주변의 물질화학Ⅰ
1. 물 2. 공기 3. 금속과 그 이용
1. 물
1) 물의 성질
(1) 물의 분포와 순환 - 존재비, 해수(염수)와 담수, 물의 이용, 물의 순환과 에너지
(2) 물(H2O)의 구성
① 물의 성분원소 : H, O
② 전기분해 : 2H2O → 2H2 ＋ O2 (전해질 첨가 : NaOH, H2SO4 )
(-)극 (+)극
2 : 1 (부피비)
계수의 비 = 부피비(기체) =분자수비≠질량비
③ 합성 : 2H2 ＋ O2 → 2H2O
(3) 물분자의 모양과 극성
① 공유결합, 굽은형 → 극성분자 (전기음성도차)→ 물의 극성 확인 : 뷰렛 - 대전체
∠HOH = 104.5°
② 극성과 용해도 : Like dissolves like 극성은 극성끼리 무극성은 무극성끼리 잘 용해.
* 물의 용해성
* 전기음성도 : 공유 결합에서 원자가 공유 전자쌍을 끌어당기는 힘의 상대적인 능력
(주기율표) 1족 17족
→ → 전기음성도 대
↑
(4) 수소결합에 의한 물의 특성
① 수소결합 : 공유전자쌍을 끌어당기는 정도(전기음성도)가 큰 F, O, N원자와 H원자가
결합하는 분자들 사이의 인력 - 다른 분자사이의 힘보다는 매우 강한 인력
a) 이합체
b) 예 : NH3 , H2O , HF , -OH , -COOH , 단백질, 포도당
* 상태변화 : 고체 →(융해열) 액체 →(기화열) 기체
* 분자간 인력이 클수록 녹는점과 끓는점이 높고 융해열, 기화열이 크다.
② 수소결합에 의한 물의 특성
a) 밀도 : 얼음 〈 물 (부피 : 얼음〉 물 )
b) 녹는점과 끓는점이 높다
c) 융해열, 기화열(증발열)이 크다 : 땀으로 체온조절, 불을 끌 때 - 물의 기화열
d) 표면장력이 크다 : 모세관현상
e) 비열(4.18J/g․℃)과 열용량(비열×물질의 질량)이 크다 : 비열이 크기 때문에 온도가 쉽 게 변하지 않음. 체온 유지, 낮(해풍) - 밤(육풍), 여름(남동계절풍) - 겨울(북서계절풍)
* 표면 장력
(가) 액체의 표면적을 최소화하려는 경향 - 액체 표면의 분자는 다른 분자에 의해 내부로만 인력을 받음
① 소금쟁이가 물위로 다니는 현상
② 물방울이 구형
③ 왁스 위의 두 개의 접한 물방울이 합쳐지는 현상
(나) 표면이 마치 얇고 탄력적인 피부처럼 작용
(다) 분자간의 힘이 클수록 표면장력도 커진다
용해된 물질에 의해서도 영향을 받음 (계면활성제인 비누나 세제는 표면 장력을 현저하게 감소시킴)
* 응집력과 부착력
① 응집력 : 같은 분자간의 인력 (물의 증기압, 끓는점, 표면장력 등)
② 부착력 : 서로 다른 분자사이의 인력
③ 모세관 현상 : 표면장력에 의해 물이 모세관을 따라 올라가는 현상
모세관 속에서 물과 유리사이의 부착력이 응집력 보다 큼
모세관 벽에 젖은 물이 표면적 증가 → 표면장력에 의해 액체는 관을 따라 올라감
- 아래로 오목한 표면을 형성
④ 메니스커스
모세관 현상에 의해 생긴 액체의 곡선 표면
수은은 응집력이 부착력보다 커 위로 오목한 표면
(5) 물의 용해성 - 수용액에서의 반응(앙금생성 반응, 산 염기 중화반응)
① 극성과 용해성
a) 물에 잘 용해되는 물질 : 이온성물질(NaCl), 극성공유결합물질(극성분자, HCl, NH3 , 포도당, 설탕, 에탄올)
b) 물에 잘 용해되지 않는 물질 : 무극성분자 (N2 , I2 , CH4 , CO2 , O2 , 기름, 나프탈렌), 앙금생성(AgCl , CaCO3 )
② 물은 용매로서의 기능이 우수함
③ 물에 대한 고체의 용해도
a) 대부분 온도가 높을수록 용해도 증가
b) 석회암동굴의 형성
H2O ＋ CO2 → H2CO3
CaCO3 ＋ H2CO3 → Ca(HCO3)2 → Ca2+ + 2HCO3-
④ 물에 대한 기체의 용해도 - 헨리의 법칙
a) 일반적으로 기체는 온도가 낮을수록, 압력이 클수록 용해도 증가
b) DO(dissolved oxygen, 용존산소량)
2) 수용액에서의 반응
(1) 앙금생성반응과 이온의 검출 Na+ 이온 확인 - 불꽃반응, 스펙트럼선 관찰,
Cl- 이온 -앙금생성반응
① 염화나트륨과 질산은 용액과의 반응
a) 화학반응식 AgNO3(aq) + NaCl(aq) → AgCl(s) + NaNO3(aq)
b) 이온반응식 Ag+(aq) + NO3-(aq) + Na+(aq) + Cl+(aq) → AgCl(s) + Na+(aq) + NO3-(aq)
c) 구경꾼이온 제거 Na+(aq) NO3-(aq)
d) 알짜이온 반응식 Ag+(aq) + Cl+(aq) → AgCl(s)
* 상태표시 : 수용액 aq (aqueous), 고체 s (solid), 액체 l (liquid), 기체 g (gas)
② 물에 대한 염의 용해성(1학년 과학교과서 문원각 132쪽)
a) 물에 잘 녹는 염
b) 물에 잘 녹지 않는 염 - Ca2+ , Ba2+ , Ag+ 이온과 CO32- , SO42- 과 결합
CaCO3, BaSO4, AgCl(흰색), AgI(노), PbI2(노)
③ 생활 속의 앙금생성 - 보일러파이프, 주전자 물 때 - CaCO3
신장결석 - CaC2O4 , Ca3(PO4)2
(2) 산과 염기의 중화반응 (1학년 과학교과서 144p ～ )
① 중화반응 : 산 + 염기 → 염 + 물
산의 수소이온(H+)과 염기의 수산화이온(OH-)이 1 : 1의 개수 비로 반응하여 물이 생성
② 중화반응식 쓰기
* 묽은 염산과 수산화나트륨의 반응
a) 화학반응식 HCl(aq) + NaOH(aq) → NaCl(aq) + H2O(l)
b) 이온반응식 H+(aq) + Cl-(aq) + Na+(aq) + OH-(aq) → Na+(aq) + Cl-(aq) + H2O(l)
c) 알짜이온반응식 H+(aq) + OH-(aq) → H2O(l)
예) H2SO4(aq) + KOH(aq) →
HCl(aq) + Ca(OH)2(aq) →
③ 중화점 알아내는 법
a) 지시약의 색깔 변화
b) 온도 변화 : 용액의 온도가 최고점에 이를 때 → 발열반응이므로
c) 용액의 pH가 급격히 변할 때 : pH = - log[H+]
d) 전류의 세기 변화 : 전기전도도가 최저일 때
④ 생활 속의 중화반응
a) 벌에 쏘이면 암모니아수를 바른다
b) 위산과다에 제산제(=약염기성, NaHCO3)
c) 생선회와 레몬즙
d) 신 김치에 식소다(NaHCO3)
e) 산성화된 토양에 석회가루, 재
f) 산성화된 호수에 석회가루
* 화학반응식으로부터 알 수 있는 것
a) 화학반응식 꾸미는 법
ⅰ) 반응물질의 화학식을 왼쪽에 생성물을 오른쪽에
ⅱ) 좌변의 각원자수와 우변의 각원자수가 같도록 계수를 맞춘다.
b) 화학반응식으로부터 알 수 있는 것
C3H8(g) + 5O2(g) → 3CO2(g) + 4H2O(l)
- 물질의 종류와 상태, 분자수의 비(=계수의 비 =몰수의 비 = 기체의 경우 부피비),
질량비(원자량을 알아야함)
- 기체반응의 법칙, 질량보존의 법칙, 일정성분비의 법칙, 아보가드로 법칙
3) 물과 우리 생활
(1) 물의 정수
① 물의 정수과정
상수원 → 취수탑 → 침사지[모래, 자갈 제거]→ 약품투입실[염소, 응집용약품] →
침전지[Al(OH)3] → 모래여과지 → 염소살균실[ Cl2, ClO2 ] → 배수지→ 펌프실 → 급수
② 물의 소독
구분
염소
오존
자외선(UV)
소독의 원리
효소의 불활성화
세포막,헥산을 직접 파괴
DNA에 영향을 미쳐 복제를 막음
장점
경제적, 물에 잔류하여 지속적으로 세균 제거
주변 생태계에 영향을 미치지 않으며, 바이러스까지 제거
강력한 소독효과
단점
발암물질THM
비용 부담이 크고, 수도관에서 오염가능성
비용이 많이 들고, 소독효과 지속되지 않음
a) 염소 소독
Cl2 + H2O → HOCl + HCl
HOCl → HCl + [O] * HOCl(하이포아염소산, HClO)의 강한 산화력 이용
③ 센물(hard water 경수)과 단물(soft water 연수)
a) 센물 - Mg2+ , Ca2+ 이 많이 포함 - 지하수, 우물물
- 단물로 바꾸는 법 - 일시적 센물 → 증류법 - 끓임
- 영구적 센물 → 약품 첨가 - Na2CO3 첨가
→ 이온교환수지법
* 비누와 센물(앙금생성) 2RCOONa + Ca(HCO3)2 → (RCOO)2Ca↓ + 2NaHCO3
* 보일러의 관석
b) 단물 - 수돗물, 빗물, 강물
비누가 잘 풀림
(2) 물의 오염과 대책
① 물의 오염원인(교과서 37p) : 생활 하수, 산업 폐수, 축산 폐수 등
② BOD(Biochemical Oxygen Demand) : 물 속에 사는 미생물이 오염물질인 유기물을 분해하는 데 필요한 산소량을 ppm으로 나타낸 것
COD(Chemical Oxygen Demand) : 물 속에 있는 각종 오염물질을 화학적으로 산화시킬 때 필 요한 산소량
DO(Dissolved Oxygen) : 물 속에 녹아있는 산소의 질량을 나타내는 척도
* BOD와 COD 가 클수록, DO가 작을수록 오염정도가 심함.
③ 합성세제(계면활성제) - 미생물에 의해 잘 분해되지 않고 독성, 거품 - 산소, 햇빛 차단
④ 물의 오염으로 나타나는 현상
a) 부영양화 : 유기물, 인산염, 질산염 등이 풍부 - 미생물과 조류 등이 폭발적으로 증식
b) 적조현상 : 바다에서 부영양화
⑤ 물의 자정작용
⑥ 중금속 오염
a) 수은 (Hg) - 미나마타병
b) 카드뮴 (Cd) - 이타이이타이병
⑦ 우리 나라의 물 사정 - 물 부족 국가군
⑧ 수질 오염에 대한 대책 - 가정, 산업 현장, 국가
* 오염된 물의 처리와 재활용 - 교과서 fig.Ⅰ-39
집수 → 거름 → 1차침전지 → 폭(포)기조 → 최종침전지 → 소독, 살균 → 추가단계
* 물의 재활용 - 중수도
2. 공기
1) 공기의 성분
(1) 대기의 조성
① 대기권의 구조 - 대류권, 성층권(-오존층), 중간권, 열권
② 대기의 조성 - 질소, 산소, 아르곤, 이산화탄소, 기타
③ 공기의 성분분리 : 분별증류(끓는점 차이) - 액체공기를 분별증류시키면 끓는점이 낮은 질소-아르곤-산소 등의 순으로 증류탑의 위쪽에서부터 차례로 분리되어 나온다.
* 공기의 압축→팽창(온도가 낮아짐)→끓는점이 높은 물질부터 먼저 액화
(2) 공기의 성분과 성질
① 생명의 근원인 질소 N2
ⓐ 공유결합 : 2원자분자, 삼중결합(N≡N), 반응성이 매우 작음(안정) →분유통(충전제)
ⓑ 질소고정 : 질소를 사용 가능한 화합물로 만드는 것
ⓒ 질소순환
ⓓ DNA , TNT, 웃음가스(N2O), 암모니아, 질산, 질소비료의 제조원료
ⓔ 탐구 실험 : 극저온의 세계 : 액체질소(-196℃) - 냉각제(초전도체의 극저온상태유지)
ⓕ 자동차배기가스에 포함된 질소산화물은 산성비나 광화학스모그의 원인
ⓖ 질소에어백 : 2NaN3 → 2Na + 3N2
② 호흡에 필요한 산소 O2
ⓐ 공유결합 : 2원자분자, 이중결합( O＝O )
ⓑ 반응성이 큼 - 금속산화물, 비금속산화물
ⓒ 산소의 제법 : 광합성 6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2
액체공기를 분별증류
실험실 MnO2
2H2O2 ---→ 2H2O + O2
MnO2
2KClO3 -----→ 2KCl + 3O2
△
ⓓ 이용 : 산소호흡기, 아세틸렌용접, 우주왕복선의 연료(수소 + 산소)
ⓔ 산화 : 연소, 부식, 호흡
ⓕ 실험 - 신호등반응 51p.
*인디고카민 → 알칼리성 포도당용액에 의해 환원(노란색)→ 산소에 의해 산화
(붉은색이나 녹색)
* 포도당은 환원당이나 설탕은 아님.
※ 기체의 포집방법 - 수상치환 : 물에 잘 녹지 않는 기체(무극성분자)
- 상방치환 : 공기보다 밀도가 작은 기체
- 하방치환 : 공기보다 밀도가 큰 기체
* 산소의 동소체 - 오존 O3 - 성층권의 오존층 : 유해자외선 차단
- 지표면(대류권)의 오존 : 호흡기 자극, 광화학스모그의 원인
* 동소체 : 동일한 원소로 이루어져 있지만 성질이 서로 다른 홑원소물질
(산소와 오존, 다이아몬드와 흑연, 단사황과 고무모양 황, 흰인과 붉은인)
③ 광합성의 근원인 이산화탄소 CO2 O = C = O
ⓐ 제법 - 탄소의 연소
- 생물의 호흡 C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O
- 탄산칼슘과 산과의 반응
ⓑ 성질 - 공기보다 무겁다 (하방치환)
- 석회수(수산화칼슘)에 통과시키면 뿌옇게 흐려짐(CO2 검출)
Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 ↓ + H2O
ⓒ 이용 - 드라이아이스, 탄산음료, 소화기, 베이킹 파우더
ⓓ 교과서 실험 - 이산화탄소의 성질 52p.
CaCO3 + 2HCl → CaCl2 + H2O + CO2
2NaOH + CO2 → Na2CO3 + H2O
(염기성) (산성)
→ 압력감소
ⓔ 지구온난화의 원인
* 석회동굴의 생성
④ 비활성 기체 : 주기율표 18족 - 매우 안정하여 반응성이 거의 없다.
단원자분자(1원자분자)
ⓐ 헬륨 He : 극저온에 이용(끓는점이 가장 낮은 물질- 초전도체연구),
잠수용 공기, 기구에 이용
ⓑ 네온 Ne : 방전시 색깔 - 네온사인(Ne, Ar)
ⓒ 아르곤 Ar : 전구의 충전재
2) 공기(기체)의 성질
(1) 기체분자운동론 → 이상기체(ideal gas)
① 기체 분자는 끊임없이 직선운동하고 있으며 기체 자체의 부피는 무시
② 기체 분자사이의 인력이나 반발력은 무시
③ 기체 분자는 완전 탄성체이다 (충돌시 에너지 교환은 있어도 충돌 전후 전체 에너지에는 변화가 없다)
④ 같은 온도에서 모든 기체의 평균 운동 에너지는 같고, 평균 운동에너지는 절대 온도에 비례한다. (Ek = )
* 실제 기체가 이상기체에 가까울 조건
ⓐ 고온, 저압 : 분자간 거리가 멀고 분자의 운동에너지가 커서 기체 자체의 부피는 무시할 수 있다.
ⓑ 분자의 크기(분자량)가 작을 때 : 분자 자체의 부피를 무시할 수 있다.
ⓒ 실제 기체 중 이상 기체에 가장 가까운 기체 : He, H2
(2) 기체의 확산
① 확산 : 화학적으로 서로 반응하지 않는 두 기체를 일정한 용기 속에서 서로 가까이 하면, 어느 기체 분자들이 다른 기체 속으로 골고루 섞여 들어가는 현상.
② 그레이엄의 법칙 : 같은 온도, 같은 압력에서 두 기체의 확산 속도(v)비는 각 기체의 분자 량(M) 또는 밀도(d)의 제곱근에 반비례한다.
③ 확인 실험 : NH3 + HCl → NH4Cl (흰연기)
(3) 보일의 법칙
① 일정한 온도에서, 부피 증가 → 충돌거리 길어짐 → 용기 벽이 받는 힘 감소 → 압력 감소 ② 일정한 온도에서 일정량의 기체의 부피(V)는 압력(P)에 반비례한다
∴PV = k P1V1 = P2V2 (k : 온도와 기체의 양(분자수)에 의한 값)
(4) 샤를의 법칙
① 일정한 압력에서, 일정 부피의 기체에 온도가 상승 → 분자의 평균 운동에너지 증가 →속력 증가 → 단위 면적 당 충돌회수 증가 → 압력이 증가 → 부피증가 → 압력이 감소 (압력 처음과 동일)
②일정한 압력에서 기체의 부피(V)는 온도가 1℃ 상승함에 따라 0℃ 때 부피(V0)의 1/273 증기
③일정한 압력에서 기체의 부피(V)는 절대온도(T)에 비례한다.
V = V0 + V0 × 1/273t
( t : 섭씨 온도)
는 일정한 값이므로 k 라 하면
∴ V = k ( 273 + t) 절대온도T(K) = 섭씨온도 + 273
∴ V = kT ,
k : 압력과 기체의 양(분자수)에 의한 값
3) 공기 오염과 그 대책
(1) 공기 오염 물질
① 공기 오염 물질의 분류
a) 1차 오염 물질 : CO, SO2 , NOx , 탄화수소, 분진, 먼지 등
b) 2차 오염 물질 : O3 , 산성비, 산성 안개, 스모그 등
② 이산화황(SO2 ,아황산가스) : 석탄이나 석유에 포함된 황이 연소할 때 발생
③ 질소 산화물(NOx ) : 자동차 엔진에서
④ 일산화탄소(CO) : 연료가 불완전 연소 할 때
⑤ 탄화수소( CxHy ) : 자동차의 연료가 연소되지 못하고 배출
(2) 공기 오염과 그 대책
① 스모그 (smoke + fog = smog)
a) 런던형 스모그 - 원인 물질 : 황산화물과 일산화탄소 - 공장, 발전소
1952년 런던
b) 광화학 스모그(LA형 스모그) - 원인 : 햇빛, 질소산화물, 탄화수소, 오존
2NO + O2 → 2NO2
자외선
NO2 ----→ NO + O
O + O2 → O3
CxHy + O3 → 광화학스모그
* 역전층과 스모그
역전층 : 아래쪽의 공기의 온도가 위쪽 공기의 온도보다 낮아 대류가 일어나지 않는 상태(새벽)
② 오존층 파괴 -오존층 : 성층권의 중간 부분(고도 20～30km)
a) 성층권의 오존층 역할 : 유해자외선 차단
- 지표면(대류권)의 오존(광화학스모그) : 강한 산화력 때문에 동식물에 치명적인 유해물질
b) 오존층 파괴 물질 : 프레온가스CFC, CFCs -Chloro Fluoro Carbon
-(냉매, 발포제, 세정제, 분사제)
할론, 사염화탄소, 항공기의 배기가스(질소산화물)
ｈν (자외선)
CF2Cl2 ꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏ→ CF2Cl + Cl
Cl + O3 → O2 + ClO
ClO + O3 → Cl + 2O2
전체반응 : 2O3 → 3O2 * Cl(촉매)→1개의 Cl이 약 10만 개의 O3 을 파괴
c) 오존층 파괴에 의한 피해 : 면역기능저하, 세포노화, 피부암, 피부홍반, 백내장, 엽록소 파괴,
DNA파괴, 플랑크톤 감소
d) 오존층 파괴 방지 대책 : CFC 대체물질 개발
→ 상온에서 기화가능하고, 쉽게 액화되어야하며, 독성이 없을 것, 반응성이 작고, 오존층을 파 괴하지 않을 것
③ 지구온난화
a) 온실 기체 : CO2 , CH4 (메탄), 수증기, 프레온, 오존 등
b) 영향 : 평균기온 상승, 해수면 상승, 사막화 등
c) 대책 : 이산화탄소 배출량 규제, 삼림 면적 확대 등
④ 산성비 - pH 5.6보다 작은 비
a) 산성비의 원인 물질 - 황산화물(SOx)과 질소산화물(NOx)
b) 피해 : 하천, 강물, 호수, 토양의 산성화, 수중 생태계 파괴, 농작물과 삼림이 고사,
문화 유적 및 건축물의 피해
c) 대책 : 이산화황의 제거 - 탈황시설,
질소산화물의 제거 - 촉매 변환기 부착,
산성화된 토양이나 호수에 염기성 물질인 석회석이나 석회를 뿌려서 중화,
대체에너지 개발 및 국제적인 협력
⑤ 황사 : 농작물이나 활엽수의 생장 저하, 기관지염, 결막염, 안구 건조증 등
3. 금속과 그 이용
1) 금속의 발견과 이용
(1) 시대에 따른 금속의 이용 : 석기시대 → 청동기시대 → 철기시대 → 현재
- 반응성이 작아 순물질로 존재하거나 환원되기 쉬운 금속이 먼저 사용
- 금속의 이용순서 : 금, 은, 구리 → 철 → 알루미늄
- 지각을 구성하는 8대 원소 : O > Si > Al > Fe > Ca > Na > K > Mg
- 금속의 반응성: K>Ca>Na>Mg>Al>Zn>Fe>Ni>Sn>Pb>H>Cu>Hg>Ag>Pt>Au
크 카 나 마 알 연 철 니 주 납 (소) 동 수 은 백 금
반응성 : 대 ←
산화 (환원력, ← 양이온 되기 쉽다.)
