제 7장 화학반응

 

7-1 화학반응식

화학반응에서 무슨 일이 일어났는지 어떻게 보여줄 수 있을까?

* 화학반응식(chemical equation): 원소의 기호와 화합물의 화학식을 사용하여 화학반응을 표시하는 것

사진: 우주선의 연료전지

* 수소와 산소가 결합하여 물이 생성하고 이때 많은 열이 발생한다

                 H + O → H2O

  왼쪽: 반응물(reactant),  오른쪽: 생성물(product),   +: 결합한다,    →: 생성한다

표 7-1 화학반응식의 기호

  수소와 산소는 정상적인 조건하에서 이원자분자이다

              H2 + O2 → H2O

반응식이 질량보존과 어떤 관계가 있는가?

질량은 창조되지도 않고 파괴되지도 않는다(질량보존의 법칙)

  → 균형반응식(balanced equation): 반응식의 양쪽에 있는 원자의 수와 원자의 종류가 서로 같아야만

      된다

아래첨자를 바꾸어 반응식의 균형을 맞출 수 있는가?

  → 분자식 앞에 계수를 도입하여 맞춘다

            2H2 + O2 → 2H2O

 → 반응조건하의 반응물과 생성물의 물리적 상태를 표시

  → 각 물질의 화학식 뒤의 괄호 안에 쓴다

           2H2(g) + O2(g) → 2H2O(g)

  "기체 수소 두 분자가 기체 산소 한 분자와 반응해서 두 분자의 액체 물을 생성한다"

그림 7-1 질소와 수소로부터 암모니아의 생성

* 균형반응식에 관한 요점

  (1) 화합물의 아래첨자는 고정되어 있어 반응식을 균형잡기 위해서 바꿀 수 없다

  (2) 사용된 계수는 가능한 최소의 정수이다

  (3) 계수는 화학식의 모든 수를 곱한다

       예) 2K2SO4 : K원자 4개,  S원자 2개,  O원자 6개

반응식을 균형되게 하는데 도움을 주는 지침이 있는가?

* 반응식을 균형되게 하는 규칙

 (1) 수소 또는 산소보다는 먼저 다른 원소를 고려하는 것이 가장 쉽다

     → 수소와 산소이외의 다른 원소를 가장 많이 포함하고 있는 화합물에 초점을 맞춘다

     → 다원자 이온이 반응식의 양쪽에서 변하지 않으면 한 단위로 간주

 (2) 수소와 산소를 제외한 다른 모든 원소가 균형되게 한다

 (3) 그 다음 수소의 균형을 맞추고 난 뒤에 산소의 균형을 맞춘다

     → 반응식에서 한 원자로 된 분자를 제일 나중에 균형 맞춘다

 (4) 모든 원소의 원자가 균형되고, 계수는 가장 작은 정수비로 나타내었는지 확인

     → 균형반응식에 분수가 있으면 분모수를 곱하므로 정수로 만든다

 

예제 7-2 아래의 반응식이 균형되게 하라

       B2H6(g) + H2O(l) → H3BO3(aq) + H2(g)

  B, O, H 순으로

      B2H6(g) + 6H2O(l) → 2H3BO3(aq) + 6H2(g)

 

예제 7-3 다음 반응식이 균형되게 하라

      C3H8O(l) + O2(g) → CO2(g) + H2O(l)

    2C3H8O(l) + 9O2(g) → 6CO2(g) + 8H2O(l)

 

7-2 연소, 결합 및 분해반응

연소반응의 필수 원소는 무엇인가?

 

연소반응

* 원소 또는 화합물이 원소상태의 산소(O2)와 결합하는 것

  → 보통 불꽃을 수반하며 발열반응이다

             C(s) + O2(g) → CO2(g)

           4Al(s) + 3O2(g) → 2Al2O3(s)

       CH4(g) + 2O2(g) → CO2(g) + 2H2O(l)

사진: 글루코스 대사

      C6H12O6(aq) + 6O2(g) → 6CO2(g) + 6H2O(l)

      2C8H18(l) + 17O2(g) → 16CO(g) + 18H2O(l)

 

결합반응

어떤 형태의 반응이 단 하나의 생성물만을 형성하는가?

그림 7-2 결합반응 또는 연소반응

    2Mg(s) + O2(g) → 2MgO(s)

    2Na(s) + Cl2(g) → 2NaCl(s)

    C(s) + O2(g) → CO2(g)

    CaO(s) + CO2(g) → CaCO3(s)

 

분해반응

* 한 화합물이 두가지 이상의 원소 또는 더 간단한 화합물로 분해

그림 7-3 분해반응

   H2CO3(aq) → H2O(l) + CO2(g)

   2HgO(s) → 2Hg(l) + O2(g)

   CaCO3(s) → CaO(s) + CO2(g)

   2KClO3(s) → 2KCl(s) + 3O2(g)

 

7-3 물에서 이온의 형성

소금을 물에 넣으면 어떤 일이 발생할까?

