(밀도 크기 : 사염화탄소 > 물) 등
참고) 사염화탄소
→ 무색·투명하며, 휘발성이 있는 불연성 액체로서 강한 독성이 있으며 특유의 냄새가 난다.
→ 물에는 거의 혼합되지 않지만 알코올·에테르 등의 일반 유기용매에는 잘 혼합된다.
→ 소화제(消火劑), 유지나 수지 등의 용매, 드라이클리닝용제, 살충·구충제로 쓰인다.
(2) 끓는점 차이에 의한 혼합물의 분리
1) 증류
혼합물을 가열할 때 나오는 기체를 다시 냉각시켜 순수한 액체를 얻는 방법
① 소금물, 설탕물에서 물 분리
② 바닷물에서 식수 만들기
③ 술의 제조(끓는점이 낮은 알콜 성분이 기체화 → 찬물 그릇 통과 → 알콜 기체 성분 액체화)
2) 분별증류
혼합물을 이루고 있는 각 물질들의 끓는점의 차를 이용 끓는점이 낮은 액체로부터 높은 액체의 순서로 분리
① 물과 에탄올,메탄올의 혼합물
② 원유의 정제 등
(3) 물에 녹지 않는 기체 혼합물의 분리
1) 끓는점 차이에 의한 혼합물의 분리(부탄과 프로판의 분리)
2) 분별증류(공기 중의 질소와 산소의 분리)
액체 공기를 만들어 분별증류
① 공기를 냉각하면서 세게 압축, 갑자기 팽창시키는 일 반복→공기 온도 낮아짐→공기 액체상태 됨
② 액체 상태의 공기를 분별증류
→ 질소의 끓는점(-196℃)이 산소(-183℃) 보다 낮다
→ 액체 공기의 온도를 올리면 질소가 먼저 증류되어 질소가 분리됨. 계속 온도를 높이면 산소가 분리
(4) 용해도 차이에 의한 혼합물의 분리
1) 추출 : 혼합물에서 한 물질만을 용해시킬 수 있는 용매를 사용하여 한가지 성분 물질만을 분리해 내는 것
예) 콩에서의 지방 추출 → 에테르 사용하여 지방을 녹임
2) 거름에 의한 분리 : 혼합물 중 하나만 녹이는 용매를 사용하여 그 성분만 녹인 후 거름종이로 걸러 낸다.
예) 모래와 소금의 분리 → 거름 + 증류을 통해 혼합물을 분리한다.
3) 암모니아와 공기의 분리
→ 암모니아와 공기의 혼합 기체를 분리장치에 넣고 물로 씻어 내린다.
→ 물로 씻어 내리면 암모니아는 물에 녹고, 공기는 물에 녹지 않으므로 두 기체를 분리할 수 있다.
4) 대기 오염 물질의 제거
→ 석유나 석탄 등을 태울 때 나오는 이산화황, 산화질소의 기체는 물에 녹으므로 물을 통과 시켜 제거한다.
(5) 분별결정에 의한 혼합물의 분리
고체 혼합믈에서 성분 물질의 온도에 따른 용해도 차가 클 때, 높은 온도로 가열하여 모두 녹인 다음 냉각시키면 각각의 성분 결정으로 석출된다. 이와 같이 용해와 석출 과정을 반복하여 순수한 물질을 분리하는 방법.
예) 질산칼륨과 염화나트륨의 분리, 붕산과 염화나트륨의 분리 등
참고) 재결정 : 높은 온도에서 포화용액을 만들어 이를 냉각 하므로써 다시 용질을 얻는 방법
→ 용해도의 차를 이용해서 결정성 물질을 정제해 내는 방법이다. 즉, 정제하려고 하는 고체를 적당한 용매에 가열하여 용해하거나 또는 농축하여 포화용액으로 만들어 이것을 서서히 냉각하면 일반적으로 용질의 용해도가 감소하여 다시 결정으로 석출된다.
→ 한 물질의 순도를 높이는 데 쓰인다.
(6) 크로마토그래피
혼합물의 용액을 흡착제에 스며들게하여 퍼져나가는 속도의 차이(흡착력의 차이)에 의해 분리하는 방법
① 크로마토그래피의 장점
- 다른 방법으로 분리하기 어려운 복잡한 혼합물을 쉽게 분리
- 적은 양의 성분물질이 섞여있어도 분리가 용이함
- 분리 조작이 간단하고 시간이 짧게 걸린다.
② 흡착제로 쓰이는 것 : 종이, 분필, 거름종이, 실리카겔 등
③ 크로마토그래피의 이용
- 잉크의 색소 분리, 꽃잎의 색소 분리, 식물의 엽록소 분리, 혈액이나 소변의 분석, 단백질 성분 분석, 아미노산의 분리, 금속 이온의 검출. 위조수표 감별 등에 이용