- 화학전지의 (-)극 : 반응성이 큰 금속, (+)극 : 반응성이 작은 금속
지각 속의 매장량 : Al 〉Fe 〉Cu 〉Au
반응성 : Al 〉Fe 〉Cu 〉Au
(2) 금, 구리, 철, 알루미늄, 그 밖의 금속
① 금(Au)
- 반응성이 작아 순물질로 얻을 수 있고, 가공하기 쉽다.
- 광택이 아름답고, 쉽게 부식되지 않는다.
- 전성과 연성이 좋고, 열전도성이 뛰어나다.
- 용도 : 장식품, 전자회로, 금박, 치과 치료용
② 구리(Cu)
- 반응성이 작아 순물질로도 존재하고, 쉽게 환원시킬 수 있다.
- 구리에 주석을 섞은 청동은 단단하여 무기나 도구로 사용 : 청동기 시대
- 전성과 연성이 뛰어나다.
- 반응성이 작아 묽은 산이나 물과 반응하지 않는다.
- 용도 : 전선, 전력공급선, 조리 기구, 보일러 파이프 등
③ 철(Fe)
- 단단하고, 금속 중에서 알루미늄 다음으로 매장량이 많다.
- 반응성이 커서 순수한 상태로 거의 존재하지 않고, 녹는점이 높아 순물질을 얻기 힘들었으 므로 구리보다 늦게 사용되었다.
- 철의 제련 : 용광로에 코크스(환원제)와 석회석을 넣고 가열한다.
- 탄소의 함량에 따라 선철(무쇠), 연철, 강철로 구분할 수 있다.
- 스테인리스강(강철 + 크롬 + 니켈) : 녹슬지 않는다.
- 용도 : 맨홀뚜껑(선철), 못(연철), 철근, 철판, 기계부품, 자동차의 차체 등
- 헤모글로빈의 구성 성분, 호흡 작용에 촉매 역할
④ 알루미늄(Al)
- 금속 중에서 매장량이 가장 많으며, 산화물 상태로 존재한다.
- 알루미늄의 분리 : 보크사이트 (정제)→ 산화알루미늄 (용융전기분해)→ 알루미늄
- 가볍고, 광택이 아름답다.
- 알루미늄 합금인 두랄루민은 가볍고 단단하여 비행기나 자동차에 이용
- 연성과 전성이 뛰어나 알루미늄박으로 이용된다.
- 알루미늄은 표면에 산화알루미늄의 치밀한 피막을 형성하여 내부를 보호한다.
⑤ 기타 금속
- 백금(Pt) : 연성과 전성이 좋고, 산에 강하며, 변색되지 않는다. 전극, 치과 재료, 장신구 등
- 크롬(Cr) : 부식에 강하다. 도금이나 합금(스테인리스강, 니크롬)으로 이용
- 티탄(Ti) : 강도가 크고, 부식에 강하며 가볍다. 항공기나 선박의 구조용 재료로 이용
- 망간(Mn) : 망간단괴(감자 모양의 금속산화물로 40여종의 유용금속 함유, 바다의 검은 노다지)
2) 주기율표 - 원소를 원자 번호의 순으로 나열하면 일정한 간격
→ 화학적 성질이 비슷한 원소끼리 체계적으로 분류 → 주기율 → 규칙성
(1) 원소의 분류와 주기율표
① 원소의 분류
- 라부아지에
- 되베라이너 : 세쌍원소
- 뉼랜즈 : 옥타브설
② 주기율의 발견과 주기율표
- 멘델레예프 : 원자량 순서
- 모즐리 : 원자번호 순서
- 원자의 표현 : 예)
* 원자 = 원자핵(양성자 + 중성자)과 전자
* 원자 번호 = 양성자수 = 전자수
* 질량수 = 양성자수 + 중성자수
* 동위 원소 : 원자번호(양성자수나 전자수)는 같지만, 질량수(중성자수)가 다름
* 원자량 : 질량수 12인 탄소(C) 원자의 질량을 12.00으로 정하고 이를 기준으로 하여 정한 원자들의 상대적 질량
(2) 주기율표의 구성
① 족 : 세로줄, 18개의 족 - 같은 족에 속하는 원소(동족원소)들은 화학적 성질이 비슷
* 동족원소가 성질이 비슷한 이유 : 원자가전자(원소의 성질을 결정, 최외각전자, 가장 바깥 전자껍질에 존재하는 전자)수가 같기 때문
* 팔우설(octet 규칙) - 원자들이 전자를 잃거나 얻어서 가장 바깥 전자껍질에 8개의 전자 (18족 원소와 같은 전자 배치)를 가지면 안정해진다.
* 반응성이 가장 큰 족은 1족(알칼리 금속)과 17족(할로겐 원소)
② 주기 : 가로줄, 7개의 주기
(3) 금속과 비금속
① 금속성 : 주기율표의 왼쪽 - 아래쪽, 전자를 잃고 양이온되기 쉬우며, 열전기전도성이 좋음
② 비금속성 : 주기율표의 오른쪽 - 위쪽, 전자를 얻어 음이온 되기 쉽다.
* 양쪽성원소 : Al, Zn, Sn, Pb
(4) 전형원소와 전이원소
3) 알칼리 금속 : 주기율표의 1족(H제외)에 위치하며 Li, Na, K, Rb, Cs, Fr이다.
(1) 물리적 성질
원소
원자번호
녹는점(℃)
끓는점(℃)
밀도
불꽃 반응색
Li
3
180.5
1342
0.53
붉은색
Na
11
97.8
883
0.97
노란색
K
19
63.3
760
0.86
보라색
Rb
37
38.9
686
1.53
붉은색
① 밀도가 작고, 매우 연하고 무른 금속으로 쉽게 잘라지며 은백색 광택을 띤다.
② 열과 전기의 전도성 좋다.
③ 원자번호 증가할수록 녹는점, 끓는점 낮아진다.(금속원자간의 결합력이 약해짐)
④ 특유의 불꽃 색을 나타낸다. - 알칼리 금속이온의 검출 : Li(적), Na(노), K(보)
* 참고 : 스펙트럼 분석
(2) 화학적 성질
① 전자 1개 잃고 +1가 양이온이 되기 쉽다. ( Na → Na+ + e-)
② 원자 번호 증가할수록 반응성 크다.(Li〈 Na〈 K〈 Rb〈 Cs)
③ 공기 중에서 쉽게 산화되고 은백색의 광택을 잃는다.(석유나 벤젠 속에 보관)
4Na(s) + O2 → 2Na2O(s) (산화나트륨)
④ 상온에서 물과 격렬히 반응하여 수소기체 발생하고 용액은 염기성이 된다.
2Na + 2H2O → 2NaOH + H2↑ - 성냥불 ‘퍽’, 페놀프탈레인 ‘붉은색’
* 알칼리(alkali) : 염기(base) 중에서 물에 잘 녹는 물질을 알칼리라고 한다.
(3) 알칼리 금속의 화합물
① 리튬 : 리튬전지
② 탄산리튬(Li2CO3 ) : 우울증 치료제
③ 나트륨 : 가로등, 자동차 안개등
④ 수산화나트륨(NaOH) : 강염기성, 조해성(공기중의 수분 흡수), 공기중의 이산화탄소와 반응
⑤ 탄산나트륨(Na2CO3) - 약염기성, 풍해성 : (Na2CO3․10H2O) 공기 중에서 스스로 결정수를 잃고 무수물로, 산과 반응 이산화탄소 발생
⑥ 탄산수소나트륨 (NaHCO3 , 중조) - 약염기성(제산제), 산과 반응 CO2 발생, 가열하면 CO2 발생(소화제, 베이킹파우더)
⑦ 과산화칼륨(K2O2 ) : 가열에 의하여 K2O와 O2로 분해된다.
⑧ 질산칼륨 (KNO3 ) : 점화제
4) 할로겐 원소 : 주기율표의 17족에 위치하며 9F, 17Cl, 35Br, 53I 등이 있다.
(1) 할로겐의 성질
원소
원자번호
녹는점(℃)
끓는점(℃)
밀도(g/cm3)
색과 상태(25℃)
F
9
-217.9
-188
0.0017
담황색 기체
Cl
17
-100.9
-34.1
0.0031
황록색 기체
Br
35
-7.9
58.8
3.14
적갈색 액체
I
53
113.6
184.4
4.93
흑자색 고체(승화성)
① 2원자 분자(X2)로 존재하는 비금속이다.
② 전자 1개를 얻어 음이온이 되기 쉽다.
③ 금속이나 비금속과도 반응을 잘 한다. (염화물)
Cl2 + 2Na → 2NaCl Cl2 + H2 → 2HCl
④ 반응성(산화력) 대 : 반응성이 큰 분자는 음이온(환원)으로 되고, 반응성이 작은 음이온은 분자로 산화된다.
반응성 : F2 > Cl2 > Br2 > I2
2KI + Cl2 → 2KCl + I2 ( 2I- + Cl2 → 2Cl- + I2 )
확인 : 녹말 (요오드 녹말 반응) -요오드화칼륨녹말 종이를 보라색으로
사염화탄소(CCl4) 층의 색깔 -- 할로겐분자는 사염화탄소에 쉽게 용해됨.
2NaCl + I2 → 2NaI + Cl2 반응 일어나지 않음 ∴ 반응성 : Cl2 > I2
Br- + Cl2 → Cl- + Br2 (반응성 : Cl2 〉Br2)
⑤ 녹는점(m.p), 끓는점(b.p) : 원자번호 증가할수록 높아진다.
m.p. 과 b.p. : 상온에서 F2 (기체)< Cl2 (기체)< Br2 (액체)< I2 (고체)
(2) 할로겐원소와 화합물
① 플루오르(F2 ) : 담황색의 기체, NaF(치약이나 구강세정제), 테플론(주방용기코팅)
② 염소( Cl2 ) : 황록색의 기체, 하방치환으로 포집.
- 염소의 제법 :진한 염산에 이산화망간(산화제)을 넣고 가열하여 얻는다.
4HCl＋MnO2 → MnCl2＋2H2O＋Cl2
<그림설명> 물(H2O)의 역할- 염화수소(HCl)제거,
건조제(진한황산 또는 염화칼슘) - 수분(H2O)제거
- 염소는 물과 반응하여 HClO를 생성 살균 및 표백 작용(물에 적신 꽃잎 탈색)
③ 브롬(Br2 ) : 적갈색 액체, AgBr(감광성, 사진 필름)
④ 요오드(I2 ) : 흑자색 고체, 승화성, 소독약
⑤할로겐화수소(HX) : 산성
㉠ 산의 세기 : HF(약산)《 HCl〈 HBr〈 HI
㉡ 끓는점 : HF(수소결합) 》HCl〈 HBr〈 HI
㉢ 플루오르화수소(HF) - 유리의 주성분인 석영과 반응하여 유리를 녹이기 때문에 납 병이나 폴리에틸렌 병에 보관.
㉣ 염화수소(HCl) - 무색의 자극성 기체로, 물에 잘 녹고 공기보다 무겁다.
- 암모니아 기체와 반응하여 흰 연기(NH4Cl)가 생기므로, 암모니아 검출 에 이용된다.
③ 할로겐화 이온의 검출 → AgNO3 加 → 할로겐화 은(AgX) : AgF(무색,수용성),
난용성(침전)AgCl↓(흰색), AgBr↓(연노란색), AgI↓(노란색)
※ 검출법
① 알칼리 금속 : 불꽃반응
② 할로겐 이온 : 은이온(질산은)과 반응 앙금생성
5) 금속의 성질
(1) 금속결합 : 금속 양이온과 자유전자가 정전기적 인력으로 결합
* 금속의 전자바다모형
(2) 금속의 특징 : 자유전자
① 열전도성과 전기전도성이 크다.
② 금속 광택 : 대부분의 금속은 은백색이나 회백색의 금속광택, 금은 노란색, 구리는 붉은색
③ 전성(펴짐성)과 연성(뽑힘성)
④ 대부분의 금속은 밀도가 크며, 녹는점과 끓는점이 비교적 높아 수은을 제외하고는 상온에서 결정성고체로 존재.
6) 금속의 반응성
(1) 산화와 환원
① 산화(환원제, 환원력) : 산소와 결합하거나 전자를 잃는 반응
(반응성이 큰 금속 → 금속 양이온으로 됨)
② 환원(산화제, 산화력) : 산화물이 산소를 잃거나 전자를 얻는 반응
(반응성이 작은 금속의 이온 → 금속으로 석출됨
산용액에서는 H+ → 수소 H2 발생)
③ 산화와 환원은 동시에 일어남
(2) 금속의 반응성 : 이온화경향, 이온화서열
① 금속과 물의 반응
ⓐ 찬물과 반응(알칼리 금속) : 2Na + 2H2O → 2NaOH + H2↑
ⓑ 뜨거운 물과 반응(Mg, Al)
② 금속과 산의 반응
ⓐ Mg ＋ 2HCl → MgCl2 ＋ H2 (Mg ＋ 2H+ → Mg2+ ＋ H2 )
(Mg > H2 수소 보다 반응성이 큰 금속은 산과 반응하여 수소 기체가 발생)
② 왕수 : 진한 질산과 진한 염산( 1 : 3 의 부피비)
③이온화서열 : 이온화경향
K>Ca>Na>Mg>Al>Zn>Fe>Ni>Sn>Pb>H>Cu>Hg>Ag>Pt>Au
크 카 나 마 알 연 철 니 주 납 (소) 동 수 은 백 금
반응성 : 대 ←
산화 (환원력, ← 양이온 되기 쉽다. 이온화경향이 크다.)
ⓐ 금속의 반응성과 반응 여부
* 반응성이 큰 금속 + 반응성이 작은 금속의 염 → 반응이 일어남
(반응성이 큰 금속은 산화되어 이온으로 되고 반응성이 작은 금속의 이온이 환원되어 석출)
(산화)
Zn + CuSO4 → ZnSO4 + Cu ( Zn + Cu2+ → Zn2+ + Cu)
(푸른색)
(환원)
∴ 금속의 반응성 : Zn > Cu(석출)
ⓑ 전기도금
* 도금할 물체 : 직류 전원의 (-)극
* 표면에 입히고 싶은 금속 : (+)극
* 전해질 용액 : 표면에 입히고 싶은 금속의 이온을 포함
7) 금속이 녹스는 이유
(1) 금속의 부식 : 금속이 산화되어 광택이나 전기전도성 등 금속 본래의 성질을 잃는 현상
* 철의 부식(녹) : 4Fe + 3O2 + 4H2O → 2[Fe2O3․2H2O]
(2) 금속의 부식조건 : 공기(산소)와 물(수분), 전해질용액
(3) 금속의 부식방지
① 수분과 산소의 차단 : 기름칠, 페인트칠
② 철보다 반응성이 큰 금속(Mg, Zn) 이용 : 음극화보호, 함석(Zn도금)
* 음극화 보호
- 주유소의 기름 탱크, 선박, 철제 수도관, 가스관에 Fe보다 반응성이 큰 Mg, Zn을
부착하거나 도선으로 연결
- Mg(Zn) 이 Fe 보다 먼저 전자를 잃고 산화(희생금속→전지의 －극 역할)
③ 철보다 반응성이 작은 금속 이용 : 금 도금, 은 도금, 양철(Sn 도금)
※ 도금의 손상 : 양철과 함석의 차이(반응성 Zn 〉Fe 〉Sn )
양철 - 표면에 흠집이 생기면 철이 노출되어 먼저 산화되는 단점.
④ 합금 : 스테인리스 스틸
* 치환형 합금, 틈새형 합금
* 신소재 합금
ⓐ 형상 기억 합금 : 우주선 안테나, 치열 교정용 와이어, 파이프의 이음매, 안경테
ⓑ 수소 저장 합금 : 수소의 저장 및 운반 장치, 냉난방 장치, 수소 자동차,
니켈-수소화물전지
ⓒ 초전도 합금 : 일정한 온도이하에서 전기저항이 0 이 되는 초전도현상을 나타내는 합금
- 자기 부상 열차, 자기공명영상장치(MRI), 송전케이블
⑤ 부동태 형성 : 산화막의 이용 - 알루미늄을 공기 중에 방치하면 금속의 표면에 치밀한
산화알루미늄 피막이 생겨 공기와 수분의 접촉을 막아준다.
8) 무서운 금속 - 중금속 오염
(1) 중금속 : 비중이 4.0 이상인 금속
(2) 중금속에 의한 피해 : 체내에서 단백질과 결합하여 축적
① 납(Pb)
ⓐ 용도 : 휘발유 첨가제, 페인트, 납축전지, 땜납, 그물추
ⓑ 피해 : 충추 신경 장애, 지능 저하, 헤모글로빈 합성 저하, 빈혈
ⓒ 공기오염원 : 납이 들어 있는 휘발유에 의한 자동차 배기가스, 납 제련공장, 축전지 공장
ⓓ 수질오염원 : 납의 제련 공장, 도금 공장의 폐수
② 수은(Hg) : 상온에서 유일한 액체
ⓐ 용도 : 온도계, 전지, 형광등, 치과 치료용 아말감, 살충제
ⓑ 피해 : 신경마비, 뇌․간․신장에 치명적 손상, 근육이완, 언어 및 청각장애
ⓒ 미나마타병 : 일본의 미나마타시 - 합성수지공장의 폐수에 포함된 메틸수은
③ 비소(As) : 비소는 금속은 아니지만 독성 중금속의 일종으로 분류,
비소 자체는 독성이 많지 않지만 비소의 산화물은 독성이 강함.
ⓐ 용도 : 살충제, 제초제, 의료용, 쥐약
ⓑ 피해 : 구토 설사, 심장마비, 소화기 장애, 결막염
ⓒ 공장 폐수나 유독가스, 폐광의 침출수 등으로 배출
ⓓ 비상 : 아비산(As2O3 )
④ 카드뮴(Cd) : 칼슘과 비슷하여 칼슘대사에 장애
ⓐ 용도 : 충전용전지, 색소, 도금, 플라스틱
ⓑ 피해 : 뼈를 약화, 콩팥 장애, 위장병, 체내칼슘대사 불균형
ⓒ 이타이이타이병 : 일본 도야마현의 진즈강 연안에서 발생 - 광산 폐수
⑤ 크롬(Cr)
ⓐ 용도 ; 도금, 합금, 용접작업, 도자기의 유약, 안료, 인쇄용 잉크의 착색제
ⓑ 피해 : 발암 물질, 폐암, 궤양, 호흡기 장애
(3) 중금속의 순환 : 생물 농축
(4) 중금속의 피해를 줄이는 방법 : 배출 억제, 분리수거, 기술 개발
① 분리수거 : 생활용품 속의 중금속
자동차(납축전지), 전자시계(수은 전지), 장난감(도금이나 페인트 - 납),
미백효과 화장품(수은, 납)
형광등(진공관 - 수은), 무선 전화기(충전지 - 카드뮴), 노트북PC (배터리팩 - 카드뮴)
② 기술 개발 : 수은온도계나 수은 전지 대체, 무연 휘발유
화학Ⅰ
Ⅱ. 화학과 인간
1. 주변의 탄소화합물
교과서 128p.
1. 석유로부터 얻는 물질은 무엇일까?
1) 원유의 분별 증류
(1) 원유 : 탄화수소의 혼합물, 산소 질소 황 성분도 미량 포함
(2) 분별증류 : 끓는점 차이 이용
(ex) 원유 정제 - 등유, 경유, 중유 등 - 탄소와 수소가 결합한 탄화수소
(3) 원유의 개조 방법
① 크래킹(cracking) : 큰 분자의 탄화수소를 열분해시켜 에틸렌, 프로필렌 등과 같은 작은 분 자의 탄화수소를 만드는 공정
② 리포밍(reforming) : 사슬 모양의 탄화수소 → 촉매를 써서 높은 온도와 압력을 가해 주면 → 고리모양의 탄화수소로 전환시켜 품질을 높이는 것
(4) 액화석유가스(LPG, Luquefied Petroleum Gas) - 프로판(C3H8)과 부탄(C4H10)
- 공기보다 무겁워 확산이 잘 되지 않으며, 액화가 쉽다(소형 용기에 넣어 운반 - 택시연료)
(5) 나프타 : 석유화학공업의 기초 원료
2. 많이 이용되는 탄소화합물에는 어떤 것들이 있을까?
1) 탄소 화합물의 특성
(1) 탄소를 기본 골격으로 H, O, N, 할로겐 등의 원소들이 결합된 화합물로 종류가 매우 많다.
(2) 대부분 무극성 물질로 에탄올, 벤젠, 에테르 등 유기 용매에 잘 녹는다.
(3) 대부분 분자성 물질로 분자간 인력이 작아 녹는점, 끓는점이 낮다.
(4) 공유 결합 화합물로 비전해질이며 반응속도가 느리다.
- 탄소의 공유원자가 (4가 → 결합을 할 수 있는 전자 4개)
- 옥테트 규칙 (팔우설) : 가장 바깥전자껍에 전자가 8개(He은 2개)가 배치되어 안정.
- 원자가전자 : 가장 바깥 전자껍질에 존재하는 전자 - 화학결합에 관여
2) 다이아몬드와 흑연
다이아몬드 - 각 탄소원자는 4개의 다른 탄소 원자와 결합을 하고 있어서 매우 단단함.
