[일반화학] Chapter 4 - (3)

[3-1] 산화 번호 (Oxidation Number)

: 산화 번호는 화합물에서 각 원자가 가질 수 있는 전하 상태를 나타낸다.

• 이는 화합물 내에서 전자의 이동을 이해하고, 산화·환원 반응을 분석하는 데 중요한 개념이다.

1) 자유 원소의 산화 번호는 0이다.

• 결합되지 않은 상태의 원소들은 산화 번호가 0이다.
  • 예시: Na, O₂, H₂, N₂ 등

2) 단원자 이온에서 산화 번호는 이온의 전하와 같다.

• 단일 원자로 구성된 이온의 산화 번호는 이온의 전하와 같다.
  • 예시:
    • Li⁺ → 산화 번호: +1
    • Fe³⁺ → 산화 번호: +3
    • O²⁻ → 산화 번호: -2

3) 산소의 산화 번호는 일반적으로 -2이다.

• 대부분의 화합물에서 산소는 산화 번호가 -2이지만, 예외도 있다.
  • 예시: H₂O₂(과산화수소)에서 산소의 산화 번호는 -1이다.

4) 수소의 산화 번호는 금속과 결합한 경우를 제외하고 +1이다.

• 일반적으로 수소는 +1이지만, 금속과 결합한 경우는 -1이 된다.
  • 예시:
    • HCl에서 수소의 산화 번호는 +1
    • NaH(수소화 나트륨)에서 수소의 산화 번호는 -1

5) 1족 원소는 +1, 2족 원소는 +2, 플루오린은 -1이다.

• 1족 원소: +1
• 2족 원소: +2
• 플루오린: -1
  • 예시:
    • NaCl에서 Na는 +1, Cl은 -1
    • CaO에서 Ca는 +2, O는 -2

6) 분자 또는 이온의 산화 번호 합은 그 분자 또는 이온의 전하와 같다.

• 모든 원자의 산화 번호 합은 분자의 전하와 일치한다.
  • 예시:
    • H₂O에서 산화 번호의 합: 0 (H: +1 x 2, O: -2 → 총합 0)
    • SO₄²⁻에서 산화 번호의 합: -2 (S: +6, O: -2 x 4 → 총합 -2)

7) 산화 번호는 정수일 필요는 없다.

• 일부 화합물에서 산화 번호는 분수일 수 있다.
  • 예시: O₂²⁻ (과산화물 이온)에서 산소의 산화 번호는 -1/2

[3-2] The Oxidation Numbers of Elements in their Compounds

: 화합물에 포함된 원소의 산화 번호

[ 주요 키포인트 ]

1. 1, 2족은 산화 번호가 항상 고정이다
2. 보통 산소는 산화 번호를 -2로 사용한다.

[4] Type of Oxidation-Reduction Reactions

: 산화-환원 반응의 유형

1) Combination Reaction (조합 반응)

: 두 개 이상의 물질(A, B)이 결합하여 하나의 물질(C)을 형성하는 반응.

• 일반식: A + B -> C
• 예시:
  • 2H₂ + O₂ -> 2H₂O (수소와 산소가 결합하여 물을 형성)

2) Decomposition Reaction (분해 반응)

: 하나의 물질(C)이 분해되어 두 개 이상의 물질(A, B)로 나누어지는 반응.

• 일반식: C -> A + B
• 예시:
  • 2H₂O -> 2H₂ + O₂ (물이 분해되어 수소와 산소가 생성)

3) Combustion Reaction (연소 반응)

: 산소(O₂)와 결합하여 열과 빛을 방출하는 반응. 대부분의 연소 반응은 산화-환원 반응의 일종입니다.

• 일반식: A + O₂ -> B
• 예시:
  • CH₄ + 2O₂ -> CO₂ + 2H₂O (메테인의 연소 반응)

4) Displacement Reaction (치환 반응)

: 하나의 원소(A)가 화합물(BC) 내의 다른 원소(B)를 치환하여 새로운 화합물(AC)과 원소(B)를 생성하는 반응.

• 일반식: A + BC -> AC + B
• 예시:
  • Zn + CuSO₄ -> ZnSO₄ + Cu (아연이 구리를 치환하는 반응)

(1) Hydrogen Displacement (수소 치환)

: 금속이 산과 반응하여 수소를 치환하고, 그 결과 수소가 기체로 방출됩니다.

• 예시:
  • Zn + 2HCl -> ZnCl₂ + H₂ (아연이 염산과 반응하여 수소 기체가 방출)

(2) Metal Displacement (금속 치환)

: 한 금속이 다른 금속 이온을 치환하여 새로운 금속을 생성합니다.