그림 7-4 가용성 화합물

* 식염: 물에 용해(가용성, soluble)

   분필가루: 물에 용해되지 않음(불용성, insoluble), 가라앉음

* 용액(solution) = 용질(고체, 액체, 기체) + 용매(액체)

* 이온성 화합물

        NaCl(aq) → Na+(aq) + Cl-(aq)

     Ca(ClO4)2(aq) → Ca2+(aq) + 2ClO4-(aq)

* 분자성 화합물

  산(acid): 물에 용해될 때 H+(aq)를 형성하는 것

    약산(weak acid): H+(aq)를 부분적으로 내어놓음, CH3COOH

    강산(strong acid): H+를 완전히 내어놓음, HCl, HBr, HClO4

           HCl(aq) → H+(aq) + Cl-(aq)

          HNO3(aq) → H+(aq) + NO3-(aq)

강산이 이온성 화합물과 공통되는 점은?

 

예제 7-4 다음 화합물들의 수용액을 나타내는 반응식을 써라

  (a) Na2CO3  (b) CaCl2  (c) (NH4)2Cr2O7  (d) HClO4  (e) H2SO4

  (a) Na2CO3(aq) → 2Na+(aq) + CO32-(aq)

  (b) CaCl2(aq) → Ca2+(aq) + 2Cl-(aq)

  (c) (NH4)2Cr2O7(aq) → 2NH4+(aq) + Cr2O72-(aq)

  (d) HClO4(aq) → H+(aq) + ClO4-(aq)

  (e) H2SO4(aq) → 2H+(aq) + SO42-(aq)

 

7-4 단순 치환반응

그림 7-5 단순치환반응

어떻게 하면 아연을 금처럼 보이게 할 수 있는가?

  Zn(s) + CuCl2(aq) → ZnCl2(aq) + Cu(s)

  Mg(s) + 2HCl(aq) → MgCl2(aq) + H2(g)

  2Cr(s) + 3Pb(NO3)2(aq) → 3Pb(s) + 2Cr(NO3)3(aq)

* ① 분자반응식: 모든 반응물과 생성물을 중성화합물로 나타낸다

            Zn(s) + CuCl2(aq) → ZnCl2(aq) + Cu(s)

   ② 전체 이온반응식: 반응물과 생성물중 용매내에서 이온으로 될 수 있는 것은 모두 이온으로 나타낸다

        Zn(s) + Cu2+(aq) + 2Cl-(aq) → Zn2+(aq) + 2Cl-(aq) + Cu(s)

   ③ 알짜 이온반응식: 주 반응 즉 실제로 반응이 일어나는 것  = 전체이온반응식 - 구경꾼이온(Cl-)

          → 구경꾼(spectator) 이온: 반응식 양쪽에 똑같이 존재하며 반응과 관련이 없는 이온

                Zn(s) + Cu2+(aq) → Zn2+(aq) + Cu(s)

그림 7-6 황산아연 용액내의 구리

              Zn2+(aq) + Cu(s) → Zn(s) + Cu2+(aq) (no reaction)

* 활성도 서열(activity series): 수용액에서 한 금속이 다른 금속을 치환할 수 있는 능력이 감소하는

     순서로 나타낸 것(이온화 경향성)

표 7-2 활성도 서열

* 위의 금속이 아래 모든 금속을 치환한다. 즉, 이온화경향성이 더 크다

사진: thermite 반응

* thermite 반응: 많은 반응열로 인해 생성된 철이 용융되어 용접에 이용

          2Al(s) + Fe2O3(s) → Al2O3(s) + 2Fe(l)

* 도금     Ni(s) + 2Ag+(aq) → 2Ag(s) + Ni2+(aq)

 

예제 7-5 다음 반응이 일어난다면, 균형잡힌 분자반응식, 전체이온반응식, 그리고 알짜이온반응식을 써라

  (a) 주석띠가 AgNO3 수용액에 담궈져 있다

        분자반응식: Sn(s) + 2AgNO3(aq) → 2Ag(s) + Sn(NO3)2(aq)

        전체 이온반응식:  Sn(s) + 2Ag+(aq) + 2NO3-(aq) → 2Ag(s) + Sn2+(aq) + 2NO3-(aq)

        알짜 이온반응식:  Sn(s) + 2Ag+(aq) → 2Ag(s) + Sn2+(aq)

  (b) 은띠가 과염소산 수용액에 담궈져 있다

        반응이 일어나지 않는다

 

7-5 이중치환반응 - 침전

어떤 이온성 화합물이 불용성인가?

표 7-3 이온성 화합물의 용해도 규칙

 

예제 7-6 표 7-3을 이용하여 다음 화합물의 용해도를 예측하라.