흑연 - 4개의 전자 중 3개남이 다른 탄소 원자들과 결합 - 전기전도성을 가짐
3) 탄화수소의 분류
(1) 탄소에 결합되어 있는 수소의 수에 따른 분류
① 포화 탄화수소 : 탄소간 결합이 모두 단일 결합인 것 ⇒ 알칸, 시클로 알칸
② 불포화 탄화수소 : 탄소간에 이중 결합이나 삼중 결합이 존재하는 것 ⇒ 알켄, 알킨, 방향족 탄화수소
(2) 결합 형태에 따른 분류
① 사슬 모양 탄화수소 : 알칸, 알켄, 알킨
② 고리 모양 탄화수소 : 시클로 알칸, 방향족
수
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
수를 셀때
mono
di(bi)
tri
tetra
penta
hexa
hepta
octa
nona
deca
물질명
metha
etha
propa
buta
penta
hexa
hepta
octa
nona
deca
<결합>
<일반식>
<반응>
탄화수소
(CH)
사슬
포 화
알칸(alkane)
단일결합
CnH2n+2
치환
지방족
불포화
알켄(alkene)
이중결합
CnH2n
첨가
알킨(alkyne
삼중결합
CnH2n-2
첨가
고리
포 화
시클로 알칸
(cyclo alkane)
단일결합
CnH2n
불포화
방향족
(벤젠고리포함)
단일과이중의 중간
―
치환 첨가
방향족
가. 포화 탄화수소
1) 알칸(alkane) 탄소간 결합이 단일 결합인 사슬 모양 탄화수소
(1) 일반식 : CnH2n+2
(2) 명명법 : 탄소 수에 따른 물질명에 ‘-안(ane)'을 붙인다.
(3) 성질
① 탄소 수가 증가할수록 분자간 인력이 강해져 녹는점, 끓는점이 높아진다.
② 화학적으로 안정하기 때문에 반응하기 어려우나 할로겐 원소와 치환반응을 한다.
③ 탄소가 4개 이상인 알칸은 이성질체가 존재한다.
(4) 메탄 (CH4)
① 가장 간단한 포화 탄화수소로 결합각이 109.5°인 정사면체 구조를 이룬다.
H
109.5。
C H
H
H
② 천연 가스(LNG)의 주성분으로 햇빛을 쪼이면 할로겐과 치환반응을 한다.
+Cl2 +Cl2 +Cl2 +Cl2
CH4 → CH3Cl → CH2Cl2 → CHCl3 → CCl4
-HCl -HCl -HCl -HCl
염화메틸(냉동제) 염화메틸렌 클로로포름(마취제) 사염화탄소
※ 이성질체 : 분자식은 같지만, 구조식이 달라서 성질이 다른 화합물을 말한다.
< 분자식 > 부탄 C4H10
n - 부탄 (CH3CH2CH2CH3 ) iso - 부탄 CH3 - CH - CH3
│
CH3
(녹는점:-138.4℃, 끓는점:-0.5℃) 〉 (녹는점:-159.6℃, 끓는점:-11.6℃)
2) 시클로 알칸(cycloalkane) 탄소간 결합이 단일 결합인 고리 모양 포화 탄화수소
(1) 일반식 : CnH2n (n≥3) - 알켄과는 이성질체
(2) 명명법 : 알칸 이름 앞에 ‘시클로(-cyclo)'를 붙인다.
(3) 성질 : 일반적으로 치환 반응을 하지만, 시클로프로판은 결합이 불안정하여 고리가 끊어지는 첨가 반응이다.
(4) 시클로헥산 : C6H12 - 의자모양과 배모양 이성질체(입체구조)
나. 불포화탄화수소
1) 알켄(alkene) : 탄소 원자 사이에 이중결합 1개 존재
(1) 일반식 : CnH2n (n≥2)
(2) 명명법 : ‘-엔 (ene)'을 붙인다
(3) 성질 : 탄소 수가 같은 시클로 알칸과 이성질체이며, 첨가반응과 중합반응을 한다.
(4) 에텐(C2H4, H2C=CH2 , 에틸렌) : 탄소 원자는 한 평면 위에 있으며, 결합각은 120。
(5) 에텐(에틸렌)의 제법 (에탄올의 분자내 탈수 반응)
c-H2SO4
CH3CH2OH (C2H5OH) ------→ H2C=CH2 + H2O
에탄올 160～170℃ 에틸렌
(6) 에텐(에틸렌)의 첨가 반응 : 이중 결합이 열리면서 다른 원자가 첨가되는 반응
- H2 첨가
Ni
CH2 ═ CH2 + H2 ───→ CH3 ─ CH3 ( C2H6 )
- Br2 첨가 : 적갈색의 브롬수에 에틸렌 기체를 통하면 브롬이 색이 없어진다.
⇨ 불포화 탄화수소의 검출법
CH2 ═ CH2 + Br2 ──────→ CH2Br ─ CH2Br
(7) 중합 반응 : 이중 결합이 열리면서 이웃 분자와 연속적으로 결합하는 반응
첨가 중합
n CH2 ═ CH2 ─────→ CH2─CH2 n
폴리에틸렌
(8) 기하 이성질체 : 이중 결합을 축으로 회전이 되지 않아 생기는 이성질체로, 이중 결합을 하 는 두 탄소 원자에 2개의 치환체가 있을 때 생긴다.
H H Cl H
∖ ∕ ∖ ∕
C ═ C (cis, 극성) C ═ C (trans, 무극성)
∕ ∖ ∕ ∖
Cl Cl H Cl
2) 알킨(alkyne) 탄소 원자간 삼중 결합 1개
(1) 일반식 : CnH2n-2 (n≥2)
(2) 명명법 : ‘-인(yne)'을 붙인다.
(3) 성질 : 첨가 반응과 중합 반응을 한다.
(4) 에틴(C2H2, CH ≡ CH 아세틸렌) : 직선구조로 결합각은 180°
①제법 : 탄화칼슘(CaC2, 칼슘 카바이드)를 물에 반응시켜 얻는다.
CaC2 + 2H2O → Ca(OH)2 + C2H2
② 첨가 반응
- H2 첨가
Ni
HC ≡ CH + H2 ------→ H2C = CH2 + H2 ----→ CH3CH3
에틴( C2H2 ) 에텐( C2H4 ) 에탄 ( C2H6 )
- H2O 첨가
HgSO4
CH ≡ CH + H2O ────→ CH3CHO (아세트알데히드)
- HCl 첨가
첨가중합
CH ≡ CH + HCl → CH2=CHCl ────→ CH2─CHCl n
염화비닐 폴리염화비닐(PVC)
- Br2 첨가
CH ≡ CH + Br2 ─→
(무색) (적갈색
Br H Br Br
∖ ∕ ∖ ∕
C ═ C C ═ C
∕ ∖ ∕ ∖
H Br , H H
(무색) -trans (무색) - cis
3) 방향족 탄화수소 - 벤젠고리 포함
(1) 벤젠(C6H6)의 구조
① 평면정육각형 - 결합각은 120°
② 탄소와 탄소 사이의 결합은 단일 결합과 이중 결합의 중간 결합(공명구조- 안정)
- 6개의 결합 길이는 모두 같다
(2) 벤젠의 성질
① 무색의 휘발성, 방향성 액체
② 유기용매
③ 수소수에 비하여 탄소의 수가 많아 연소시 불완전 연소되기 쉬워 많은 그을음 발생
(3) 벤젠의 반응성 : 벤젠은 불포화 탄화수소이지만 공명구조로인해 안정하기 때문에 첨 가 반응보다는 치환 반응이 잘 일어난다.
① 치환 반응
- 할로겐화 Cl
Fe │
+ Cl2 ────→ + HCl
(염화벤젠)
- 니트로(NO2)화 NO2
진한 황산 │
+ HNO3 ────→ + H2O
(니트로벤젠)
- 술폰(SO3H)화 SO3H
SO3 │
+ H2SO4 ────→ + H2O
(벤젠술폰산)
- 알킬화 CH3
AlCl3 │
+ CH3Cl ────→ + HCl
(톨루엔)
② 첨가 반응
햇빛
C6H6 + 3Cl2 → C6H6Cl6 (BHC, 살충제)
Ni
C6H6 + 3H2 → C6H12 (시클로 헥산)
(4) 그 밖의 방향족 탄화수소
① 톨루엔(Ar-CH3) : 특유한 냄새를 가진 무색 액체, 벤조산, TNT의 원료
② 나트탈렌(Ar-Ar) : 승화성이 있는 흰색 고체, 방충제의 원료
※ 탄소-탄소간의 결합 길이 및 결합 에너지
① 결합 길이 : C-C (0.154nm) 〉벤젠(0.140) 〉C=C (0.134) 〉C≡C (0.120)
② 결합 에너지 : 단일결합〈 벤젠〈 이중결합〈 삼중결합
③ 반응성 : C-C < C=C < C≡C
다. 지방족 탄화수소의 유도체
* 작용기에 따른 탄화수소 유도체의 분류
가) 탄화수소의 유도체 : 탄화수소의 수소 원자가 특정한 원자단(작용기)으로 치환된 물질
나) 작용기 : 탄화수소 유도체가 공통의 화학적 특성을 나타내는 원자단 작용기와 이름
유도체의 일반식과 이름
유도체의 보기
─ OH 히드록시기
R-OH 알코올
CH3OH 메탄올(메틸알코올)
C2H5OH 에탄올(에틸알코올)
O
∥ 포르밀기
─ C ─ H
R-CHO 알데히드
HCHO 포름알데히드(메탄알)
CH3CHO 아세트알데히드(에탄알)
O
∥ 카르복시기
─ C ─ O ─ H
R-COOH 카르복시산
HCOOH 포름산(메탄산)
CH3COOH 아세트산(에탄산)
∣ 카르보닐기
─ C ═ O
R-CO-R' 케톤
CH3COCH3 아세톤(프로판온)
CH3COC2H5 메틸에틸케톤
─ O ─ 에테르
R-O-R' 에테르
CH3OCH3 디메틸에테르
C2H5OC2H5 디에틸에테르
O
∥ 에스테르
─ C ─ O ─
R-COO-R' 에스테르
HCOOCH3 포름산메틸
CH3COOC2H5 아세트산에틸
※ 알킬(CnH2n+1-) : 알칸에서 수소 원자 1개가 빠진 원자단으로 R로 표시
( H- , CH3- , C2H5- , … )
1) 알코올(alcohol : R-OH) , R - (친유성, 소수성), -OH(친수성)
(1) 탄소 수가 작은 알코올은 물에 잘 녹으며, 수용액은 비전해질이고 액성은 중성
(2) -OH에 의해 분자간에 수소 결합을 하므로 끓는점이 높다.
(3) 알코올의 분류
① 1가, 2가, 3가 알코올 : 히드록시기의 수에 따라
② 1차, 2차, 3차 알코올 : 히드록시기가 결합된 탄소에 연결된 알킬기(R)의 수에 따라 1가 알코올
2가 알코올
3가 알코올
1차
2차
3차
CH3CH2-OH
H
│
CH3 ─ C ─ OH
│
CH3
CH3
│
CH3 ─ C ─ OH
│
CH3
HO-CH2-CH2-OH
CH2-CH-CH2
│ │ │
OH OH OH
(4) 알코올의 반응
① Na, K과 같은 알칼리 금속과 반응하여 수소 기체 발생
2Na + 2C2H5OH → 2C2H5ONa + H2
② 산화 반응
산화 산화
1차 알코올(ROH) ───→알데히드(RCHO) ───→ 카르복시산(RCOOH)
(CH3OH) (HCHO) (HCOOH)
(C2H5OH) (CH3CHO) (CH3COOH)
산화
2차 알코올 ───→ 케톤 (RCOR)
CH3-CH-CH3 CH3-C-CH3
│ ║
OH O (아세톤)
3차 알코올 → 산화되지 않음
③ 에스테르화 반응 : 카르복시산과 알코올이 반응하여 에스테르가 생성되는 반응-축합반응
O
║ 진한황산, 가열(에스테르화)
CH3-C-O-H + C2H5OH ───────→ CH3COOC2H5 + H2O
(아세트산) (에탄올) ←────── (아세트산에틸)
(가수분해)
RCOOH R'OH RCOOR' + H2O
④ 탈수 반응 : 알코올에서 물분자가 빠져나가는 반응, 온도에 따라 생성 물질이 다름
진한황산 진한황산
C2H5OH ────→ C2H4 + H2O, 2C2H5OH ─────→ C2H5OC2H5 + H2O
160～170℃ 130～140℃
(에텐) (디에틸에테르) ROR'
<분자내 탈수> <분자간 탈수 - 축합반응>
(5) 여러 가지 알코올
① 메탄올(CH3OH)
- 무색의 유독한 액체
- 알코올 램프의 원료
② 에탄올(C2H5OH)
- 제법 : C6H12O6 ───→ 2CH3CH2OH + 2CO2
H2SO4
CH2＝CH2 + H2O ───→ CH3CH2OH
③ 에틸렌글리콜 ( C2H4(OH)2 )
- 어는점이 낮고 휘발성이 작아 자동차의 부동액으로 사용
- 합성 섬유인 폴리에스테르의 연료
④ 글리세롤( C3H5(OH)3 )
- 화장품, 액체 비누, 과자 제조에 사용
.
2) 에테르(ether : R-O-R')
(1) 알코올의 축합 반응(분자간 탈수반응)으로 생성되며, 휘발성, 마취성, 인화성이 크다.
(2) -OH기가 없어 물에 녹지 않고, 마취제나 유기 용매로 사용된다.
(3) 금속 Na과 반응하지 않는다.
(4) 탄소 수가 같은 알코올과 이성질체 관계이다.
(분자식) C2H6O →
(시성식) C2H5OH, CH3OCH3
구별 : 알칼리금속과 반응 유무
3) 알데히드(aldehyde : R-CHO)
(1) 산화되어 카르복시산이 되고, 환원되면 1차 알코올이 된다.
환원 산화
C2H5OH ←─── CH3CHO ───→ CH3COOH
(에탄올) (아세트알데히드) (아세트산)
(2) 환원성이 커서 은거울 반응과 펠링 용액과 반응한다.(알데히드 검출법: -CHO, HCO-)
① 은거울 반응 : 암모니아성 질산은 용액 속에 Ag+을 Ag으로 환원시킨다.
Ag+ + RCHO ────→ Ag↓ + RCOOH
△
② 펠링 용액 반응 : 펠링 용액 속의 Cu2+을 Cu2O(붉은색 앙금)으로 환원시킨다.
2 Cu2+ + RCHO ────→ Cu2O↓ + RCOOH
△
(3) 여러 가지 알데히드
① 포름알데히드(HCHO) - 페놀 수지, 요소 수지 등의 합성 수지나 접착제를 만드는 연료
- 30～40% 농도의 수용액은 포르말린이라고 하며, 동물 표본의 살균, 방부제로 사용
② 아세트알데히드(CH3CHO) - 접착제나 아세트산의 원료
4) 케톤(ketone : R-CO-R')
(1) 2차 알코올을 산화시켜 얻는다.
-2H
CH3CH(OH)CH3 ――→ CH3COCH3
산화
(2) 특유의 향기가 있는 무색의 액체이며, 물에 녹으며 유기 용매로 사용
(3) 요오드포름(CHI3) 반응을 한다.
(4) 탄소 수가 같은 알데히드와 이성질체 관계이다.
(분자식) C3H6O →
(시성식) C2H5CHO, CH3COCH3
구별 : 환원성 유무
5) 카르복시산(carboxylic acid : R-COOH)
(1) 물에 녹아 약한 산성이며, 염기와 중화반응
(2) 수소 결합을 하므로 끓는점이 높다.
(3) 알칼리금속과 반응 - 수소 기체 발생
(4) 알코올과 에스테르 반응을 한다.
(5) 여러 가지 카르복시산
① 포름산(HCOOH : 메탄산, 개미산)
- 자극성 냄새가 나는 무색 액체로 물에 잘 녹는다.
- 카르복시기(-COOH)와 포르밀기(-CHO)를 함께 가지고 있으므로 산성을 가지는 동시에
환원성이 있다. → 은거울 반응과 펠링 반응
O
포르밀기 ∥ 카르복시기
H - C - O - H
② 아세트산(CH3COOH)
- 어는점이 16.6℃ 이며, 빙초산이라고도 한다.
- 의약품이나 합성 수지의 원료
- 3～6% 수용액으로 식초 제조
6) 에스테르(ester : R-COO-R')
1) 과일향이 나는 무색의 액체로 물에 잘 녹지 않는다.
2) 가수분해 반응 : 에스테르화 반응의 역반응이 일어나 카르복시산과 알코올이 생성되는 반응.
RCOOH + R'OH RCOOR' + H2O
3) 알칼리와 함께 가열하면 비누가 생성된다.(비누화)
RCOOR' + NaOH → RCOONa(비누) + R'OH
4) 카르복시산과 이성질체 관계
(분자식) C3H6O2 → (시성식) C2H5COOH, CH3COOCH3
구별 : 산성 유무
(5) 여러 가지 에스테르
에스테르
시성식
냄 새
포름산에틸
아세트산에틸
아세트산이소아밀
아세트산옥틸
부틸산에틸
부틸산이소아밀
HCOOC2H5
CH3COOC2H5
CH3COOC5H11
CH3COOC8H17
C3H7COOC2H5
C3H7COOC5H11
복숭아
사 과
바나나
오렌지
파인애플
배
라. 방향족 탄화수소의 유도체
1) 페놀류
(1) 벤젠고리(C6H5-, Ar)에 -OH가 직접 결합된 물질
(2) 검출법 : FeCl3 수용액과 반응하여 적자색의 정색반응
(3) 페놀(Ar-OH)
① 특유의 냄새가 나는 무색의 결정, 물에 녹아 약한 산성, 염기성 물질과 반응하여 염을 생성
OH ONa
+ NaOH ──→ + H2O
② 알칼리금속과 반응하여 H2를 발생
③ 카르복시산과 반응하여 에스테르화 반응
④ 피부에 닿으면 염증 유발, 의약, 염료, 페놀 수지의 원료
⑤ 1～3% 수용액은 살균, 소독제로 사용
(4) 살리실산( C6H4(OH)COOH )
① 물에 약간 녹아 약한 산성을 나타내며, FeCl3에 의해 보라색의 정색반응
② 카르복시산이나 알코올과 반응하여 에스테르화 반응
COOH CH3OH COOCH3
+ H2O
OH OH
(살리실산) (살리실산메틸)
COOH CH3COOH COOH
+ H2O
OH OCOCH3
(살리실산) (아세틸살리실산)-아스피린
(5) 크레졸( C6H4 CH3OH ) CH3
- 페놀보다 물에 녹기 어려우며, 살균력이 강하고 독성이 작다. OH
- 비눗물에 녹여 하수구나 변기 등의 살균 소독제로 사용
2) 방향족 카르복시산
COOH
(벤조산) - 물에 조금 녹아 약한 산성을 나타낸다.
- 알코올과 에스테르화 반응을 한다.
3) 방향족 니트로 화합물
(1) 벤젠 고리에 탄소 원자에 니트로기(-NO2)가 결합된 화합물
(2) 니트로벤젠(C6H5NO2)
- 벤젠에 진한 질산과 진한 황산을 반응시켜 얻음
- 비누의 향료, 물감의 원료인 아닐린의 제조
(3) 트리니트로톨루엔(TNT)
CH3
O2N NO2
- 폭발성이 있어 폭약의 원료로 사용
NO2
4) 방향족 아민
(1) 아닐린(C6H5NH2)
- 니트로벤젠을 주석과 염산으로 환원시켜 얻음
NO2 Sn, HCl NH2
- 염기성 물질(NH2 아미노기) - 염산과 반응하면 물에 녹는 염 생성
- 의약품과 염료의 주요 염료
마. 새로운 탄소화합물
1) 풀러렌 : C60
- 탄소원자 60개로 이루어진 축구공 모양의 분자
- 높은 온도와 압력에도 견디는 매우 안정된 구조
- 윤활제, 공업용 촉매제, 초전도체, 축전지, 약품전달매체 등으로 이용
2) 탄소나노튜브
- 육각형 벌집 무늬를 이루며, 둥글게 말려진 형태
- 반도체소자로서 고집적도가 가능
- 고탄성 골프채, 테니스 라켓, 방화복, 생분자와 친해 의학용 접합부나 의약품 투약용
3. 연료로 이용되는 탄소 화합물에는 어떤 것들이 있을까? <교과서 150p.>
1) 석유
(1) 원유 : 바다나 호수 등에 번식하던 식물성 플랑크톤의 유해가 바다 밑에 묻혀서 오랜 세월 동안 화학 변화를 거쳐서 생성된 탄화수소
(2) 원유의 정제 : 끓는점 차이를 이용한 분별 증류
분류
끓는점(℃)
탄소수
용 도
석유가스
가솔린
등 유
경 유
중 유
윤활유
아스팔트
-160～40
40～180
150～250
230～300
280～350
350 이상
1～4
5～12
10～16
14～20
18～30
25이상
LPG, 자동차 연료, 화학 약품 합성 재료
휘발유, 나프타, 화학 약품 합성 재료
가정용 연료
디젤 엔진의 연료
선박의 연료
윤활유, 왁스
(3) LPG ( Liquified Petroleum Gas : 액화 석유 가스)
① 주성분은 프로판(C3H6)과 부탄(C4H10)
② 상온에서 압력을 높이면 쉽게 액화되므로(끓는점이 비교적 높기 때문), 용기에 담아서 보 관하거나 운반 - 자동차의 연료
③ 공기보다 무거워 누출되면 확산이 잘되지 않으므로 폭발의 위험성이 큼
2) 천연가스 : LNG(Liquified Natural Gas : 액화 천연 가스)
① 메탄(CH4)이 주성분
② 공기보다 가볍고 끓는점이 낮으므로 운반, 저장이 어려움
③ 도시 가스로서 가정용 연료, 천연가스 버스 - 대기 오염 줄임
3) 석탄
① 주성분이 탄소이고 다른 원소도 소량 포함
② 탄소 성분이 높을수록 질이 우수함 - 무연탄
③ 부유선광법 - 황화합물 제거
④ 코크스- 철의 제련과정에서 환원제
화석연료(석탄, 석유, 천연가스)의 연소생성물 확인
→ 연료의 성분 원소 확인 가능
→이산화탄소(CO2) 확인 - 석회수 →뿌옇게 흐려짐 (연료성분 C 포함)
→수증기(물,H2O) 확인 - 푸른염화코발트종이 → 붉게 변함
- 흰색무수황산구리→청색 (연료성분 H 포함)
4. 우리가 사용하는 플라스틱에는 어떤 것들이 있을까?