• 예시:
  • Fe + CuSO₄ -> FeSO₄ + Cu (철이 구리 이온을 치환)

(3) Halogen Displacement (할로겐 치환)

: 더 반응성이 큰 할로겐이 다른 할로겐 이온을 치환하는 반응.

• 예시:
  • Cl₂ + 2KBr -> 2KCl + Br₂ (염소가 브로민을 치환)

5) 불균등화 반응 (Disproportionation Reaction):

• 같은 원소가 동시에 산화되고 환원되는 반응이다.
• 예: Cl₂ + 2OH⁻ → ClO⁻ + Cl⁻ + H₂O
• 이 반응에서 Cl의 산화수는 0에서 +1(ClO⁻)과 -1(Cl⁻)로 변화한다.

[5] The Activity Series for Metals

1) 금속의 활성도 계열 (The Activity Series for Metals)

: 금속들의 반응성을 나타내는 순서이다.

• 위쪽에 있는 금속일수록 반응성이 높고, 아래로 갈수록 반응성이 낮아진다.
• Li, K, Ba 등은 차가운 물과 반응하여 수소를 발생시킨다.
• Zn, Cr, Fe 등은 수증기와 반응하여 수소를 발생시킨다.
• Ni, Sn, Pb 등은 산과 반응하여 수소를 발생시킨다.
• Cu, Ag, Au 등은 물이나 산과 반응하지 않는다.

2) 수소 치환 반응 (Hydrogen Displacement Reaction)

• 일반식: M + BC → MC + B (M은 금속, BC는 산 또는 물, B는 수소)
• 예: Ca + 2H₂O → Ca(OH)₂ + H₂
• 반응성이 높은 금속은 물이나 산의 수소를 치환할 수 있다.

[6] The Activity Series for Halogens

: 할로겐의 활성도 계열

• 반응성 순서: F₂ > Cl₂ > Br₂ > I₂
• 왼쪽에 있는 할로겐일수록 반응성이 높다.

1) 할로겐 치환 반응 (Halogen Displacement Reaction)

• 더 반응성이 큰 할로겐이 덜 반응성인 할로겐을 치환합니다.
• 예: Cl₂ + 2KBr → 2KCl + Br₂
• I₂는 가장 반응성이 낮아 다른 할로겐 화합물과 반응하지 않습니다.

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4.5 Concentration of Solutions (용액의 농도)

[1] Solution Stoichiometry (용액 화학량론)

: 용액의 농도는 주어진 양의 용매 또는 용액에 존재하는 용질의 양을 나타냅니다. 농도는 다양한 방식으로 표현될 수 있으며, 일반적으로 몰 농도(Molarity, M)를 사용합니다. 몰 농도는 용액 1리터당 용질의 몰 수로 정의됩니다.

• 일반식:
  M = (용질의 몰 수) / (용액의 부피 (리터))

• 예시: 2몰의 NaCl을 1리터의 물에 녹이면 그 용액의 농도는 2M입니다.

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[2] Dilution (희석)

: 희석은 농도가 높은 용액을 일정량의 용매와 혼합하여 농도가 낮은 용액을 만드는 과정입니다. 희석 과정에서는 용질의 총량은 변하지 않지만 농도가 낮아집니다. 일반적으로 희석 공식은 다음과 같습니다:

• 일반식:
  M₁ V₁ = M₂ V₂

  여기서,

  • M₁: 원래 용액의 몰 농도
  • V₁: 원래 용액의 부피
  • M₂: 희석된 용액의 몰 농도
  • V₂: 희석된 용액의 부피

• 예시: 1M의 NaCl 용액 50mL를 물로 100mL로 희석하면, 새로운 용액의 농도는 0.5M가 됩니다.

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4.6 Gravimetric Analysis (중량 분석)

[1] Gravimetric Analysis (중량 분석법)

: 화학적 분석 방법 중 하나로, 물질의 양을 그 무게를 측정하여 결정하는 방법.

1) 주요 단계

1. 미지 물질을 물에 용해시킨다.
   : 이는 분석하고자 하는 물질을 용액 상태로 만드는 과정이다.
2. 미지 물질을 알려진 물질과 반응시켜 침전물을 형성시킨다.
   : 이 단계에서 분석 대상 이온이 불용성 화합물로 변환된다.
3. 침전물을 여과하고 건조시킨다.
   : 생성된 침전물을 용액으로부터 분리하고, 수분을 제거한다.
4. 침전물의 무게를 측정한다.
   : 정밀한 저울을 사용하여 건조된 침전물의 질량을 측정한다.
5. 화학식과 침전물의 질량을 이용하여 미지 이온의 양은 결정한다.
   : 측정된 질량과 화학량론적 계산을 통해 원래 용액 중 분석 대상 이온의 양을 계산한다.

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