  (a) NaI 가용성   (b) CdS 불용성   (c) Ba(NO3)2 가용성   (d) SrSO4 불용성

 

가용성 화합물로부터 어떻게 불용성 화합물이 생성될까?

그림 7-7 CaCl2와 KNO3의 혼합물

사진: AgNO3 수용액과 NaCl 수용액의 혼합

그림 7-8 AgNO3 수용액과 NaCl 수용액의 혼합

사진: CdS 침전생성

* 반응에 의해 생성된 고체: 침전물(precipitate)

* 침전반응(precipitation reaction):

    두 화합물 용액을 혼합할 때 고체가 형성되는 반응

  ① 분자반응식 AgNO3(aq) + NaCl(aq) → AgCl(s) + NaNO3(aq)

  ② 전체 이온반응식    Ag+(aq) + NO3-(aq) + Na+(aq) + Cl-(aq) → AgCl(s) + Na+(aq) + NO3-(aq)

  ③ 알짜 이온반응식  Ag+(aq) + Cl-(aq) → AgCl(s)

* 귀금속 회수:

  ① 귀금속 침전: 사진 필름(Ag+) → Cl- 첨가로 회수

  ② 귀금속 용해: 불순물은 침전으로 분리

이런 형태의 반응을 어떻게 실제에 응용되는가?

 

예제 7-7  Na2CO3 용액이 CaCl2 용액과 혼합될 때 일어나는 반응을 예측하라

 분자반응식: Na2CO3(aq) + CaCl2(aq) → CaCO3(s) + 2NaCl(aq)

 전체 이온반응식: 2Na+(aq) + CO32-(aq) + Ca2+(aq) + 2Cl-(aq) → CaCO3(s) + 2Na+(aq) + 2Cl-(aq)

 알짜 이온반응식: CO32-(aq) + Ca2+(aq) → CaCO3(s)

 

예제 7-8    KOH 용액이 MgI2 용액과 혼합될 때 일어나는 반응을 예측하라

  분자반응식: 2KOH(aq) + MgI2(aq) → Mg(OH)2(s) + 2KI(aq)

  전체 이온반응식: 2K+(aq) + 2OH-(aq) + Mg2+(aq) + 2I-(aq) → Mg(OH)2(s) + 2KI(aq)

  알짜 이온반응식: 2OH-(aq) + Mg2+(aq) → Mg(OH)2(s)

 

예제 7-9   KBr 용액이 Sr(ClO4)2 용액과 혼합될 때 일어나는 반응을 예측하라

  생성물인 KClO4와 SrBr2가 모두 가용성이기 때문에 아무 반응도 일어나지 않는다

 

7-6 이중치환반응 - 중화

산의 대응물은 무엇인가?

그림 7-9 강산과 강염기

* 강산: 물에서 완전히 이온화되어 H+(aq)와 음이온을 생성한다  : 분자 화합물

   강염기: 물에 용해되어 수산화이온 OH-(aq)을 생성한다 : 이온결합 화합물

              NaOH(aq) → Na+(aq) + OH-(aq)

              Ba(OH)2(aq) → Ba2+(aq) + 2OH-(aq)

산과 염기의 활성 요소들이 혼합되면 무슨 일이 일어날까?

* 중화반응(neutralization): 산과 염기의 반응으로 물과 염을 생성한다

     : 이 반응이 일어날 수 있는 원동력은 물이 생성하는 것이다

* (salt): 염기의 양이온과 산의 음이온으로 생성된다

     → 생성된 염이 가용성이면 구경꾼이온이 되므로 알짜 이온반응식에서 제거된다

* 분자반응식   HCl(aq) + NaOH(aq) → NaCl(aq) + H2O(l)

   전체 이온반응식   H+(aq) + Cl-(aq) + Na+(aq) + OH-(aq)  → Na+(aq) + Cl-(aq) + H2O(l)

    알짜 이온반응식   H+(aq) + OH-(aq) → H2O(l)

 

예제 7-10  다음 중화반응에 대한 분자, 전체 이온, 알짜 이온반응식을 써라

 (a) HClO4와 LiOH

    분자반응식    HClO4(aq) + LiOH(aq) → LiClO4(aq) + H2O(l)

    전체 이온반응식     H+(aq) + ClO4-(aq) + Li+(aq) + OH-(aq)  → Li+(aq) + ClO4-(aq) + H2O(l)

    알짜 이온반응식    H+(aq) + OH-(aq) → H2O(l)

 (b) H2SO4와 KOH

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

   전체 이온반응식   2H+(aq) + SO42-(aq) + 2K+(aq) + 2OH-(aq)

                                                                → 2K+(aq) + SO42-(aq) +2H2O(l)

    알짜 이온반응식   H+(aq) + OH-(aq) → H2O(l)