1) 플라스틱(합성 수지)의 합성
- 고분자 화합물 : 공유결합으로 분자량이 수만 ～ 수백 만에 이르는 화합물
→ 합성 고분자 : 합성수지, 합성섬유, 합성고무
→ 천연 고분자 : 녹말, 셀룰로오스, 단백질, 천연고무
- 단위체 : 고분자를 이루는 기본 단위
- 중합체 : 단위체가 결합하여 만들어진 고분자 물질
중합
단위체(monomer) ꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏ→ 중합체(polymer)
(1) 첨가 중합체
① 첨가 중합 : 단위체가 결합할때 탄소원자사이의 이중결합이 끊어지면서 고분자 화합 물을 만드는 반응
② 첨가 중합 반응
n CH2=CH → (-CH2-CH-)n
│ │
X X
H H
│ │
C ＝ C
│ │
H H
n
H H
│ │
─C ─ C─
│ │
H H
첨가
중합
n
에틸렌 폴리에틸렌
③ 폴리에틸렌 : 성형과 가공이 쉽고 포장재나 투명 용기
④ 폴리염화비닐(PVC)
H H
│ │
C ＝ C
│ │
H Cl
n
H H
│ │
─C ─ C─
│ │
H Cl
첨가
중합
n
⑤ 폴리스티렌
ꠏꠏꠏꠏꠏꠏꋼ
(2) 축합 중합체
① 축합 중합 : 단위체들이 결합할 때, 작용기 사이에서 H2O와 같은 간단한 분자들이 빠져 나오면서 형성되는 중합 반응
② 페놀 + 포름알데히드 → 페놀수지(그물구조) + 물
③ 페놀 수지 : 강도가 크고 열과 전기의 전열성이 우수, 냄비나 다리미의 손잡이
2) 플라스틱의 분류
(1) 열경화성 수지
- 그물 구조를 가진 중합체
- 강한 결합의 형성으로 열에 의해서 모양을 바꿀 수 없는 것
- 페놀수지(단위체 : 페놀, HCHO), 요소수지(단위체 : 요소, HCHO),
멜라민 수지, 테플론(플루오르 수지)
(2) 열가소성 수지
- 열을 가하면 쉽게 부드러워져 다른 모양으로 바꿀 수 있는 것
- 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스티렌, PVC
3) 플라스틱의 처리
(1) 소각
① 많은 양의 열이 발생하여 소각로 손상
② 질소 산화물이나 일산화탄소 등의 오염 물질 발생
(2) 매립 : 공기 중에서 잘 썩지 않으며, 미생물에 의해 잘 분해되지 않음
(3) 폐기물 회수, 재생 : 폐플라스틱을 종류별로 수거
* 플라스틱의 종류와 분류 기호 : 교과서 163p.
(4) 열분해(크래킹) : 플라스틱을 진공 상태에서 가열하여 더 작은 분자로 쪼개는 방법
⇒ 메탄, 에탄, 프로펜, 벤젠 등의 탄화수소 제조
4) 새로운 플라스틱 - 폴리아세탈, 폴리카보네이트, 고흡수성 수지, 생분해성 플라스틱
5. 합성 섬유와 고무는 어떻게 이용될까?
1) 합성 섬유
(1) 나일론 6,6 : 헥사메틸렌디아민과 아디프산의 축합 중합체
n H H
│ │
H─N─(CH2)6─N─H
+ n
O O
‖ ‖
HO―C―(CH2)4―C―OH
헥사메틸렌디아민 아디프산
H H O O
︳ ︳ ‖ ‖ + 2nH2O
N― (CH2)6―N―C―(CH2)4―C
축합
중합
n
6.6 나일론
① 펩티드 결합(아미드결합) : 아미노기(-NH2)와 카르복시기(-COOH)사이의 -NH-CO-의 형태 결합
② 폴리아미드계 섬유 : 펩티드 결합에 의해 만들어진 섬유
③ 의류, 그물, 전선, 절연재료, 칫솔 제조
④ 매우 질기지만 열에는 매우 약한 단점이 있음.
(2) 폴리에스테르 : 테레프탈산과 에틸렌글리톨의 축합 중합체
① 폴리에스테르계 섬유 : -COOH와 -OH에서 물 분자가 빠지면서 에스테르 결합(-COO-)을 하는 섬유
-C- -C-O-CH2-CH2-O-
‖ ‖ + 2nH2O
O O
축합
중합
n
테릴렌
② 의류, 사진 필름, 녹음 테이프로 사용
2) 고무
(1) 라텍스 : 열대 지방에서 재배되는 고무나무의 상처에서 흘러나오는 수액
라텍스 + 아세트산(포름산) → 생고무(천연고무)
천연고무(이소프렌 중합체)
→
① 가황 고무 : 천연 고무는 너무 무르고 탄성이 적기 때문에 황을 첨가하여 사용
② 에보나이트 : 황의 함유가 30% 이상되어 탄성이 없어진 고무
(2) 네오프렌 고무 : 클로로프렌의 첨가중합체
→
(2) 부나-S(SBR) 고무 : 부타디엔과 스티렌의 혼성 중합체
① 내마모성이 우수하며 자동차 타이어 등의 원료
② 구두창, 고무 타일
(3) 부나-N 고무 : 부타디엔과 아크릴로니트릴의 혼성 중합체
(4) 혼성 중합 : 서로 다른 단위체가 첨가 반응에 의해 중합되는 것
6. 생명을 유지하는데 필요한 화합물에는 어떤 것들이 있을까?
1) 탄수화물 Cm(H2O)n
분 류
분 자 식
예
가수분해 생성물
환원성
수용성
단당류
포도당
과당
갈락토오스
가수분해되지않음
있음
녹음
이당류
설탕
엿당(맥아당)
젖당
포도당 + 과당
포도당 + 포도당
포도당 + 갈락토오스
없음
있음
있음
녹음
다당류
녹말
셀룰로오스
글리코겐
포도당
없음
잘 녹지않음
(1) 단당류
- 포도당(글루코스:)
① 녹말, 이당류, 다당류를 가수 분해하여 얻는다.
② 환원당( -CHO)
CH2OH
⃓
C ꠏꠏꠏꠏ O
⃓
H ∕ H ∖ H
∖ ∕
C C
∕ ∖
OH
α- 포도당
CH2OH
사슬모양 포도당
CH2OH
β- 포도당
(2) 이당류
-설탕(수크로스:)
- 수크라제에 의해 가수 분해되어 포도당과 과당
(3) 다당류
① 녹말( : α-포도당의 축합중합체(효소나 산에 의해 가수분해 →α-포도당)
검출반응 : 요오드-녹말 반응→ 푸른색～보라색
녹말의 구조 - 아밀로오스, 아밀로펙틴
- 에테르 결합 ( - O - )
② 셀룰로오스 : β-포도당의 축합중합체 (효소나 산에 의해 가수분해 → β-포도당)
- 질기고 유연성이 있는 섬유질, 세포막의 주성분.
2) 단백질
(1) 아미노산
① 단백질을 구성하는 기본 단위 물질
② α-아미노산의 일반식 : 양쪽성 물질
(2) 단백질
① 단백질의 특성
A. 단백질의 형성 : 아미노산이 펩티드 결합( -CONH- , 아미드결합)을 하여 생성된
축합중합체
B. 단백질의 변성 : 열, 강산, 중금속, 알코올에 의해 단백질이 변성된다.(수소결합 파괴)
C. 근육, 피부, 힘줄의 주요성분, 효소(촉매), 호르몬 제어 역할.
② 단백질의 검출 반응
A. 뷰렛 반응
B. 크산토프레인 반응
벤젠 고리가 포함된 단백질의 검출에 이용된다.
C. 밀론 반응
D. 닌히드린 반응 : 닌히드린 용액을 가한 산성용액에서 끓인 후 냉각 → 보라색
2. 생활 속의 화합물
1. 세제 - 비누와 합성 세제 : 계면활성제(용액의 표면장력을 작게하는 물질)
- 식물의 재 : K2CO3, Na2CO3 (염기성)
1) 비누(RCOONa)
(1) 제법
유지를 NaOH 수용액과 함께 가열하여 비누화
- 칼륨 비누, 나트륨 비누
(2) 비누의 분자 구조 : CnH2n+1COONa, 친유성의 CnH2n+1― (R-)과 친수성의 -COO-
(3) 비누의 세척 작용
① 비누의 용해 : 비누가 물에 녹아서 친유성기(소수성기)는 안쪽으로 향하고 친수성기(이온성부분)는 바깥쪽으로 배열하여 공모양을 이루는데 이를 미셀이라고 한다.
② 기름때와 비누의 결합 : 비누 분자의 친유성 부분은 기름때에 달라붙고 친수성 부분은 물을 잡아당긴다.
③ 기름때의 분산 : 비누 분자에 둘러싸인 때 입자가 물 속에서 분산되어 씻겨나가 옷의 세탁이 일어난다.
(4) 시판되는 비누 : 계면활성제, 염료, 향수, 크림, 연마제 등을 첨가
(5) 비누의 단점
① 비눗물은 가수분해로 인하여 약한 염기성을 나타내므로 염기에 약한 섬유, 즉 동물성 섬유(모직물)의 세탁에는 적당하지 않다.
RCOONa + H2O → RCOOH + Na+ + OH-
② Ca2+이나 Mg2+이 포함된 센물에서는 앙금이 생성
2RCOONa + Ca2+ → (RCOO)2Ca↓ + 2Na+
③ 비눗물에 산을 가하면 지방산이 유리되므로 산성 용액에서는 사용할 수 없다.
RCOONa + HCl → RCOOH + Na+ + Cl-
2) 합성 세제 : 비누의 결점을 보완하기 위하여 개발
→ 비누의 친수성기가 카르복시기(-COO-)인 것과는 달리 세제의 친수성기는
황산기(-OSO32-)나 아황산기(-SO32-), 인산 이온(-OPO32-)이다.
(1) ABS(알킬벤젠황산염 )
- 가지가 많이 달린 분자 구조로 인해 잘 분해되지 않고 물에 오랫동안 잔류하여 수질 오염
(2) LAS(선형알킬벤젠황산염
- 선형의 사슬구조로서 용해성이 좋고 미생물에 의해 쉽게 분해되므로 현재 널리 사용된다.
(3) 세탁용 합성세제
① 계면활성제
② 인산염 : 센물에서도 세탁 능력이 떨어지지 않게 한다. 인산염은 물의 부영양화를 일으키 므로 최근에는 대체 물질로 탄산나트륨이나 제올라이트를 첨가하기도 한다.
③ 표백제와 광택제 : 옷감을 희게 만들거나 옷감의 색을 더 밝게 보이게 한다.
④ 친수성 고분자 : 떨어져 나온 때가 다시 옷에 부착되는 것을 막는다.
⑤ 효소 : 분해시키기 어려운 단백질이나 지방 성분의 때를 분해한다.
(4) 모발용 세제 - 삼푸 : 음이온계 계면활성제, 비이온계 계면활성제
- 린스 : 양이온계 계면활성제
- 컨디셔너
(5) 입 안에 사용하는 세제 : 치약 - 연마제, 세제, 향료, 감미제, 색소, 표백제, 플루오르 화합물
(6) 주방용 세제 : 계면활성제, 피부 보호제, 향료, 색소
- 자동 식기 세척기용 세제
(7) 청소용 세제 - 변기용 세제 : 산성
하수구용 세제 : 알칼리성 세제(기름때, 머리카락 분해)
(8) 합성세제의 첨가물
(9) 합성세제의 장점
① 분자 내에 친수성기와 친유성기가 있으므로 물에 대한 용해성이 좋아 찬물에서도 빨리 용해되고 헹구기 쉽다.
② 비누와 달리 Ca2+, Mg2+과도 침전이 생기지 않아 센물에서도 사용할 수 있다.
③ 산성조건, 알칼리성 조건 등 어떠한 조건에서도 세척력이 좋다.
④ 물에 녹아 중성을 띠므로 중성세제라고 하며 동물성 섬유의 세탁에도 적합하다.
(10) 합성 세제가 인체와 환경에 미치는 영향과 대책
① 거품이 많고, 분해 속도가 느려 하천 오염
② 체내에 합성 세제가 축적되면 간의 활동 저하, 기미, 피부 습진 등이 생긴다.
③ 세제는 용도에 맞는 것을 선택하고 사용 후 충분히 헹군다.
④ 합성 세제의 사용량을 줄인다.
2. 의약품
- 천연의약품 - 생약 : 인삼, 녹용, 양귀비(아편), 감초뿌리
- 추출약 : 카페인, 퀴닌, 니코틴 등의 알칼로이드
- 합성의약품
* 천연 물질로부터 개발된 의약품
① 아세틸살리실산(아스피린) : 버드나무 껍질 - 진통, 해열제
② 퀴닌 : 키나나무 껍질 추출액 - 말라리아 치료
1) 진통제 : 중추 신경에 작용하여 통증 완화(통증의 원인을 치료하는 것은 아님)
마약성 진통제(모르핀)와 비마약성 진통제(아스피린)로 나뉜다.
(1) 마약성 : 모르핀, 헤로인, 코데인
(2) 비마약성 : 아스피린, 아세트아미노펜(타이레놀), 이부프로펜
① 아세틸살리실산(아스피린) : 진통, 해열제로 사용되며 살리실산과 아세트산의 에스테르화 반응을 통해 만든다.
COOH CH3COOH COOH
+ H2O
OH OCOCH3
(살리실산) (아세틸살리실산)-아스피린
② 살리실산메틸 : 근육통이나 어깨 결림 등에 바르는 약으로 쓰인다.
COOH CH3OH COOCH3
+ H2O
OH OH
(살리실산) (살리실산메틸)
2) 감기약 : 100여종의 바이러스에 의해 발병
① 항히스타민제
② 코 소염제
③ 기침 억제제(진해제)
3) 소화제
(1) 소화 효소제 : 디아스타제(녹말 소화효소), 펩신(단백질 소화효소), 판크레아틴(녹말 및 단 백질 소화효소)
(2) 제산제 : 약염기성 물질이므로 위산과 중화 반응하여 수소 이온을 제거한다.
NaHCO3, , KHCO3 , Mg(OH)2 , MgCO3
NaHCO3 + H+ → Na+ + H2O + CO3
4) 항균제와 항생제 :
(1) 항균제 : 세균의 성장을 억제하거나 죽이는 약품 - 설파닐아미드, 솔폰아미드의 유도체
(2) 항생제 : 미생물에서 분비되는 물질중에서 적은 양으로 다른 미생물을 죽이거나 발육이나 기능을 억제하는 물질
① 페니실린 : 페니실린은 ‘곰팡이에 의해 생성된 항박테이라 물질’ 이라는 뜻,
1928년 플레밍에 의해 포도상구균의 성장을 방해하는 푸른곰팡이로부터 발견. 세균의 세포막을 형성하지 못하도록 함으로써 세균을 죽임. 단, 포유동물은 세포벽이 없으므로 영향을 받지 않음.
② 항생제 종류 : 아모시실린, 스트렙토마이신, 테트라사이클린, 리팜핀 등
③ 항생제의 부작용 : 설사, 메스꺼움, 구토 유발, 남용하면 내성이 강한 변형균이 생김
5) 항암제
(1) 암 : 암은 신체 내의 한 세포가 비정상적으로 이상 증식하여 인근의 조직으로 퍼지는 질병.
- 치료법 : 함암제 투여, 수술로 암조직 제거, 방사선 이용 등이 있다.
(2) 항암제 : 암세포의 DNA 구조를 변화시켜 암세포의 DNA 복제를 불가능하게 하여 암세포가 더 이상 성장하지 못하게 하는 물질.
- 시스플라틴, 선플라주, 글리벡
- 부작용 : 정상세포도 공격, 빈혈, 면역기능 저하, 구토, 식욕 부진 등
◇ 생약(한약)-천연의약품
- 대부분 생약으로 산과 들에서 채취하여 건조시킨 다음, 적당히 자르거나 가루로 만들어 사용한다.
- 여러 가지 약용 식물의 효능
◇ 알칼로이드-천연의약품
- 식물속에 있는 질소를 포함한 고리 모양 화합물로 염기성, 강력한 약리작용으로 가치가 있지만 계속 사용하면 심한 중독 현상을 나타낸다.
- 코카인, 카페인, 아미그달린, 모르핀, 니코틴 등
3. 약물 오․남용
1) 약의 부작용
2) 약물의 오남용
- 약물의 오용 : 의학적인 목적으로 사용하되, 의사의 지시나 용법대로 사용하지 않음
- 약물의 남용 : 비의학적인 목적으로 약물을 지속적으로 사용
3) 약물의 오남용 실태
4) 의약품
5) 의약품의 올바른 사용
6) 의약분업제도
* 중독성 의약품
(1) 중독성의약품
(2) 마약류 - 아편, 모르핀, 헤로인, 코카인, 마리화나
(3) 향정신성 물질 - 중추신경게에 작용하여 정신 기능에 영향을 미치는 물질
- 필로폰(히로뽕), 엑스타시(도리도리), LSD
(4) 중독성 의약품의 피해
(5) 마약에 대한 규제
4. 난치병의 극복
1) 신약개발
(1) 신약의 개발과정
① 기초 탐색 작업
② 개발 후보 물질 선정 단계
③ 임상 전 실험과정
④ 임상 실험과정
⑤ 신약 허가
2) 맞춤형 신약개발 - 유전자(genome)지도
3) 유전자 치료 - 유전자 수정, 유전자 교환, 유전자 보강
3. 미래를 위해서는 어떤 노력이 필요할까?
◇ 깨끗한 환경을 위해 해야 할 일
1. 수질 오염
1) 하천오염 물질 : 생활 하수, 공장 폐수, 농약, 비료등에 들어있는 유기물질이나 중금속, 독성 물질
2) 합성세제 : 거품 - 햇빛 차단→ 플랑크톤 번식 방해, 인 - 부영양화
3) 수질 오염의 대책
(1) 하수 처리장의 처리 용량을 늘리고 생활 하수의 배출량을 줄인다.
(2) 오염 물질에 따른 가장 효과적인 제거 방법을 연구하고, 산업 폐수에 포함된 중금속을 철저히 제거한다.
4) 물을 정화하는 방법 : 분리막 이용, 박층류법, 자갈 이용, 식물 이용
2. 대기 오염
1) 대기 오염의 원인 : 화석연료의 사용 - 이산화황, 질소 산화물, 일산화탄소, 분진 등
2)대기 오염을 줄이기위한 대책
(1) 연료의 탈황
(2) 이산화황 제거 장치 :
(3) 집진 장치
(4) 자동차의 촉매 변환 장치
(5) 전기 자동차 개발 : 수소 연료 전지
3. 토양 오염
1) 토양 오염의 원인 : 오염된 물, 농약, 비료, 쓰레기 매립(중금속, 유해물질 축적)
2) 토양 오염의 피해
3) 토양 오염 방지 대책 : 화학비료→유기질 비료, 살충제→천적 이용
4) 토양 정화 방법
(1) 오염 물질의 제거
(2) 미생물 이용 방법
(3) 오염이 적은 물질 사용
(4) 유기 농법의 확대
◇ 대체 에너지의 개발과 자원의 재활용
1) 대체 에너지 : 화석 연료를 대체 - 원자력에너지, 수소 에너지, 태양 에너지, 풍력, 수력, 지열
(1) 원자력 에너지
① 원자력 발전 : 핵분열반응( 사용) →에너지→증기→터빈→전기에너지
② 원자력 발전의 장점 : 지구 온난화, 대기 오염, 산성비와 같은 환경오염 일으키지 않음
단점 : 방사능으로부터 보호 비용, 안전점검, 방사성 폐기물 처리
③ 대비책 : 철저한 관리와 방사능 피해를 줄이는 기술 개발
(2) 태양 에너지
① 태양광 발전 : 태양에너지→전기에너지(태양광 발전기=태양 전지 모듈)
* 장점 - 연료비 필요 없고, 대기 오염이나 폐기물 발생 없으며, 운전 및 유지 관리 비용 최소
* 단점 - 초기 설비 비용이 많이 듬.
② 태양열 발전 : 반사판 이용을 이용해 햇빛을 집중시켜→열→전기에너지
- 중앙 집중형 시스템, 중규모 태양열 발전 시스템인 분산형 시스템
③ 태양 에너지의 활용 : 고갈 우려 없고, 환경 오염 배출이 없는 장점
(3) 풍력 에너지
① 풍력 발전기
② 풍력 발전기의 설치 : 바람의 세기 4m/s 이상인 곳
③ 생산단가 저렴, 환경적인 면이나 경제적인 면에서 효과적 - 제주도
(4) 해양 에너지
① 조력 발전 : 조석 간만의 차 - 수차 발전기
② 파력 발전 : 연구 개발 단계
③ 온도차 발전 : 온도차 20℃ 이상 - 열대의 깊은 바다
(5) 지열 에너지 : 난방, 냉방, 전력 생산, 산업용 열
① 온도에 따른 지열의 이용
② 지열 발전 : 뜨거운 증기나 물 → 증기 → 터빈
③ 열펌프의 이용 : 땅을 열원이나 열저장소로 이용 - 난방, 냉방
(6) 수소
① 수소의 연소 : 청정 연료
2H2(g) +O2(g) → 2H2O(l) + 572kJ
② 물의 전기 분해 : 에너지 필요
③ 수소-산소 연료전지 : 우주 왕복선, 수소 자동차
(－)극 산화 반응 : 2H2(g) +4OH-(aq) → 4H2O(l) +4e-
(＋)극 환원 반응 : 2H2O(l) +O2(g) + 4e- → 4OH-(aq)
전체 반응 : 2H2(g) +O2(g) → 2H2O(l)
④ 수소의 이용 : 저렴한 비용으로 수소 생산할 수 있고, 안전하게 사용할 수 있는 기술 개발
(7) 바이오 에너지 : 에너지 이용의 대상이 되는 생물체를 총칭 - 바이오 에너지의 근원은 광합 성에의해 저장된 태양 에너지이다.
2) 자원의 재활용
(1) 자원의 재활용
(2) 폐기물의 종류 : 생활 폐기물, 사업장 폐기물
(3) 폐기물 처리 과정과 처리 실태
(4) 폐기물 문제 해결
(5) 생활 폐기물의 재활용 - 폐지, 플라스틱, 유리병, 캔
(6) 폐기물 재활용의 역할과 필요성
===================== 끝 ================
1. 물 2. 공기 3. 금속과 그 이용
1. 물
1) 물의 성질
(1) 물의 분포와 순환 - 존재비, 해수(염수)와 담수, 물의 이용, 물의 순환과 에너지
(2) 물(H2O)의 구성
① 물의 성분원소 : H, O
② 전기분해 : 2H2O → 2H2 ＋ O2 (전해질 첨가 : NaOH, H2SO4 )
(-)극 (+)극
2 : 1 (부피비)
계수의 비 = 부피비(기체) =분자수비≠질량비
③ 합성 : 2H2 ＋ O2 → 2H2O
(3) 물분자의 모양과 극성
① 공유결합, 굽은형 → 극성분자 (전기음성도차)→ 물의 극성 확인 : 뷰렛 - 대전체
∠HOH = 104.5°
② 극성과 용해도 : Like dissolves like 극성은 극성끼리 무극성은 무극성끼리 잘 용해.
* 물의 용해성
* 전기음성도 : 공유 결합에서 원자가 공유 전자쌍을 끌어당기는 힘의 상대적인 능력
(주기율표) 1족 17족
→ → 전기음성도 대
↑
(4) 수소결합에 의한 물의 특성
① 수소결합 : 공유전자쌍을 끌어당기는 정도(전기음성도)가 큰 F, O, N원자와 H원자가
결합하는 분자들 사이의 인력 - 다른 분자사이의 힘보다는 매우 강한 인력
a) 이합체
b) 예 : NH3 , H2O , HF , -OH , -COOH , 단백질, 포도당
* 상태변화 : 고체 →(융해열) 액체 →(기화열) 기체
* 분자간 인력이 클수록 녹는점과 끓는점이 높고 융해열, 기화열이 크다.
② 수소결합에 의한 물의 특성
a) 밀도 : 얼음 〈 물 (부피 : 얼음〉 물 )
b) 녹는점과 끓는점이 높다
c) 융해열, 기화열(증발열)이 크다 : 땀으로 체온조절, 불을 끌 때 - 물의 기화열
d) 표면장력이 크다 : 모세관현상
e) 비열(4.18J/g․℃)과 열용량(비열×물질의 질량)이 크다 : 비열이 크기 때문에 온도가 쉽 게 변하지 않음. 체온 유지, 낮(해풍) - 밤(육풍), 여름(남동계절풍) - 겨울(북서계절풍)
* 표면 장력
(가) 액체의 표면적을 최소화하려는 경향 - 액체 표면의 분자는 다른 분자에 의해 내부로만 인력을 받음
① 소금쟁이가 물위로 다니는 현상
② 물방울이 구형
③ 왁스 위의 두 개의 접한 물방울이 합쳐지는 현상
(나) 표면이 마치 얇고 탄력적인 피부처럼 작용
(다) 분자간의 힘이 클수록 표면장력도 커진다
용해된 물질에 의해서도 영향을 받음 (계면활성제인 비누나 세제는 표면 장력을 현저하게 감소시킴)
* 응집력과 부착력
① 응집력 : 같은 분자간의 인력 (물의 증기압, 끓는점, 표면장력 등)
② 부착력 : 서로 다른 분자사이의 인력
③ 모세관 현상 : 표면장력에 의해 물이 모세관을 따라 올라가는 현상
모세관 속에서 물과 유리사이의 부착력이 응집력 보다 큼
모세관 벽에 젖은 물이 표면적 증가 → 표면장력에 의해 액체는 관을 따라 올라감
- 아래로 오목한 표면을 형성
④ 메니스커스
모세관 현상에 의해 생긴 액체의 곡선 표면
수은은 응집력이 부착력보다 커 위로 오목한 표면
(5) 물의 용해성 - 수용액에서의 반응(앙금생성 반응, 산 염기 중화반응)
① 극성과 용해성
a) 물에 잘 용해되는 물질 : 이온성물질(NaCl), 극성공유결합물질(극성분자, HCl, NH3 , 포도당, 설탕, 에탄올)
b) 물에 잘 용해되지 않는 물질 : 무극성분자 (N2 , I2 , CH4 , CO2 , O2 , 기름, 나프탈렌), 앙금생성(AgCl , CaCO3 )
② 물은 용매로서의 기능이 우수함
③ 물에 대한 고체의 용해도
a) 대부분 온도가 높을수록 용해도 증가
b) 석회암동굴의 형성
H2O ＋ CO2 → H2CO3
CaCO3 ＋ H2CO3 → Ca(HCO3)2 → Ca2+ + 2HCO3-
④ 물에 대한 기체의 용해도 - 헨리의 법칙
a) 일반적으로 기체는 온도가 낮을수록, 압력이 클수록 용해도 증가
b) DO(dissolved oxygen, 용존산소량)
2) 수용액에서의 반응
(1) 앙금생성반응과 이온의 검출 Na+ 이온 확인 - 불꽃반응, 스펙트럼선 관찰,
Cl- 이온 -앙금생성반응
① 염화나트륨과 질산은 용액과의 반응
a) 화학반응식 AgNO3(aq) + NaCl(aq) → AgCl(s) + NaNO3(aq)
b) 이온반응식 Ag+(aq) + NO3-(aq) + Na+(aq) + Cl+(aq) → AgCl(s) + Na+(aq) + NO3-(aq)
c) 구경꾼이온 제거 Na+(aq) NO3-(aq)
d) 알짜이온 반응식 Ag+(aq) + Cl+(aq) → AgCl(s)
* 상태표시 : 수용액 aq (aqueous), 고체 s (solid), 액체 l (liquid), 기체 g (gas)
② 물에 대한 염의 용해성(1학년 과학교과서 문원각 132쪽)
a) 물에 잘 녹는 염
b) 물에 잘 녹지 않는 염 - Ca2+ , Ba2+ , Ag+ 이온과 CO32- , SO42- 과 결합
CaCO3, BaSO4, AgCl(흰색), AgI(노), PbI2(노)
③ 생활 속의 앙금생성 - 보일러파이프, 주전자 물 때 - CaCO3
신장결석 - CaC2O4 , Ca3(PO4)2
(2) 산과 염기의 중화반응 (1학년 과학교과서 144p ～ )
① 중화반응 : 산 + 염기 → 염 + 물
산의 수소이온(H+)과 염기의 수산화이온(OH-)이 1 : 1의 개수 비로 반응하여 물이 생성
② 중화반응식 쓰기
* 묽은 염산과 수산화나트륨의 반응
a) 화학반응식 HCl(aq) + NaOH(aq) → NaCl(aq) + H2O(l)
b) 이온반응식 H+(aq) + Cl-(aq) + Na+(aq) + OH-(aq) → Na+(aq) + Cl-(aq) + H2O(l)
c) 알짜이온반응식 H+(aq) + OH-(aq) → H2O(l)
예) H2SO4(aq) + KOH(aq) →
HCl(aq) + Ca(OH)2(aq) →
③ 중화점 알아내는 법
a) 지시약의 색깔 변화
b) 온도 변화 : 용액의 온도가 최고점에 이를 때 → 발열반응이므로
c) 용액의 pH가 급격히 변할 때 : pH = - log[H+]
d) 전류의 세기 변화 : 전기전도도가 최저일 때
④ 생활 속의 중화반응
a) 벌에 쏘이면 암모니아수를 바른다
b) 위산과다에 제산제(=약염기성, NaHCO3)
c) 생선회와 레몬즙
d) 신 김치에 식소다(NaHCO3)
e) 산성화된 토양에 석회가루, 재
f) 산성화된 호수에 석회가루
* 화학반응식으로부터 알 수 있는 것
a) 화학반응식 꾸미는 법
ⅰ) 반응물질의 화학식을 왼쪽에 생성물을 오른쪽에
ⅱ) 좌변의 각원자수와 우변의 각원자수가 같도록 계수를 맞춘다.
b) 화학반응식으로부터 알 수 있는 것
C3H8(g) + 5O2(g) → 3CO2(g) + 4H2O(l)
- 물질의 종류와 상태, 분자수의 비(=계수의 비 =몰수의 비 = 기체의 경우 부피비),
질량비(원자량을 알아야함)
- 기체반응의 법칙, 질량보존의 법칙, 일정성분비의 법칙, 아보가드로 법칙
3) 물과 우리 생활
(1) 물의 정수
① 물의 정수과정
상수원 → 취수탑 → 침사지[모래, 자갈 제거]→ 약품투입실[염소, 응집용약품] →
침전지[Al(OH)3] → 모래여과지 → 염소살균실[ Cl2, ClO2 ] → 배수지→ 펌프실 → 급수
② 물의 소독
구분
염소
오존
자외선(UV)
소독의 원리
효소의 불활성화
세포막,헥산을 직접 파괴
DNA에 영향을 미쳐 복제를 막음
장점
경제적, 물에 잔류하여 지속적으로 세균 제거
주변 생태계에 영향을 미치지 않으며, 바이러스까지 제거
강력한 소독효과
단점
발암물질THM
비용 부담이 크고, 수도관에서 오염가능성
비용이 많이 들고, 소독효과 지속되지 않음
a) 염소 소독
Cl2 + H2O → HOCl + HCl
HOCl → HCl + [O] * HOCl(하이포아염소산, HClO)의 강한 산화력 이용
③ 센물(hard water 경수)과 단물(soft water 연수)
a) 센물 - Mg2+ , Ca2+ 이 많이 포함 - 지하수, 우물물
- 단물로 바꾸는 법 - 일시적 센물 → 증류법 - 끓임
- 영구적 센물 → 약품 첨가 - Na2CO3 첨가
→ 이온교환수지법
* 비누와 센물(앙금생성) 2RCOONa + Ca(HCO3)2 → (RCOO)2Ca↓ + 2NaHCO3
* 보일러의 관석
b) 단물 - 수돗물, 빗물, 강물
비누가 잘 풀림
(2) 물의 오염과 대책
① 물의 오염원인(교과서 37p) : 생활 하수, 산업 폐수, 축산 폐수 등
② BOD(Biochemical Oxygen Demand) : 물 속에 사는 미생물이 오염물질인 유기물을 분해하는 데 필요한 산소량을 ppm으로 나타낸 것
COD(Chemical Oxygen Demand) : 물 속에 있는 각종 오염물질을 화학적으로 산화시킬 때 필 요한 산소량
DO(Dissolved Oxygen) : 물 속에 녹아있는 산소의 질량을 나타내는 척도
* BOD와 COD 가 클수록, DO가 작을수록 오염정도가 심함.
③ 합성세제(계면활성제) - 미생물에 의해 잘 분해되지 않고 독성, 거품 - 산소, 햇빛 차단
④ 물의 오염으로 나타나는 현상
a) 부영양화 : 유기물, 인산염, 질산염 등이 풍부 - 미생물과 조류 등이 폭발적으로 증식
b) 적조현상 : 바다에서 부영양화
⑤ 물의 자정작용
⑥ 중금속 오염
a) 수은 (Hg) - 미나마타병
b) 카드뮴 (Cd) - 이타이이타이병
⑦ 우리 나라의 물 사정 - 물 부족 국가군
⑧ 수질 오염에 대한 대책 - 가정, 산업 현장, 국가
* 오염된 물의 처리와 재활용 - 교과서 fig.Ⅰ-39
집수 → 거름 → 1차침전지 → 폭(포)기조 → 최종침전지 → 소독, 살균 → 추가단계
* 물의 재활용 - 중수도
2. 공기
1) 공기의 성분
(1) 대기의 조성
① 대기권의 구조 - 대류권, 성층권(-오존층), 중간권, 열권
② 대기의 조성 - 질소, 산소, 아르곤, 이산화탄소, 기타
③ 공기의 성분분리 : 분별증류(끓는점 차이) - 액체공기를 분별증류시키면 끓는점이 낮은 질소-아르곤-산소 등의 순으로 증류탑의 위쪽에서부터 차례로 분리되어 나온다.
* 공기의 압축→팽창(온도가 낮아짐)→끓는점이 높은 물질부터 먼저 액화
(2) 공기의 성분과 성질
① 생명의 근원인 질소 N2
ⓐ 공유결합 : 2원자분자, 삼중결합(N≡N), 반응성이 매우 작음(안정) →분유통(충전제)
ⓑ 질소고정 : 질소를 사용 가능한 화합물로 만드는 것
ⓒ 질소순환
ⓓ DNA , TNT, 웃음가스(N2O), 암모니아, 질산, 질소비료의 제조원료
ⓔ 탐구 실험 : 극저온의 세계 : 액체질소(-196℃) - 냉각제(초전도체의 극저온상태유지)
ⓕ 자동차배기가스에 포함된 질소산화물은 산성비나 광화학스모그의 원인
ⓖ 질소에어백 : 2NaN3 → 2Na + 3N2
② 호흡에 필요한 산소 O2
ⓐ 공유결합 : 2원자분자, 이중결합( O＝O )
ⓑ 반응성이 큼 - 금속산화물, 비금속산화물
ⓒ 산소의 제법 : 광합성 6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2
액체공기를 분별증류
실험실 MnO2
2H2O2 ---→ 2H2O + O2
MnO2
2KClO3 -----→ 2KCl + 3O2
△
ⓓ 이용 : 산소호흡기, 아세틸렌용접, 우주왕복선의 연료(수소 + 산소)
ⓔ 산화 : 연소, 부식, 호흡
ⓕ 실험 - 신호등반응 51p.
*인디고카민 → 알칼리성 포도당용액에 의해 환원(노란색)→ 산소에 의해 산화
(붉은색이나 녹색)
* 포도당은 환원당이나 설탕은 아님.
※ 기체의 포집방법 - 수상치환 : 물에 잘 녹지 않는 기체(무극성분자)
- 상방치환 : 공기보다 밀도가 작은 기체
- 하방치환 : 공기보다 밀도가 큰 기체
* 산소의 동소체 - 오존 O3 - 성층권의 오존층 : 유해자외선 차단
- 지표면(대류권)의 오존 : 호흡기 자극, 광화학스모그의 원인
* 동소체 : 동일한 원소로 이루어져 있지만 성질이 서로 다른 홑원소물질
(산소와 오존, 다이아몬드와 흑연, 단사황과 고무모양 황, 흰인과 붉은인)
③ 광합성의 근원인 이산화탄소 CO2 O = C = O
ⓐ 제법 - 탄소의 연소
- 생물의 호흡 C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O
- 탄산칼슘과 산과의 반응
ⓑ 성질 - 공기보다 무겁다 (하방치환)
- 석회수(수산화칼슘)에 통과시키면 뿌옇게 흐려짐(CO2 검출)
Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 ↓ + H2O
ⓒ 이용 - 드라이아이스, 탄산음료, 소화기, 베이킹 파우더
ⓓ 교과서 실험 - 이산화탄소의 성질 52p.
CaCO3 + 2HCl → CaCl2 + H2O + CO2
2NaOH + CO2 → Na2CO3 + H2O
(염기성) (산성)
→ 압력감소
ⓔ 지구온난화의 원인
* 석회동굴의 생성
④ 비활성 기체 : 주기율표 18족 - 매우 안정하여 반응성이 거의 없다.
단원자분자(1원자분자)
ⓐ 헬륨 He : 극저온에 이용(끓는점이 가장 낮은 물질- 초전도체연구),
잠수용 공기, 기구에 이용
ⓑ 네온 Ne : 방전시 색깔 - 네온사인(Ne, Ar)
ⓒ 아르곤 Ar : 전구의 충전재
2) 공기(기체)의 성질
(1) 기체분자운동론 → 이상기체(ideal gas)
① 기체 분자는 끊임없이 직선운동하고 있으며 기체 자체의 부피는 무시
② 기체 분자사이의 인력이나 반발력은 무시
③ 기체 분자는 완전 탄성체이다 (충돌시 에너지 교환은 있어도 충돌 전후 전체 에너지에는 변화가 없다)
④ 같은 온도에서 모든 기체의 평균 운동 에너지는 같고, 평균 운동에너지는 절대 온도에 비례한다. (Ek = )
* 실제 기체가 이상기체에 가까울 조건
ⓐ 고온, 저압 : 분자간 거리가 멀고 분자의 운동에너지가 커서 기체 자체의 부피는 무시할 수 있다.
ⓑ 분자의 크기(분자량)가 작을 때 : 분자 자체의 부피를 무시할 수 있다.
ⓒ 실제 기체 중 이상 기체에 가장 가까운 기체 : He, H2
(2) 기체의 확산
① 확산 : 화학적으로 서로 반응하지 않는 두 기체를 일정한 용기 속에서 서로 가까이 하면, 어느 기체 분자들이 다른 기체 속으로 골고루 섞여 들어가는 현상.
② 그레이엄의 법칙 : 같은 온도, 같은 압력에서 두 기체의 확산 속도(v)비는 각 기체의 분자 량(M) 또는 밀도(d)의 제곱근에 반비례한다.
③ 확인 실험 : NH3 + HCl → NH4Cl (흰연기)
(3) 보일의 법칙
① 일정한 온도에서, 부피 증가 → 충돌거리 길어짐 → 용기 벽이 받는 힘 감소 → 압력 감소 ② 일정한 온도에서 일정량의 기체의 부피(V)는 압력(P)에 반비례한다
∴PV = k P1V1 = P2V2 (k : 온도와 기체의 양(분자수)에 의한 값)
(4) 샤를의 법칙
① 일정한 압력에서, 일정 부피의 기체에 온도가 상승 → 분자의 평균 운동에너지 증가 →속력 증가 → 단위 면적 당 충돌회수 증가 → 압력이 증가 → 부피증가 → 압력이 감소 (압력 처음과 동일)
②일정한 압력에서 기체의 부피(V)는 온도가 1℃ 상승함에 따라 0℃ 때 부피(V0)의 1/273 증기
③일정한 압력에서 기체의 부피(V)는 절대온도(T)에 비례한다.
V = V0 + V0 × 1/273t
( t : 섭씨 온도)
는 일정한 값이므로 k 라 하면
∴ V = k ( 273 + t) 절대온도T(K) = 섭씨온도 + 273
∴ V = kT ,
k : 압력과 기체의 양(분자수)에 의한 값
3) 공기 오염과 그 대책
(1) 공기 오염 물질
① 공기 오염 물질의 분류
a) 1차 오염 물질 : CO, SO2 , NOx , 탄화수소, 분진, 먼지 등
b) 2차 오염 물질 : O3 , 산성비, 산성 안개, 스모그 등
② 이산화황(SO2 ,아황산가스) : 석탄이나 석유에 포함된 황이 연소할 때 발생
③ 질소 산화물(NOx ) : 자동차 엔진에서
④ 일산화탄소(CO) : 연료가 불완전 연소 할 때
⑤ 탄화수소( CxHy ) : 자동차의 연료가 연소되지 못하고 배출
(2) 공기 오염과 그 대책
① 스모그 (smoke + fog = smog)
a) 런던형 스모그 - 원인 물질 : 황산화물과 일산화탄소 - 공장, 발전소
1952년 런던
b) 광화학 스모그(LA형 스모그) - 원인 : 햇빛, 질소산화물, 탄화수소, 오존
2NO + O2 → 2NO2
자외선
NO2 ----→ NO + O
O + O2 → O3
CxHy + O3 → 광화학스모그
* 역전층과 스모그
역전층 : 아래쪽의 공기의 온도가 위쪽 공기의 온도보다 낮아 대류가 일어나지 않는 상태(새벽)
② 오존층 파괴 -오존층 : 성층권의 중간 부분(고도 20～30km)
a) 성층권의 오존층 역할 : 유해자외선 차단
- 지표면(대류권)의 오존(광화학스모그) : 강한 산화력 때문에 동식물에 치명적인 유해물질
b) 오존층 파괴 물질 : 프레온가스CFC, CFCs -Chloro Fluoro Carbon
-(냉매, 발포제, 세정제, 분사제)
할론, 사염화탄소, 항공기의 배기가스(질소산화물)
ｈν (자외선)
CF2Cl2 ꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏ→ CF2Cl + Cl
Cl + O3 → O2 + ClO
ClO + O3 → Cl + 2O2
전체반응 : 2O3 → 3O2 * Cl(촉매)→1개의 Cl이 약 10만 개의 O3 을 파괴
c) 오존층 파괴에 의한 피해 : 면역기능저하, 세포노화, 피부암, 피부홍반, 백내장, 엽록소 파괴,
DNA파괴, 플랑크톤 감소
d) 오존층 파괴 방지 대책 : CFC 대체물질 개발
→ 상온에서 기화가능하고, 쉽게 액화되어야하며, 독성이 없을 것, 반응성이 작고, 오존층을 파 괴하지 않을 것
③ 지구온난화
a) 온실 기체 : CO2 , CH4 (메탄), 수증기, 프레온, 오존 등
b) 영향 : 평균기온 상승, 해수면 상승, 사막화 등
c) 대책 : 이산화탄소 배출량 규제, 삼림 면적 확대 등
④ 산성비 - pH 5.6보다 작은 비
a) 산성비의 원인 물질 - 황산화물(SOx)과 질소산화물(NOx)
b) 피해 : 하천, 강물, 호수, 토양의 산성화, 수중 생태계 파괴, 농작물과 삼림이 고사,
문화 유적 및 건축물의 피해
c) 대책 : 이산화황의 제거 - 탈황시설,
질소산화물의 제거 - 촉매 변환기 부착,
산성화된 토양이나 호수에 염기성 물질인 석회석이나 석회를 뿌려서 중화,
대체에너지 개발 및 국제적인 협력
⑤ 황사 : 농작물이나 활엽수의 생장 저하, 기관지염, 결막염, 안구 건조증 등
3. 금속과 그 이용
1) 금속의 발견과 이용
(1) 시대에 따른 금속의 이용 : 석기시대 → 청동기시대 → 철기시대 → 현재
- 반응성이 작아 순물질로 존재하거나 환원되기 쉬운 금속이 먼저 사용
- 금속의 이용순서 : 금, 은, 구리 → 철 → 알루미늄
- 지각을 구성하는 8대 원소 : O > Si > Al > Fe > Ca > Na > K > Mg
- 금속의 반응성: K>Ca>Na>Mg>Al>Zn>Fe>Ni>Sn>Pb>H>Cu>Hg>Ag>Pt>Au
크 카 나 마 알 연 철 니 주 납 (소) 동 수 은 백 금
반응성 : 대 ←
산화 (환원력, ← 양이온 되기 쉽다.)
- 화학전지의 (-)극 : 반응성이 큰 금속, (+)극 : 반응성이 작은 금속
지각 속의 매장량 : Al 〉Fe 〉Cu 〉Au
반응성 : Al 〉Fe 〉Cu 〉Au
(2) 금, 구리, 철, 알루미늄, 그 밖의 금속
① 금(Au)
- 반응성이 작아 순물질로 얻을 수 있고, 가공하기 쉽다.
- 광택이 아름답고, 쉽게 부식되지 않는다.
- 전성과 연성이 좋고, 열전도성이 뛰어나다.
- 용도 : 장식품, 전자회로, 금박, 치과 치료용
② 구리(Cu)
- 반응성이 작아 순물질로도 존재하고, 쉽게 환원시킬 수 있다.
- 구리에 주석을 섞은 청동은 단단하여 무기나 도구로 사용 : 청동기 시대
- 전성과 연성이 뛰어나다.
- 반응성이 작아 묽은 산이나 물과 반응하지 않는다.
- 용도 : 전선, 전력공급선, 조리 기구, 보일러 파이프 등
③ 철(Fe)
- 단단하고, 금속 중에서 알루미늄 다음으로 매장량이 많다.
- 반응성이 커서 순수한 상태로 거의 존재하지 않고, 녹는점이 높아 순물질을 얻기 힘들었으 므로 구리보다 늦게 사용되었다.
- 철의 제련 : 용광로에 코크스(환원제)와 석회석을 넣고 가열한다.
- 탄소의 함량에 따라 선철(무쇠), 연철, 강철로 구분할 수 있다.
- 스테인리스강(강철 + 크롬 + 니켈) : 녹슬지 않는다.
- 용도 : 맨홀뚜껑(선철), 못(연철), 철근, 철판, 기계부품, 자동차의 차체 등
- 헤모글로빈의 구성 성분, 호흡 작용에 촉매 역할
④ 알루미늄(Al)
- 금속 중에서 매장량이 가장 많으며, 산화물 상태로 존재한다.
- 알루미늄의 분리 : 보크사이트 (정제)→ 산화알루미늄 (용융전기분해)→ 알루미늄
- 가볍고, 광택이 아름답다.
- 알루미늄 합금인 두랄루민은 가볍고 단단하여 비행기나 자동차에 이용
- 연성과 전성이 뛰어나 알루미늄박으로 이용된다.
- 알루미늄은 표면에 산화알루미늄의 치밀한 피막을 형성하여 내부를 보호한다.
⑤ 기타 금속
- 백금(Pt) : 연성과 전성이 좋고, 산에 강하며, 변색되지 않는다. 전극, 치과 재료, 장신구 등
- 크롬(Cr) : 부식에 강하다. 도금이나 합금(스테인리스강, 니크롬)으로 이용
- 티탄(Ti) : 강도가 크고, 부식에 강하며 가볍다. 항공기나 선박의 구조용 재료로 이용
- 망간(Mn) : 망간단괴(감자 모양의 금속산화물로 40여종의 유용금속 함유, 바다의 검은 노다지)
2) 주기율표 - 원소를 원자 번호의 순으로 나열하면 일정한 간격
→ 화학적 성질이 비슷한 원소끼리 체계적으로 분류 → 주기율 → 규칙성
(1) 원소의 분류와 주기율표
① 원소의 분류
- 라부아지에
- 되베라이너 : 세쌍원소
- 뉼랜즈 : 옥타브설
② 주기율의 발견과 주기율표
- 멘델레예프 : 원자량 순서
- 모즐리 : 원자번호 순서
- 원자의 표현 : 예)
* 원자 = 원자핵(양성자 + 중성자)과 전자
* 원자 번호 = 양성자수 = 전자수
* 질량수 = 양성자수 + 중성자수
* 동위 원소 : 원자번호(양성자수나 전자수)는 같지만, 질량수(중성자수)가 다름
* 원자량 : 질량수 12인 탄소(C) 원자의 질량을 12.00으로 정하고 이를 기준으로 하여 정한 원자들의 상대적 질량
(2) 주기율표의 구성
① 족 : 세로줄, 18개의 족 - 같은 족에 속하는 원소(동족원소)들은 화학적 성질이 비슷
* 동족원소가 성질이 비슷한 이유 : 원자가전자(원소의 성질을 결정, 최외각전자, 가장 바깥 전자껍질에 존재하는 전자)수가 같기 때문
* 팔우설(octet 규칙) - 원자들이 전자를 잃거나 얻어서 가장 바깥 전자껍질에 8개의 전자 (18족 원소와 같은 전자 배치)를 가지면 안정해진다.
* 반응성이 가장 큰 족은 1족(알칼리 금속)과 17족(할로겐 원소)
② 주기 : 가로줄, 7개의 주기
(3) 금속과 비금속
① 금속성 : 주기율표의 왼쪽 - 아래쪽, 전자를 잃고 양이온되기 쉬우며, 열전기전도성이 좋음
② 비금속성 : 주기율표의 오른쪽 - 위쪽, 전자를 얻어 음이온 되기 쉽다.
* 양쪽성원소 : Al, Zn, Sn, Pb
(4) 전형원소와 전이원소
3) 알칼리 금속 : 주기율표의 1족(H제외)에 위치하며 Li, Na, K, Rb, Cs, Fr이다.
(1) 물리적 성질
원소
원자번호
녹는점(℃)
끓는점(℃)
밀도
불꽃 반응색
Li
3
180.5
1342
0.53
붉은색
Na
11
97.8
883
0.97
노란색
K
19
63.3
760
0.86
보라색
Rb
37
38.9
686
1.53
붉은색
① 밀도가 작고, 매우 연하고 무른 금속으로 쉽게 잘라지며 은백색 광택을 띤다.
② 열과 전기의 전도성 좋다.
③ 원자번호 증가할수록 녹는점, 끓는점 낮아진다.(금속원자간의 결합력이 약해짐)
④ 특유의 불꽃 색을 나타낸다. - 알칼리 금속이온의 검출 : Li(적), Na(노), K(보)
* 참고 : 스펙트럼 분석
(2) 화학적 성질
① 전자 1개 잃고 +1가 양이온이 되기 쉽다. ( Na → Na+ + e-)
② 원자 번호 증가할수록 반응성 크다.(Li〈 Na〈 K〈 Rb〈 Cs)
③ 공기 중에서 쉽게 산화되고 은백색의 광택을 잃는다.(석유나 벤젠 속에 보관)
4Na(s) + O2 → 2Na2O(s) (산화나트륨)
④ 상온에서 물과 격렬히 반응하여 수소기체 발생하고 용액은 염기성이 된다.
2Na + 2H2O → 2NaOH + H2↑ - 성냥불 ‘퍽’, 페놀프탈레인 ‘붉은색’
* 알칼리(alkali) : 염기(base) 중에서 물에 잘 녹는 물질을 알칼리라고 한다.
(3) 알칼리 금속의 화합물
① 리튬 : 리튬전지
② 탄산리튬(Li2CO3 ) : 우울증 치료제
③ 나트륨 : 가로등, 자동차 안개등
④ 수산화나트륨(NaOH) : 강염기성, 조해성(공기중의 수분 흡수), 공기중의 이산화탄소와 반응
⑤ 탄산나트륨(Na2CO3) - 약염기성, 풍해성 : (Na2CO3․10H2O) 공기 중에서 스스로 결정수를 잃고 무수물로, 산과 반응 이산화탄소 발생
⑥ 탄산수소나트륨 (NaHCO3 , 중조) - 약염기성(제산제), 산과 반응 CO2 발생, 가열하면 CO2 발생(소화제, 베이킹파우더)
⑦ 과산화칼륨(K2O2 ) : 가열에 의하여 K2O와 O2로 분해된다.
⑧ 질산칼륨 (KNO3 ) : 점화제
4) 할로겐 원소 : 주기율표의 17족에 위치하며 9F, 17Cl, 35Br, 53I 등이 있다.
(1) 할로겐의 성질
원소
원자번호
녹는점(℃)
끓는점(℃)
밀도(g/cm3)
색과 상태(25℃)
F
9
-217.9
-188
0.0017
담황색 기체
Cl
17
-100.9
-34.1
0.0031
황록색 기체
Br
35
-7.9
58.8
3.14
적갈색 액체
I
53
113.6
184.4
4.93
흑자색 고체(승화성)
① 2원자 분자(X2)로 존재하는 비금속이다.
② 전자 1개를 얻어 음이온이 되기 쉽다.
③ 금속이나 비금속과도 반응을 잘 한다. (염화물)
Cl2 + 2Na → 2NaCl Cl2 + H2 → 2HCl
④ 반응성(산화력) 대 : 반응성이 큰 분자는 음이온(환원)으로 되고, 반응성이 작은 음이온은 분자로 산화된다.
반응성 : F2 > Cl2 > Br2 > I2
2KI + Cl2 → 2KCl + I2 ( 2I- + Cl2 → 2Cl- + I2 )
확인 : 녹말 (요오드 녹말 반응) -요오드화칼륨녹말 종이를 보라색으로
사염화탄소(CCl4) 층의 색깔 -- 할로겐분자는 사염화탄소에 쉽게 용해됨.
2NaCl + I2 → 2NaI + Cl2 반응 일어나지 않음 ∴ 반응성 : Cl2 > I2
Br- + Cl2 → Cl- + Br2 (반응성 : Cl2 〉Br2)
⑤ 녹는점(m.p), 끓는점(b.p) : 원자번호 증가할수록 높아진다.
m.p. 과 b.p. : 상온에서 F2 (기체)< Cl2 (기체)< Br2 (액체)< I2 (고체)
(2) 할로겐원소와 화합물
① 플루오르(F2 ) : 담황색의 기체, NaF(치약이나 구강세정제), 테플론(주방용기코팅)
② 염소( Cl2 ) : 황록색의 기체, 하방치환으로 포집.
- 염소의 제법 :진한 염산에 이산화망간(산화제)을 넣고 가열하여 얻는다.
4HCl＋MnO2 → MnCl2＋2H2O＋Cl2
<그림설명> 물(H2O)의 역할- 염화수소(HCl)제거,
건조제(진한황산 또는 염화칼슘) - 수분(H2O)제거
- 염소는 물과 반응하여 HClO를 생성 살균 및 표백 작용(물에 적신 꽃잎 탈색)
③ 브롬(Br2 ) : 적갈색 액체, AgBr(감광성, 사진 필름)
④ 요오드(I2 ) : 흑자색 고체, 승화성, 소독약
⑤할로겐화수소(HX) : 산성
㉠ 산의 세기 : HF(약산)《 HCl〈 HBr〈 HI
㉡ 끓는점 : HF(수소결합) 》HCl〈 HBr〈 HI
㉢ 플루오르화수소(HF) - 유리의 주성분인 석영과 반응하여 유리를 녹이기 때문에 납 병이나 폴리에틸렌 병에 보관.
㉣ 염화수소(HCl) - 무색의 자극성 기체로, 물에 잘 녹고 공기보다 무겁다.
- 암모니아 기체와 반응하여 흰 연기(NH4Cl)가 생기므로, 암모니아 검출 에 이용된다.
③ 할로겐화 이온의 검출 → AgNO3 加 → 할로겐화 은(AgX) : AgF(무색,수용성),
난용성(침전)AgCl↓(흰색), AgBr↓(연노란색), AgI↓(노란색)
※ 검출법
① 알칼리 금속 : 불꽃반응
② 할로겐 이온 : 은이온(질산은)과 반응 앙금생성
5) 금속의 성질
(1) 금속결합 : 금속 양이온과 자유전자가 정전기적 인력으로 결합
* 금속의 전자바다모형
(2) 금속의 특징 : 자유전자
① 열전도성과 전기전도성이 크다.
② 금속 광택 : 대부분의 금속은 은백색이나 회백색의 금속광택, 금은 노란색, 구리는 붉은색
③ 전성(펴짐성)과 연성(뽑힘성)
④ 대부분의 금속은 밀도가 크며, 녹는점과 끓는점이 비교적 높아 수은을 제외하고는 상온에서 결정성고체로 존재.
6) 금속의 반응성
(1) 산화와 환원
① 산화(환원제, 환원력) : 산소와 결합하거나 전자를 잃는 반응
(반응성이 큰 금속 → 금속 양이온으로 됨)
② 환원(산화제, 산화력) : 산화물이 산소를 잃거나 전자를 얻는 반응
(반응성이 작은 금속의 이온 → 금속으로 석출됨
산용액에서는 H+ → 수소 H2 발생)
③ 산화와 환원은 동시에 일어남
(2) 금속의 반응성 : 이온화경향, 이온화서열
① 금속과 물의 반응
ⓐ 찬물과 반응(알칼리 금속) : 2Na + 2H2O → 2NaOH + H2↑
ⓑ 뜨거운 물과 반응(Mg, Al)
② 금속과 산의 반응
ⓐ Mg ＋ 2HCl → MgCl2 ＋ H2 (Mg ＋ 2H+ → Mg2+ ＋ H2 )
(Mg > H2 수소 보다 반응성이 큰 금속은 산과 반응하여 수소 기체가 발생)
② 왕수 : 진한 질산과 진한 염산( 1 : 3 의 부피비)
③이온화서열 : 이온화경향
K>Ca>Na>Mg>Al>Zn>Fe>Ni>Sn>Pb>H>Cu>Hg>Ag>Pt>Au
크 카 나 마 알 연 철 니 주 납 (소) 동 수 은 백 금
반응성 : 대 ←
산화 (환원력, ← 양이온 되기 쉽다. 이온화경향이 크다.)
ⓐ 금속의 반응성과 반응 여부
* 반응성이 큰 금속 + 반응성이 작은 금속의 염 → 반응이 일어남
(반응성이 큰 금속은 산화되어 이온으로 되고 반응성이 작은 금속의 이온이 환원되어 석출)
(산화)
Zn + CuSO4 → ZnSO4 + Cu ( Zn + Cu2+ → Zn2+ + Cu)
(푸른색)
(환원)
∴ 금속의 반응성 : Zn > Cu(석출)
ⓑ 전기도금
* 도금할 물체 : 직류 전원의 (-)극
* 표면에 입히고 싶은 금속 : (+)극
* 전해질 용액 : 표면에 입히고 싶은 금속의 이온을 포함
7) 금속이 녹스는 이유
(1) 금속의 부식 : 금속이 산화되어 광택이나 전기전도성 등 금속 본래의 성질을 잃는 현상
* 철의 부식(녹) : 4Fe + 3O2 + 4H2O → 2[Fe2O3․2H2O]
(2) 금속의 부식조건 : 공기(산소)와 물(수분), 전해질용액
(3) 금속의 부식방지
① 수분과 산소의 차단 : 기름칠, 페인트칠
② 철보다 반응성이 큰 금속(Mg, Zn) 이용 : 음극화보호, 함석(Zn도금)
* 음극화 보호
- 주유소의 기름 탱크, 선박, 철제 수도관, 가스관에 Fe보다 반응성이 큰 Mg, Zn을
부착하거나 도선으로 연결
- Mg(Zn) 이 Fe 보다 먼저 전자를 잃고 산화(희생금속→전지의 －극 역할)
③ 철보다 반응성이 작은 금속 이용 : 금 도금, 은 도금, 양철(Sn 도금)
※ 도금의 손상 : 양철과 함석의 차이(반응성 Zn 〉Fe 〉Sn )
양철 - 표면에 흠집이 생기면 철이 노출되어 먼저 산화되는 단점.
④ 합금 : 스테인리스 스틸
* 치환형 합금, 틈새형 합금
* 신소재 합금
ⓐ 형상 기억 합금 : 우주선 안테나, 치열 교정용 와이어, 파이프의 이음매, 안경테
ⓑ 수소 저장 합금 : 수소의 저장 및 운반 장치, 냉난방 장치, 수소 자동차,
니켈-수소화물전지
ⓒ 초전도 합금 : 일정한 온도이하에서 전기저항이 0 이 되는 초전도현상을 나타내는 합금
- 자기 부상 열차, 자기공명영상장치(MRI), 송전케이블
⑤ 부동태 형성 : 산화막의 이용 - 알루미늄을 공기 중에 방치하면 금속의 표면에 치밀한
산화알루미늄 피막이 생겨 공기와 수분의 접촉을 막아준다.
8) 무서운 금속 - 중금속 오염
(1) 중금속 : 비중이 4.0 이상인 금속
(2) 중금속에 의한 피해 : 체내에서 단백질과 결합하여 축적
① 납(Pb)
ⓐ 용도 : 휘발유 첨가제, 페인트, 납축전지, 땜납, 그물추
ⓑ 피해 : 충추 신경 장애, 지능 저하, 헤모글로빈 합성 저하, 빈혈
ⓒ 공기오염원 : 납이 들어 있는 휘발유에 의한 자동차 배기가스, 납 제련공장, 축전지 공장
ⓓ 수질오염원 : 납의 제련 공장, 도금 공장의 폐수
② 수은(Hg) : 상온에서 유일한 액체
ⓐ 용도 : 온도계, 전지, 형광등, 치과 치료용 아말감, 살충제
ⓑ 피해 : 신경마비, 뇌․간․신장에 치명적 손상, 근육이완, 언어 및 청각장애
ⓒ 미나마타병 : 일본의 미나마타시 - 합성수지공장의 폐수에 포함된 메틸수은
③ 비소(As) : 비소는 금속은 아니지만 독성 중금속의 일종으로 분류,
비소 자체는 독성이 많지 않지만 비소의 산화물은 독성이 강함.
ⓐ 용도 : 살충제, 제초제, 의료용, 쥐약
ⓑ 피해 : 구토 설사, 심장마비, 소화기 장애, 결막염
ⓒ 공장 폐수나 유독가스, 폐광의 침출수 등으로 배출
ⓓ 비상 : 아비산(As2O3 )
④ 카드뮴(Cd) : 칼슘과 비슷하여 칼슘대사에 장애
ⓐ 용도 : 충전용전지, 색소, 도금, 플라스틱
ⓑ 피해 : 뼈를 약화, 콩팥 장애, 위장병, 체내칼슘대사 불균형
ⓒ 이타이이타이병 : 일본 도야마현의 진즈강 연안에서 발생 - 광산 폐수
⑤ 크롬(Cr)
ⓐ 용도 ; 도금, 합금, 용접작업, 도자기의 유약, 안료, 인쇄용 잉크의 착색제
ⓑ 피해 : 발암 물질, 폐암, 궤양, 호흡기 장애
(3) 중금속의 순환 : 생물 농축
(4) 중금속의 피해를 줄이는 방법 : 배출 억제, 분리수거, 기술 개발
① 분리수거 : 생활용품 속의 중금속
자동차(납축전지), 전자시계(수은 전지), 장난감(도금이나 페인트 - 납),
미백효과 화장품(수은, 납)
형광등(진공관 - 수은), 무선 전화기(충전지 - 카드뮴), 노트북PC (배터리팩 - 카드뮴)
② 기술 개발 : 수은온도계나 수은 전지 대체, 무연 휘발유
화학Ⅰ
Ⅱ. 화학과 인간
1. 주변의 탄소화합물
교과서 128p.
1. 석유로부터 얻는 물질은 무엇일까?
1) 원유의 분별 증류
(1) 원유 : 탄화수소의 혼합물, 산소 질소 황 성분도 미량 포함
(2) 분별증류 : 끓는점 차이 이용
(ex) 원유 정제 - 등유, 경유, 중유 등 - 탄소와 수소가 결합한 탄화수소
(3) 원유의 개조 방법
① 크래킹(cracking) : 큰 분자의 탄화수소를 열분해시켜 에틸렌, 프로필렌 등과 같은 작은 분 자의 탄화수소를 만드는 공정
② 리포밍(reforming) : 사슬 모양의 탄화수소 → 촉매를 써서 높은 온도와 압력을 가해 주면 → 고리모양의 탄화수소로 전환시켜 품질을 높이는 것
(4) 액화석유가스(LPG, Luquefied Petroleum Gas) - 프로판(C3H8)과 부탄(C4H10)
- 공기보다 무겁워 확산이 잘 되지 않으며, 액화가 쉽다(소형 용기에 넣어 운반 - 택시연료)
(5) 나프타 : 석유화학공업의 기초 원료
2. 많이 이용되는 탄소화합물에는 어떤 것들이 있을까?
1) 탄소 화합물의 특성
(1) 탄소를 기본 골격으로 H, O, N, 할로겐 등의 원소들이 결합된 화합물로 종류가 매우 많다.
(2) 대부분 무극성 물질로 에탄올, 벤젠, 에테르 등 유기 용매에 잘 녹는다.
(3) 대부분 분자성 물질로 분자간 인력이 작아 녹는점, 끓는점이 낮다.
(4) 공유 결합 화합물로 비전해질이며 반응속도가 느리다.
- 탄소의 공유원자가 (4가 → 결합을 할 수 있는 전자 4개)
- 옥테트 규칙 (팔우설) : 가장 바깥전자껍에 전자가 8개(He은 2개)가 배치되어 안정.
- 원자가전자 : 가장 바깥 전자껍질에 존재하는 전자 - 화학결합에 관여
2) 다이아몬드와 흑연
다이아몬드 - 각 탄소원자는 4개의 다른 탄소 원자와 결합을 하고 있어서 매우 단단함.
흑연 - 4개의 전자 중 3개남이 다른 탄소 원자들과 결합 - 전기전도성을 가짐
3) 탄화수소의 분류
(1) 탄소에 결합되어 있는 수소의 수에 따른 분류
① 포화 탄화수소 : 탄소간 결합이 모두 단일 결합인 것 ⇒ 알칸, 시클로 알칸
② 불포화 탄화수소 : 탄소간에 이중 결합이나 삼중 결합이 존재하는 것 ⇒ 알켄, 알킨, 방향족 탄화수소
(2) 결합 형태에 따른 분류
① 사슬 모양 탄화수소 : 알칸, 알켄, 알킨
② 고리 모양 탄화수소 : 시클로 알칸, 방향족
수
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
수를 셀때
mono
di(bi)
tri
tetra
penta
hexa
hepta
octa
nona
deca
물질명
metha
etha
propa
buta
penta
hexa
hepta
octa
nona
deca
<결합>
<일반식>
<반응>
탄화수소
(CH)
사슬
포 화
알칸(alkane)
단일결합
CnH2n+2
치환
지방족
불포화
알켄(alkene)
이중결합
CnH2n
첨가
알킨(alkyne
삼중결합
CnH2n-2
첨가
고리
포 화
시클로 알칸
(cyclo alkane)
단일결합
CnH2n
불포화
방향족
(벤젠고리포함)
단일과이중의 중간
―
치환 첨가
방향족
가. 포화 탄화수소
1) 알칸(alkane) 탄소간 결합이 단일 결합인 사슬 모양 탄화수소
(1) 일반식 : CnH2n+2
(2) 명명법 : 탄소 수에 따른 물질명에 ‘-안(ane)'을 붙인다.
(3) 성질
① 탄소 수가 증가할수록 분자간 인력이 강해져 녹는점, 끓는점이 높아진다.
② 화학적으로 안정하기 때문에 반응하기 어려우나 할로겐 원소와 치환반응을 한다.
③ 탄소가 4개 이상인 알칸은 이성질체가 존재한다.
(4) 메탄 (CH4)
① 가장 간단한 포화 탄화수소로 결합각이 109.5°인 정사면체 구조를 이룬다.
H
109.5。
C H
H
H
② 천연 가스(LNG)의 주성분으로 햇빛을 쪼이면 할로겐과 치환반응을 한다.
+Cl2 +Cl2 +Cl2 +Cl2
CH4 → CH3Cl → CH2Cl2 → CHCl3 → CCl4
-HCl -HCl -HCl -HCl
염화메틸(냉동제) 염화메틸렌 클로로포름(마취제) 사염화탄소
※ 이성질체 : 분자식은 같지만, 구조식이 달라서 성질이 다른 화합물을 말한다.
< 분자식 > 부탄 C4H10
n - 부탄 (CH3CH2CH2CH3 ) iso - 부탄 CH3 - CH - CH3
│
CH3
(녹는점:-138.4℃, 끓는점:-0.5℃) 〉 (녹는점:-159.6℃, 끓는점:-11.6℃)
2) 시클로 알칸(cycloalkane) 탄소간 결합이 단일 결합인 고리 모양 포화 탄화수소
(1) 일반식 : CnH2n (n≥3) - 알켄과는 이성질체
(2) 명명법 : 알칸 이름 앞에 ‘시클로(-cyclo)'를 붙인다.
(3) 성질 : 일반적으로 치환 반응을 하지만, 시클로프로판은 결합이 불안정하여 고리가 끊어지는 첨가 반응이다.
(4) 시클로헥산 : C6H12 - 의자모양과 배모양 이성질체(입체구조)
나. 불포화탄화수소
1) 알켄(alkene) : 탄소 원자 사이에 이중결합 1개 존재
(1) 일반식 : CnH2n (n≥2)
(2) 명명법 : ‘-엔 (ene)'을 붙인다
(3) 성질 : 탄소 수가 같은 시클로 알칸과 이성질체이며, 첨가반응과 중합반응을 한다.
(4) 에텐(C2H4, H2C=CH2 , 에틸렌) : 탄소 원자는 한 평면 위에 있으며, 결합각은 120。
(5) 에텐(에틸렌)의 제법 (에탄올의 분자내 탈수 반응)
c-H2SO4
CH3CH2OH (C2H5OH) ------→ H2C=CH2 + H2O
에탄올 160～170℃ 에틸렌
(6) 에텐(에틸렌)의 첨가 반응 : 이중 결합이 열리면서 다른 원자가 첨가되는 반응
- H2 첨가
Ni
CH2 ═ CH2 + H2 ───→ CH3 ─ CH3 ( C2H6 )
- Br2 첨가 : 적갈색의 브롬수에 에틸렌 기체를 통하면 브롬이 색이 없어진다.
⇨ 불포화 탄화수소의 검출법
CH2 ═ CH2 + Br2 ──────→ CH2Br ─ CH2Br
(7) 중합 반응 : 이중 결합이 열리면서 이웃 분자와 연속적으로 결합하는 반응
첨가 중합
n CH2 ═ CH2 ─────→ CH2─CH2 n
폴리에틸렌
(8) 기하 이성질체 : 이중 결합을 축으로 회전이 되지 않아 생기는 이성질체로, 이중 결합을 하 는 두 탄소 원자에 2개의 치환체가 있을 때 생긴다.
H H Cl H
∖ ∕ ∖ ∕
C ═ C (cis, 극성) C ═ C (trans, 무극성)
∕ ∖ ∕ ∖
Cl Cl H Cl
2) 알킨(alkyne) 탄소 원자간 삼중 결합 1개
(1) 일반식 : CnH2n-2 (n≥2)
(2) 명명법 : ‘-인(yne)'을 붙인다.
(3) 성질 : 첨가 반응과 중합 반응을 한다.
(4) 에틴(C2H2, CH ≡ CH 아세틸렌) : 직선구조로 결합각은 180°
①제법 : 탄화칼슘(CaC2, 칼슘 카바이드)를 물에 반응시켜 얻는다.
CaC2 + 2H2O → Ca(OH)2 + C2H2
② 첨가 반응
- H2 첨가
Ni
HC ≡ CH + H2 ------→ H2C = CH2 + H2 ----→ CH3CH3
에틴( C2H2 ) 에텐( C2H4 ) 에탄 ( C2H6 )
- H2O 첨가
HgSO4
CH ≡ CH + H2O ────→ CH3CHO (아세트알데히드)
- HCl 첨가
첨가중합
CH ≡ CH + HCl → CH2=CHCl ────→ CH2─CHCl n
염화비닐 폴리염화비닐(PVC)
- Br2 첨가
CH ≡ CH + Br2 ─→
(무색) (적갈색
Br H Br Br
∖ ∕ ∖ ∕
C ═ C C ═ C
∕ ∖ ∕ ∖
H Br , H H
(무색) -trans (무색) - cis
3) 방향족 탄화수소 - 벤젠고리 포함
(1) 벤젠(C6H6)의 구조
① 평면정육각형 - 결합각은 120°
② 탄소와 탄소 사이의 결합은 단일 결합과 이중 결합의 중간 결합(공명구조- 안정)
- 6개의 결합 길이는 모두 같다
(2) 벤젠의 성질
① 무색의 휘발성, 방향성 액체
② 유기용매
③ 수소수에 비하여 탄소의 수가 많아 연소시 불완전 연소되기 쉬워 많은 그을음 발생
(3) 벤젠의 반응성 : 벤젠은 불포화 탄화수소이지만 공명구조로인해 안정하기 때문에 첨 가 반응보다는 치환 반응이 잘 일어난다.
① 치환 반응
- 할로겐화 Cl
Fe │
+ Cl2 ────→ + HCl
(염화벤젠)
- 니트로(NO2)화 NO2
진한 황산 │
+ HNO3 ────→ + H2O
(니트로벤젠)
- 술폰(SO3H)화 SO3H
SO3 │
+ H2SO4 ────→ + H2O
(벤젠술폰산)
- 알킬화 CH3
AlCl3 │
+ CH3Cl ────→ + HCl
(톨루엔)
② 첨가 반응
햇빛
C6H6 + 3Cl2 → C6H6Cl6 (BHC, 살충제)
Ni
C6H6 + 3H2 → C6H12 (시클로 헥산)
(4) 그 밖의 방향족 탄화수소
① 톨루엔(Ar-CH3) : 특유한 냄새를 가진 무색 액체, 벤조산, TNT의 원료
② 나트탈렌(Ar-Ar) : 승화성이 있는 흰색 고체, 방충제의 원료
※ 탄소-탄소간의 결합 길이 및 결합 에너지
① 결합 길이 : C-C (0.154nm) 〉벤젠(0.140) 〉C=C (0.134) 〉C≡C (0.120)
② 결합 에너지 : 단일결합〈 벤젠〈 이중결합〈 삼중결합
③ 반응성 : C-C < C=C < C≡C
다. 지방족 탄화수소의 유도체
* 작용기에 따른 탄화수소 유도체의 분류
가) 탄화수소의 유도체 : 탄화수소의 수소 원자가 특정한 원자단(작용기)으로 치환된 물질
나) 작용기 : 탄화수소 유도체가 공통의 화학적 특성을 나타내는 원자단 작용기와 이름
유도체의 일반식과 이름
유도체의 보기
─ OH 히드록시기
R-OH 알코올
CH3OH 메탄올(메틸알코올)
C2H5OH 에탄올(에틸알코올)
O
∥ 포르밀기
─ C ─ H
R-CHO 알데히드
HCHO 포름알데히드(메탄알)
CH3CHO 아세트알데히드(에탄알)
O
∥ 카르복시기
─ C ─ O ─ H
R-COOH 카르복시산
HCOOH 포름산(메탄산)
CH3COOH 아세트산(에탄산)
∣ 카르보닐기
─ C ═ O
R-CO-R' 케톤
CH3COCH3 아세톤(프로판온)
CH3COC2H5 메틸에틸케톤
─ O ─ 에테르
R-O-R' 에테르
CH3OCH3 디메틸에테르
C2H5OC2H5 디에틸에테르
O
∥ 에스테르
─ C ─ O ─
R-COO-R' 에스테르
HCOOCH3 포름산메틸
CH3COOC2H5 아세트산에틸
※ 알킬(CnH2n+1-) : 알칸에서 수소 원자 1개가 빠진 원자단으로 R로 표시
( H- , CH3- , C2H5- , … )
1) 알코올(alcohol : R-OH) , R - (친유성, 소수성), -OH(친수성)
(1) 탄소 수가 작은 알코올은 물에 잘 녹으며, 수용액은 비전해질이고 액성은 중성
(2) -OH에 의해 분자간에 수소 결합을 하므로 끓는점이 높다.
(3) 알코올의 분류
① 1가, 2가, 3가 알코올 : 히드록시기의 수에 따라
② 1차, 2차, 3차 알코올 : 히드록시기가 결합된 탄소에 연결된 알킬기(R)의 수에 따라 1가 알코올
2가 알코올
3가 알코올
1차
2차
3차
CH3CH2-OH
H
│
CH3 ─ C ─ OH
│
CH3
CH3
│
CH3 ─ C ─ OH
│
CH3
HO-CH2-CH2-OH
CH2-CH-CH2
│ │ │
OH OH OH
(4) 알코올의 반응
① Na, K과 같은 알칼리 금속과 반응하여 수소 기체 발생
2Na + 2C2H5OH → 2C2H5ONa + H2
② 산화 반응
산화 산화
1차 알코올(ROH) ───→알데히드(RCHO) ───→ 카르복시산(RCOOH)
(CH3OH) (HCHO) (HCOOH)
(C2H5OH) (CH3CHO) (CH3COOH)
산화
2차 알코올 ───→ 케톤 (RCOR)
CH3-CH-CH3 CH3-C-CH3
│ ║
OH O (아세톤)
3차 알코올 → 산화되지 않음
③ 에스테르화 반응 : 카르복시산과 알코올이 반응하여 에스테르가 생성되는 반응-축합반응
O
║ 진한황산, 가열(에스테르화)
CH3-C-O-H + C2H5OH ───────→ CH3COOC2H5 + H2O
(아세트산) (에탄올) ←────── (아세트산에틸)
(가수분해)
RCOOH R'OH RCOOR' + H2O
④ 탈수 반응 : 알코올에서 물분자가 빠져나가는 반응, 온도에 따라 생성 물질이 다름
진한황산 진한황산
C2H5OH ────→ C2H4 + H2O, 2C2H5OH ─────→ C2H5OC2H5 + H2O
160～170℃ 130～140℃
(에텐) (디에틸에테르) ROR'
<분자내 탈수> <분자간 탈수 - 축합반응>
(5) 여러 가지 알코올
① 메탄올(CH3OH)
- 무색의 유독한 액체
- 알코올 램프의 원료
② 에탄올(C2H5OH)
- 제법 : C6H12O6 ───→ 2CH3CH2OH + 2CO2
H2SO4
CH2＝CH2 + H2O ───→ CH3CH2OH
③ 에틸렌글리콜 ( C2H4(OH)2 )
- 어는점이 낮고 휘발성이 작아 자동차의 부동액으로 사용
- 합성 섬유인 폴리에스테르의 연료
④ 글리세롤( C3H5(OH)3 )
- 화장품, 액체 비누, 과자 제조에 사용
.
2) 에테르(ether : R-O-R')
(1) 알코올의 축합 반응(분자간 탈수반응)으로 생성되며, 휘발성, 마취성, 인화성이 크다.
(2) -OH기가 없어 물에 녹지 않고, 마취제나 유기 용매로 사용된다.
(3) 금속 Na과 반응하지 않는다.
(4) 탄소 수가 같은 알코올과 이성질체 관계이다.
(분자식) C2H6O →
(시성식) C2H5OH, CH3OCH3
구별 : 알칼리금속과 반응 유무
3) 알데히드(aldehyde : R-CHO)
(1) 산화되어 카르복시산이 되고, 환원되면 1차 알코올이 된다.
환원 산화
C2H5OH ←─── CH3CHO ───→ CH3COOH
(에탄올) (아세트알데히드) (아세트산)
(2) 환원성이 커서 은거울 반응과 펠링 용액과 반응한다.(알데히드 검출법: -CHO, HCO-)
① 은거울 반응 : 암모니아성 질산은 용액 속에 Ag+을 Ag으로 환원시킨다.
Ag+ + RCHO ────→ Ag↓ + RCOOH
△
② 펠링 용액 반응 : 펠링 용액 속의 Cu2+을 Cu2O(붉은색 앙금)으로 환원시킨다.
2 Cu2+ + RCHO ────→ Cu2O↓ + RCOOH
△
(3) 여러 가지 알데히드
① 포름알데히드(HCHO) - 페놀 수지, 요소 수지 등의 합성 수지나 접착제를 만드는 연료
- 30～40% 농도의 수용액은 포르말린이라고 하며, 동물 표본의 살균, 방부제로 사용
② 아세트알데히드(CH3CHO) - 접착제나 아세트산의 원료
4) 케톤(ketone : R-CO-R')
(1) 2차 알코올을 산화시켜 얻는다.
-2H
CH3CH(OH)CH3 ――→ CH3COCH3
산화
(2) 특유의 향기가 있는 무색의 액체이며, 물에 녹으며 유기 용매로 사용
(3) 요오드포름(CHI3) 반응을 한다.
(4) 탄소 수가 같은 알데히드와 이성질체 관계이다.
(분자식) C3H6O →
(시성식) C2H5CHO, CH3COCH3
구별 : 환원성 유무
5) 카르복시산(carboxylic acid : R-COOH)
(1) 물에 녹아 약한 산성이며, 염기와 중화반응
(2) 수소 결합을 하므로 끓는점이 높다.
(3) 알칼리금속과 반응 - 수소 기체 발생
(4) 알코올과 에스테르 반응을 한다.
(5) 여러 가지 카르복시산
① 포름산(HCOOH : 메탄산, 개미산)
- 자극성 냄새가 나는 무색 액체로 물에 잘 녹는다.
- 카르복시기(-COOH)와 포르밀기(-CHO)를 함께 가지고 있으므로 산성을 가지는 동시에
환원성이 있다. → 은거울 반응과 펠링 반응
O
포르밀기 ∥ 카르복시기
H - C - O - H
② 아세트산(CH3COOH)
- 어는점이 16.6℃ 이며, 빙초산이라고도 한다.
- 의약품이나 합성 수지의 원료
- 3～6% 수용액으로 식초 제조
6) 에스테르(ester : R-COO-R')
1) 과일향이 나는 무색의 액체로 물에 잘 녹지 않는다.
2) 가수분해 반응 : 에스테르화 반응의 역반응이 일어나 카르복시산과 알코올이 생성되는 반응.
RCOOH + R'OH RCOOR' + H2O
3) 알칼리와 함께 가열하면 비누가 생성된다.(비누화)
RCOOR' + NaOH → RCOONa(비누) + R'OH
4) 카르복시산과 이성질체 관계
(분자식) C3H6O2 → (시성식) C2H5COOH, CH3COOCH3
구별 : 산성 유무
(5) 여러 가지 에스테르
에스테르
시성식
냄 새
포름산에틸
아세트산에틸
아세트산이소아밀
아세트산옥틸
부틸산에틸
부틸산이소아밀
HCOOC2H5
CH3COOC2H5
CH3COOC5H11
CH3COOC8H17
C3H7COOC2H5
C3H7COOC5H11
복숭아
사 과
바나나
오렌지
파인애플
배
라. 방향족 탄화수소의 유도체
1) 페놀류
(1) 벤젠고리(C6H5-, Ar)에 -OH가 직접 결합된 물질
(2) 검출법 : FeCl3 수용액과 반응하여 적자색의 정색반응
(3) 페놀(Ar-OH)
① 특유의 냄새가 나는 무색의 결정, 물에 녹아 약한 산성, 염기성 물질과 반응하여 염을 생성
OH ONa
+ NaOH ──→ + H2O
② 알칼리금속과 반응하여 H2를 발생
③ 카르복시산과 반응하여 에스테르화 반응
④ 피부에 닿으면 염증 유발, 의약, 염료, 페놀 수지의 원료
⑤ 1～3% 수용액은 살균, 소독제로 사용
(4) 살리실산( C6H4(OH)COOH )
① 물에 약간 녹아 약한 산성을 나타내며, FeCl3에 의해 보라색의 정색반응
② 카르복시산이나 알코올과 반응하여 에스테르화 반응
COOH CH3OH COOCH3
+ H2O
OH OH
(살리실산) (살리실산메틸)
COOH CH3COOH COOH
+ H2O
OH OCOCH3
(살리실산) (아세틸살리실산)-아스피린
(5) 크레졸( C6H4 CH3OH ) CH3
- 페놀보다 물에 녹기 어려우며, 살균력이 강하고 독성이 작다. OH
- 비눗물에 녹여 하수구나 변기 등의 살균 소독제로 사용
2) 방향족 카르복시산
COOH
(벤조산) - 물에 조금 녹아 약한 산성을 나타낸다.
- 알코올과 에스테르화 반응을 한다.
3) 방향족 니트로 화합물
(1) 벤젠 고리에 탄소 원자에 니트로기(-NO2)가 결합된 화합물
(2) 니트로벤젠(C6H5NO2)
- 벤젠에 진한 질산과 진한 황산을 반응시켜 얻음
- 비누의 향료, 물감의 원료인 아닐린의 제조
(3) 트리니트로톨루엔(TNT)
CH3
O2N NO2
- 폭발성이 있어 폭약의 원료로 사용
NO2
4) 방향족 아민
(1) 아닐린(C6H5NH2)
- 니트로벤젠을 주석과 염산으로 환원시켜 얻음
NO2 Sn, HCl NH2
- 염기성 물질(NH2 아미노기) - 염산과 반응하면 물에 녹는 염 생성
- 의약품과 염료의 주요 염료
마. 새로운 탄소화합물
1) 풀러렌 : C60
- 탄소원자 60개로 이루어진 축구공 모양의 분자
- 높은 온도와 압력에도 견디는 매우 안정된 구조
- 윤활제, 공업용 촉매제, 초전도체, 축전지, 약품전달매체 등으로 이용
2) 탄소나노튜브
- 육각형 벌집 무늬를 이루며, 둥글게 말려진 형태
- 반도체소자로서 고집적도가 가능
- 고탄성 골프채, 테니스 라켓, 방화복, 생분자와 친해 의학용 접합부나 의약품 투약용
3. 연료로 이용되는 탄소 화합물에는 어떤 것들이 있을까? <교과서 150p.>
1) 석유
(1) 원유 : 바다나 호수 등에 번식하던 식물성 플랑크톤의 유해가 바다 밑에 묻혀서 오랜 세월 동안 화학 변화를 거쳐서 생성된 탄화수소
(2) 원유의 정제 : 끓는점 차이를 이용한 분별 증류
분류
끓는점(℃)
탄소수
용 도
석유가스
가솔린
등 유
경 유
중 유
윤활유
아스팔트
-160～40
40～180
150～250
230～300
280～350
350 이상
1～4
5～12
10～16
14～20
18～30
25이상
LPG, 자동차 연료, 화학 약품 합성 재료
휘발유, 나프타, 화학 약품 합성 재료
가정용 연료
디젤 엔진의 연료
선박의 연료
윤활유, 왁스
(3) LPG ( Liquified Petroleum Gas : 액화 석유 가스)
① 주성분은 프로판(C3H6)과 부탄(C4H10)
② 상온에서 압력을 높이면 쉽게 액화되므로(끓는점이 비교적 높기 때문), 용기에 담아서 보 관하거나 운반 - 자동차의 연료
③ 공기보다 무거워 누출되면 확산이 잘되지 않으므로 폭발의 위험성이 큼
2) 천연가스 : LNG(Liquified Natural Gas : 액화 천연 가스)
① 메탄(CH4)이 주성분
② 공기보다 가볍고 끓는점이 낮으므로 운반, 저장이 어려움
③ 도시 가스로서 가정용 연료, 천연가스 버스 - 대기 오염 줄임
3) 석탄
① 주성분이 탄소이고 다른 원소도 소량 포함
② 탄소 성분이 높을수록 질이 우수함 - 무연탄
③ 부유선광법 - 황화합물 제거
④ 코크스- 철의 제련과정에서 환원제
화석연료(석탄, 석유, 천연가스)의 연소생성물 확인
→ 연료의 성분 원소 확인 가능
→이산화탄소(CO2) 확인 - 석회수 →뿌옇게 흐려짐 (연료성분 C 포함)
→수증기(물,H2O) 확인 - 푸른염화코발트종이 → 붉게 변함
- 흰색무수황산구리→청색 (연료성분 H 포함)
4. 우리가 사용하는 플라스틱에는 어떤 것들이 있을까?
1) 플라스틱(합성 수지)의 합성
- 고분자 화합물 : 공유결합으로 분자량이 수만 ～ 수백 만에 이르는 화합물
→ 합성 고분자 : 합성수지, 합성섬유, 합성고무
→ 천연 고분자 : 녹말, 셀룰로오스, 단백질, 천연고무
- 단위체 : 고분자를 이루는 기본 단위
- 중합체 : 단위체가 결합하여 만들어진 고분자 물질
중합
단위체(monomer) ꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏꠏ→ 중합체(polymer)
(1) 첨가 중합체
① 첨가 중합 : 단위체가 결합할때 탄소원자사이의 이중결합이 끊어지면서 고분자 화합 물을 만드는 반응
② 첨가 중합 반응
n CH2=CH → (-CH2-CH-)n
│ │
X X
H H
│ │
C ＝ C
│ │
H H
n
H H
│ │
─C ─ C─
│ │
H H
첨가
중합
n
에틸렌 폴리에틸렌
③ 폴리에틸렌 : 성형과 가공이 쉽고 포장재나 투명 용기
④ 폴리염화비닐(PVC)
H H
│ │
C ＝ C
│ │
H Cl
n
H H
│ │
─C ─ C─
│ │
H Cl
첨가
중합
n
⑤ 폴리스티렌
ꠏꠏꠏꠏꠏꠏꋼ
(2) 축합 중합체
① 축합 중합 : 단위체들이 결합할 때, 작용기 사이에서 H2O와 같은 간단한 분자들이 빠져 나오면서 형성되는 중합 반응
② 페놀 + 포름알데히드 → 페놀수지(그물구조) + 물
③ 페놀 수지 : 강도가 크고 열과 전기의 전열성이 우수, 냄비나 다리미의 손잡이
2) 플라스틱의 분류
(1) 열경화성 수지
- 그물 구조를 가진 중합체
- 강한 결합의 형성으로 열에 의해서 모양을 바꿀 수 없는 것
- 페놀수지(단위체 : 페놀, HCHO), 요소수지(단위체 : 요소, HCHO),
멜라민 수지, 테플론(플루오르 수지)
(2) 열가소성 수지
- 열을 가하면 쉽게 부드러워져 다른 모양으로 바꿀 수 있는 것
- 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스티렌, PVC
3) 플라스틱의 처리
(1) 소각
① 많은 양의 열이 발생하여 소각로 손상
② 질소 산화물이나 일산화탄소 등의 오염 물질 발생
(2) 매립 : 공기 중에서 잘 썩지 않으며, 미생물에 의해 잘 분해되지 않음
(3) 폐기물 회수, 재생 : 폐플라스틱을 종류별로 수거
* 플라스틱의 종류와 분류 기호 : 교과서 163p.
(4) 열분해(크래킹) : 플라스틱을 진공 상태에서 가열하여 더 작은 분자로 쪼개는 방법
⇒ 메탄, 에탄, 프로펜, 벤젠 등의 탄화수소 제조
4) 새로운 플라스틱 - 폴리아세탈, 폴리카보네이트, 고흡수성 수지, 생분해성 플라스틱
5. 합성 섬유와 고무는 어떻게 이용될까?
1) 합성 섬유
(1) 나일론 6,6 : 헥사메틸렌디아민과 아디프산의 축합 중합체
n H H
│ │
H─N─(CH2)6─N─H
+ n
O O
‖ ‖
HO―C―(CH2)4―C―OH
헥사메틸렌디아민 아디프산
H H O O
︳ ︳ ‖ ‖ + 2nH2O
N― (CH2)6―N―C―(CH2)4―C
축합
중합
n
6.6 나일론
① 펩티드 결합(아미드결합) : 아미노기(-NH2)와 카르복시기(-COOH)사이의 -NH-CO-의 형태 결합
② 폴리아미드계 섬유 : 펩티드 결합에 의해 만들어진 섬유
③ 의류, 그물, 전선, 절연재료, 칫솔 제조
④ 매우 질기지만 열에는 매우 약한 단점이 있음.
(2) 폴리에스테르 : 테레프탈산과 에틸렌글리톨의 축합 중합체
① 폴리에스테르계 섬유 : -COOH와 -OH에서 물 분자가 빠지면서 에스테르 결합(-COO-)을 하는 섬유
-C- -C-O-CH2-CH2-O-
‖ ‖ + 2nH2O
O O
축합
중합
n
테릴렌
② 의류, 사진 필름, 녹음 테이프로 사용
2) 고무
(1) 라텍스 : 열대 지방에서 재배되는 고무나무의 상처에서 흘러나오는 수액
라텍스 + 아세트산(포름산) → 생고무(천연고무)
천연고무(이소프렌 중합체)
→
① 가황 고무 : 천연 고무는 너무 무르고 탄성이 적기 때문에 황을 첨가하여 사용
② 에보나이트 : 황의 함유가 30% 이상되어 탄성이 없어진 고무
(2) 네오프렌 고무 : 클로로프렌의 첨가중합체
→
(2) 부나-S(SBR) 고무 : 부타디엔과 스티렌의 혼성 중합체
① 내마모성이 우수하며 자동차 타이어 등의 원료
② 구두창, 고무 타일
(3) 부나-N 고무 : 부타디엔과 아크릴로니트릴의 혼성 중합체
(4) 혼성 중합 : 서로 다른 단위체가 첨가 반응에 의해 중합되는 것
6. 생명을 유지하는데 필요한 화합물에는 어떤 것들이 있을까?
1) 탄수화물 Cm(H2O)n
분 류
분 자 식
예
가수분해 생성물
환원성
수용성
단당류
포도당
과당
갈락토오스
가수분해되지않음
있음
녹음
이당류
설탕
엿당(맥아당)
젖당
포도당 + 과당
포도당 + 포도당
포도당 + 갈락토오스
없음
있음
있음
녹음
다당류
녹말
셀룰로오스
글리코겐
포도당
없음
잘 녹지않음
(1) 단당류
- 포도당(글루코스:)
① 녹말, 이당류, 다당류를 가수 분해하여 얻는다.
② 환원당( -CHO)
CH2OH
⃓
C ꠏꠏꠏꠏ O
⃓
H ∕ H ∖ H
∖ ∕
C C
∕ ∖
OH
α- 포도당
CH2OH
사슬모양 포도당
CH2OH
β- 포도당
(2) 이당류
-설탕(수크로스:)
- 수크라제에 의해 가수 분해되어 포도당과 과당
(3) 다당류
① 녹말( : α-포도당의 축합중합체(효소나 산에 의해 가수분해 →α-포도당)
검출반응 : 요오드-녹말 반응→ 푸른색～보라색
녹말의 구조 - 아밀로오스, 아밀로펙틴
- 에테르 결합 ( - O - )
② 셀룰로오스 : β-포도당의 축합중합체 (효소나 산에 의해 가수분해 → β-포도당)
- 질기고 유연성이 있는 섬유질, 세포막의 주성분.
2) 단백질
(1) 아미노산
① 단백질을 구성하는 기본 단위 물질
② α-아미노산의 일반식 : 양쪽성 물질
(2) 단백질
① 단백질의 특성
A. 단백질의 형성 : 아미노산이 펩티드 결합( -CONH- , 아미드결합)을 하여 생성된
축합중합체
B. 단백질의 변성 : 열, 강산, 중금속, 알코올에 의해 단백질이 변성된다.(수소결합 파괴)
C. 근육, 피부, 힘줄의 주요성분, 효소(촉매), 호르몬 제어 역할.
② 단백질의 검출 반응
A. 뷰렛 반응
B. 크산토프레인 반응
벤젠 고리가 포함된 단백질의 검출에 이용된다.
C. 밀론 반응
D. 닌히드린 반응 : 닌히드린 용액을 가한 산성용액에서 끓인 후 냉각 → 보라색
2. 생활 속의 화합물
1. 세제 - 비누와 합성 세제 : 계면활성제(용액의 표면장력을 작게하는 물질)
- 식물의 재 : K2CO3, Na2CO3 (염기성)
1) 비누(RCOONa)
(1) 제법
유지를 NaOH 수용액과 함께 가열하여 비누화
- 칼륨 비누, 나트륨 비누
(2) 비누의 분자 구조 : CnH2n+1COONa, 친유성의 CnH2n+1― (R-)과 친수성의 -COO-
(3) 비누의 세척 작용
① 비누의 용해 : 비누가 물에 녹아서 친유성기(소수성기)는 안쪽으로 향하고 친수성기(이온성부분)는 바깥쪽으로 배열하여 공모양을 이루는데 이를 미셀이라고 한다.
② 기름때와 비누의 결합 : 비누 분자의 친유성 부분은 기름때에 달라붙고 친수성 부분은 물을 잡아당긴다.
③ 기름때의 분산 : 비누 분자에 둘러싸인 때 입자가 물 속에서 분산되어 씻겨나가 옷의 세탁이 일어난다.
(4) 시판되는 비누 : 계면활성제, 염료, 향수, 크림, 연마제 등을 첨가
(5) 비누의 단점
① 비눗물은 가수분해로 인하여 약한 염기성을 나타내므로 염기에 약한 섬유, 즉 동물성 섬유(모직물)의 세탁에는 적당하지 않다.
RCOONa + H2O → RCOOH + Na+ + OH-
② Ca2+이나 Mg2+이 포함된 센물에서는 앙금이 생성
2RCOONa + Ca2+ → (RCOO)2Ca↓ + 2Na+
③ 비눗물에 산을 가하면 지방산이 유리되므로 산성 용액에서는 사용할 수 없다.
RCOONa + HCl → RCOOH + Na+ + Cl-
2) 합성 세제 : 비누의 결점을 보완하기 위하여 개발
→ 비누의 친수성기가 카르복시기(-COO-)인 것과는 달리 세제의 친수성기는
황산기(-OSO32-)나 아황산기(-SO32-), 인산 이온(-OPO32-)이다.
(1) ABS(알킬벤젠황산염 )
- 가지가 많이 달린 분자 구조로 인해 잘 분해되지 않고 물에 오랫동안 잔류하여 수질 오염
(2) LAS(선형알킬벤젠황산염
- 선형의 사슬구조로서 용해성이 좋고 미생물에 의해 쉽게 분해되므로 현재 널리 사용된다.
(3) 세탁용 합성세제
① 계면활성제
② 인산염 : 센물에서도 세탁 능력이 떨어지지 않게 한다. 인산염은 물의 부영양화를 일으키 므로 최근에는 대체 물질로 탄산나트륨이나 제올라이트를 첨가하기도 한다.
③ 표백제와 광택제 : 옷감을 희게 만들거나 옷감의 색을 더 밝게 보이게 한다.
④ 친수성 고분자 : 떨어져 나온 때가 다시 옷에 부착되는 것을 막는다.
⑤ 효소 : 분해시키기 어려운 단백질이나 지방 성분의 때를 분해한다.
(4) 모발용 세제 - 삼푸 : 음이온계 계면활성제, 비이온계 계면활성제
- 린스 : 양이온계 계면활성제
- 컨디셔너
(5) 입 안에 사용하는 세제 : 치약 - 연마제, 세제, 향료, 감미제, 색소, 표백제, 플루오르 화합물
(6) 주방용 세제 : 계면활성제, 피부 보호제, 향료, 색소
- 자동 식기 세척기용 세제
(7) 청소용 세제 - 변기용 세제 : 산성
하수구용 세제 : 알칼리성 세제(기름때, 머리카락 분해)
(8) 합성세제의 첨가물
(9) 합성세제의 장점
① 분자 내에 친수성기와 친유성기가 있으므로 물에 대한 용해성이 좋아 찬물에서도 빨리 용해되고 헹구기 쉽다.
② 비누와 달리 Ca2+, Mg2+과도 침전이 생기지 않아 센물에서도 사용할 수 있다.
③ 산성조건, 알칼리성 조건 등 어떠한 조건에서도 세척력이 좋다.
④ 물에 녹아 중성을 띠므로 중성세제라고 하며 동물성 섬유의 세탁에도 적합하다.
(10) 합성 세제가 인체와 환경에 미치는 영향과 대책
① 거품이 많고, 분해 속도가 느려 하천 오염
② 체내에 합성 세제가 축적되면 간의 활동 저하, 기미, 피부 습진 등이 생긴다.
③ 세제는 용도에 맞는 것을 선택하고 사용 후 충분히 헹군다.
④ 합성 세제의 사용량을 줄인다.
2. 의약품
- 천연의약품 - 생약 : 인삼, 녹용, 양귀비(아편), 감초뿌리
- 추출약 : 카페인, 퀴닌, 니코틴 등의 알칼로이드
- 합성의약품
* 천연 물질로부터 개발된 의약품
① 아세틸살리실산(아스피린) : 버드나무 껍질 - 진통, 해열제
② 퀴닌 : 키나나무 껍질 추출액 - 말라리아 치료
1) 진통제 : 중추 신경에 작용하여 통증 완화(통증의 원인을 치료하는 것은 아님)
마약성 진통제(모르핀)와 비마약성 진통제(아스피린)로 나뉜다.
(1) 마약성 : 모르핀, 헤로인, 코데인
(2) 비마약성 : 아스피린, 아세트아미노펜(타이레놀), 이부프로펜
① 아세틸살리실산(아스피린) : 진통, 해열제로 사용되며 살리실산과 아세트산의 에스테르화 반응을 통해 만든다.
COOH CH3COOH COOH
+ H2O
OH OCOCH3
(살리실산) (아세틸살리실산)-아스피린
② 살리실산메틸 : 근육통이나 어깨 결림 등에 바르는 약으로 쓰인다.
COOH CH3OH COOCH3
+ H2O
OH OH
(살리실산) (살리실산메틸)
2) 감기약 : 100여종의 바이러스에 의해 발병
① 항히스타민제
② 코 소염제
③ 기침 억제제(진해제)
3) 소화제
(1) 소화 효소제 : 디아스타제(녹말 소화효소), 펩신(단백질 소화효소), 판크레아틴(녹말 및 단 백질 소화효소)
(2) 제산제 : 약염기성 물질이므로 위산과 중화 반응하여 수소 이온을 제거한다.
NaHCO3, , KHCO3 , Mg(OH)2 , MgCO3
NaHCO3 + H+ → Na+ + H2O + CO3
4) 항균제와 항생제 :
(1) 항균제 : 세균의 성장을 억제하거나 죽이는 약품 - 설파닐아미드, 솔폰아미드의 유도체
(2) 항생제 : 미생물에서 분비되는 물질중에서 적은 양으로 다른 미생물을 죽이거나 발육이나 기능을 억제하는 물질
① 페니실린 : 페니실린은 ‘곰팡이에 의해 생성된 항박테이라 물질’ 이라는 뜻,
1928년 플레밍에 의해 포도상구균의 성장을 방해하는 푸른곰팡이로부터 발견. 세균의 세포막을 형성하지 못하도록 함으로써 세균을 죽임. 단, 포유동물은 세포벽이 없으므로 영향을 받지 않음.
② 항생제 종류 : 아모시실린, 스트렙토마이신, 테트라사이클린, 리팜핀 등
③ 항생제의 부작용 : 설사, 메스꺼움, 구토 유발, 남용하면 내성이 강한 변형균이 생김
5) 항암제
(1) 암 : 암은 신체 내의 한 세포가 비정상적으로 이상 증식하여 인근의 조직으로 퍼지는 질병.
- 치료법 : 함암제 투여, 수술로 암조직 제거, 방사선 이용 등이 있다.
(2) 항암제 : 암세포의 DNA 구조를 변화시켜 암세포의 DNA 복제를 불가능하게 하여 암세포가 더 이상 성장하지 못하게 하는 물질.
- 시스플라틴, 선플라주, 글리벡
- 부작용 : 정상세포도 공격, 빈혈, 면역기능 저하, 구토, 식욕 부진 등
◇ 생약(한약)-천연의약품
- 대부분 생약으로 산과 들에서 채취하여 건조시킨 다음, 적당히 자르거나 가루로 만들어 사용한다.
- 여러 가지 약용 식물의 효능
◇ 알칼로이드-천연의약품
- 식물속에 있는 질소를 포함한 고리 모양 화합물로 염기성, 강력한 약리작용으로 가치가 있지만 계속 사용하면 심한 중독 현상을 나타낸다.
- 코카인, 카페인, 아미그달린, 모르핀, 니코틴 등
3. 약물 오․남용
1) 약의 부작용
2) 약물의 오남용
- 약물의 오용 : 의학적인 목적으로 사용하되, 의사의 지시나 용법대로 사용하지 않음
- 약물의 남용 : 비의학적인 목적으로 약물을 지속적으로 사용
3) 약물의 오남용 실태
4) 의약품
5) 의약품의 올바른 사용
6) 의약분업제도
* 중독성 의약품
(1) 중독성의약품
(2) 마약류 - 아편, 모르핀, 헤로인, 코카인, 마리화나
(3) 향정신성 물질 - 중추신경게에 작용하여 정신 기능에 영향을 미치는 물질
- 필로폰(히로뽕), 엑스타시(도리도리), LSD
(4) 중독성 의약품의 피해
(5) 마약에 대한 규제
4. 난치병의 극복
1) 신약개발
(1) 신약의 개발과정
① 기초 탐색 작업
② 개발 후보 물질 선정 단계
③ 임상 전 실험과정
④ 임상 실험과정
⑤ 신약 허가
2) 맞춤형 신약개발 - 유전자(genome)지도
3) 유전자 치료 - 유전자 수정, 유전자 교환, 유전자 보강
3. 미래를 위해서는 어떤 노력이 필요할까?
◇ 깨끗한 환경을 위해 해야 할 일
1. 수질 오염
1) 하천오염 물질 : 생활 하수, 공장 폐수, 농약, 비료등에 들어있는 유기물질이나 중금속, 독성 물질
2) 합성세제 : 거품 - 햇빛 차단→ 플랑크톤 번식 방해, 인 - 부영양화
3) 수질 오염의 대책
(1) 하수 처리장의 처리 용량을 늘리고 생활 하수의 배출량을 줄인다.
(2) 오염 물질에 따른 가장 효과적인 제거 방법을 연구하고, 산업 폐수에 포함된 중금속을 철저히 제거한다.
4) 물을 정화하는 방법 : 분리막 이용, 박층류법, 자갈 이용, 식물 이용
2. 대기 오염
1) 대기 오염의 원인 : 화석연료의 사용 - 이산화황, 질소 산화물, 일산화탄소, 분진 등
2)대기 오염을 줄이기위한 대책
(1) 연료의 탈황
(2) 이산화황 제거 장치 :
(3) 집진 장치
(4) 자동차의 촉매 변환 장치
(5) 전기 자동차 개발 : 수소 연료 전지
3. 토양 오염
1) 토양 오염의 원인 : 오염된 물, 농약, 비료, 쓰레기 매립(중금속, 유해물질 축적)
2) 토양 오염의 피해
3) 토양 오염 방지 대책 : 화학비료→유기질 비료, 살충제→천적 이용
4) 토양 정화 방법
(1) 오염 물질의 제거
(2) 미생물 이용 방법
(3) 오염이 적은 물질 사용
(4) 유기 농법의 확대
◇ 대체 에너지의 개발과 자원의 재활용
1) 대체 에너지 : 화석 연료를 대체 - 원자력에너지, 수소 에너지, 태양 에너지, 풍력, 수력, 지열
(1) 원자력 에너지
① 원자력 발전 : 핵분열반응( 사용) →에너지→증기→터빈→전기에너지
② 원자력 발전의 장점 : 지구 온난화, 대기 오염, 산성비와 같은 환경오염 일으키지 않음
단점 : 방사능으로부터 보호 비용, 안전점검, 방사성 폐기물 처리
③ 대비책 : 철저한 관리와 방사능 피해를 줄이는 기술 개발
(2) 태양 에너지
① 태양광 발전 : 태양에너지→전기에너지(태양광 발전기=태양 전지 모듈)
* 장점 - 연료비 필요 없고, 대기 오염이나 폐기물 발생 없으며, 운전 및 유지 관리 비용 최소
* 단점 - 초기 설비 비용이 많이 듬.
② 태양열 발전 : 반사판 이용을 이용해 햇빛을 집중시켜→열→전기에너지
- 중앙 집중형 시스템, 중규모 태양열 발전 시스템인 분산형 시스템
③ 태양 에너지의 활용 : 고갈 우려 없고, 환경 오염 배출이 없는 장점
(3) 풍력 에너지
① 풍력 발전기
② 풍력 발전기의 설치 : 바람의 세기 4m/s 이상인 곳
③ 생산단가 저렴, 환경적인 면이나 경제적인 면에서 효과적 - 제주도
(4) 해양 에너지
① 조력 발전 : 조석 간만의 차 - 수차 발전기
② 파력 발전 : 연구 개발 단계
③ 온도차 발전 : 온도차 20℃ 이상 - 열대의 깊은 바다
(5) 지열 에너지 : 난방, 냉방, 전력 생산, 산업용 열
① 온도에 따른 지열의 이용
② 지열 발전 : 뜨거운 증기나 물 → 증기 → 터빈
③ 열펌프의 이용 : 땅을 열원이나 열저장소로 이용 - 난방, 냉방
(6) 수소
① 수소의 연소 : 청정 연료
2H2(g) +O2(g) → 2H2O(l) + 572kJ
② 물의 전기 분해 : 에너지 필요
③ 수소-산소 연료전지 : 우주 왕복선, 수소 자동차
(－)극 산화 반응 : 2H2(g) +4OH-(aq) → 4H2O(l) +4e-
(＋)극 환원 반응 : 2H2O(l) +O2(g) + 4e- → 4OH-(aq)
전체 반응 : 2H2(g) +O2(g) → 2H2O(l)
④ 수소의 이용 : 저렴한 비용으로 수소 생산할 수 있고, 안전하게 사용할 수 있는 기술 개발
(7) 바이오 에너지 : 에너지 이용의 대상이 되는 생물체를 총칭 - 바이오 에너지의 근원은 광합 성에의해 저장된 태양 에너지이다.
2) 자원의 재활용
(1) 자원의 재활용
(2) 폐기물의 종류 : 생활 폐기물, 사업장 폐기물
(3) 폐기물 처리 과정과 처리 실태
(4) 폐기물 문제 해결
(5) 생활 폐기물의 재활용 - 폐지, 플라스틱, 유리병, 캔
(6) 폐기물 재활용의 역할과 필요성
===================== 끝 ================
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