화학chemistry 에서의 물질(Matter

물질

• 물질(Matter)은 질량을 가지고 부피를 차지한다.

• 물질은 3가지 물리적 상태로 존재한다:

– 고체solid

– 액체liquid

– 기체gas

고체 상태

• 고체에서 물질의 입자들은 견고하게 응집되어 있다.

• 고체는 일정하고 정형화된 모양을 가지고 있다.

• 고체는 압축될 수 없고, 일정한 부피를 가지고 있다.

• 고체는 물질의 세 상태 중에서 가장 적은 에너지를 가지고 있다.

액체 상태

• 액체에서 물질의 입자들은 느슨하게 얽혀 있고 서로 간에 자유롭게 이동한다.

• 액체는 모양이 일정치 않고, 그 용기의 모양을 띤다.

• 액체는 압축될 수 없으며 일정한 부피를 가진다.

• 액체는 기체보다는 적은 에너지를 가지나 고체보다는 큰 에너지를 가진다. 

기체 상태

• 기체에서 물질의 입자들은 공간을 넓게 차지하며 용기 내에 균일하게 분포되어 있다.

• 기체는 형태가 일정하지 않고, 그 용기의 모양을 띤다

• 기체는 압축될 수 있고, 무한정의 부피를 가질 수 있다.

• 기체는 물질의 세가지 상태 중에서 가장 큰 에너지를 가진다.

물질의 물리적 상태

물리적 상태의 변화

• 대부분의 물질은 고체나 액체, 기체 상태로 존재한다.

• 물은 0 °C 밑에서 고체로 존재하고; 0 °C와 100 °C 사이에서는 액체; 100 °C 이상에서는 기체로 존재한다..

• 물질은 온도 변화에 따라 물리적 상태가 변화될 수 있다. 

고체 ↔ 액체 변화

• 고체가 액체로 변화하는 경우, 이를 융해(melting)라고 한다.

• 물질은 온도가 올라감에 따라 녹는다(융해된다).

• 액체가 고체로 변화하는 경우, 이를 응고(freezing)라고 한다.

• 물질은 온도가 내려감에 따라 언다(응고된다).

액체 ↔ 기체 변화

• 액체가 기체로 변화하는 경우, 이를 기화(vaporization)라고 한다.

• 물질은 온도가 올라감에 따라 증발(기화)된다.

• 기체가 액체로 변화하는 경우, 이를 응축                         (condensation)이라 한다.

• 물질은 온도가 내려감에 따라 응축된다.

고체 ↔ 기체 변화

• 고체가 직접 기체로 변화하는 경우, 이를 승화(sublimation)라고 한다.

• 물질은 온도가 올라감에 따라 승화한다.

• 기체가 직접적으로                                     고체로 변화하는 경우,                                   이를 침적(deposition)                                      이라 한다.

• 온도가 내려감에 따라                                물질의 침적(승화)이                                 일어난다.

상태 변화 요약

물질의 분류lassifications of Matter

• 물질은 두 종류로 나눌 수 있다:

– 혼합물 mixtures

– 순물질 pure substances

• 혼합물은 하나 이상의 물질로 구성되어 있으며, 요소 물질들로 물리적으로 분리될 수 있다.

• 순물질은 오직 하나의 물질로 이루어져 있으며, 물리적으로 분리될 수 없다. 

혼합물

• 혼합물에는 두 가지 종류가 있다:

– 균일 혼합물 homogeneous mixtures

– 불균일 혼합물 heterogeneous mixtures

• 균일 혼합물은 전체적으로 균일한 구성을 가진다.

– 소금물은 균일 혼합물이다.

• 불균일 혼합물은 전체적으로 균일한 구성을 가지지 못한다.

– 모래와 물은 불균일 혼합물이다.

순물질

• 순물질에는 두 가지 종류가 있다:

– 화합물 compounds

– 원소 elements

• 화합물은 화학적으로 개개의 원소로 분리될 수 있다.

– 물은 수소와 산소로 분리될 수 있는 화합물이다.

• 원소는 화학 반응에 의해서 더 이상 분해될 수 없다.

물질 요약

원소의 발생

• 자연 상에는 100개 이상의 원소들이 있다; 이 원소들 중 81개는 안정하다.

• 오직 10개의 원소가 지각地穀, 물, 대기의 질량의 95%를 차지한다:

인체의 원소

• 산소는 지각과 인체 내의 가장 일반적인 원소이다.

• 규소(silicon)는 지각에서 두 번째로 많은 원소이고, 인체에서는 탄소(carbon)가 두번째로 풍부한 원소이다. 

원소의 이름

• 각 원소는 고유의 이름을 가진다.

• 이름은 몇 가지 근원들을 가진다:

– 수소(hydrogen)는 그리스어에서 유래

– 탄소(carbon)는 라틴어에서 유래

– 스칸듐은 스칸디나비아에서 유래

– 노벨륨은 Alfred Nobel의 이름에서 유래

– 큐륨(Curium)은 Marie Curie의 이름에서 유래

원소 기호

• 각 원소는 원소 기호를 사용한다.

• 기호는 1 또는 2 글자로 이루어 진다.

• 기호들은 거의 대부분 원소의 이름에서 유래되었다.

– 탄소(carbon)의 기호는 C.

– 카드뮴(cadmium)의 기호는 Cd.

• 기호가 두자인 경우, 첫째 자는 대문자로 두번째 자는 소문자로 한다. 

다른 원소 기호

• 일부 원소들에 대해서 그 화학 기호는 원래 라틴 이름으로부터 유래되었다.

탐색: Aluminum or Aluminium?

• 대부분의 금속은 이름 끝에 –ium을 가진다.

• 하지만 원소 #13은 미국, 캐나다에서는 알루미넘, 그리고 나머지 국가에서는 알루미늄으로 불린다.

• 다른 철자는 미국과 캐나다에 만연된 철자 오류로부터 온 것이란 생각이 든다.

• 공식적인 IUPAC 명칭은 “aluminium”이다; 하지만 1993년에 IUPAC는  “aluminum”도 인정했다.

원소의 종류

• 원소를 3가지로 나눌 수 있다:

– 금속 metals

– 비금속 nonmetals

– 반금속 semimetals 또는 metalloids

• 반금속은 금속과 비금속 사이의 중간 성질을 갖는다. 

금속의 성질

• 금속은 전형적으로 높은 용융점과 고밀도를 가진 고체이며, 밝은 금속 광택을 낸다.

• 금속은 열과 전기의 좋은 전도체이다.

• 금속은 두드려 얇게 펼 수 있으며 이를 전성malleable이라고 한다.

• 금속은 가느다란 철사로 뽑을 수 있으며, 이를 연성ductile이라고 한다. 

비금속의 성질

• 비금속은 전형적으로 낮은 용융점을 가지며, 낮은 밀도와 광택 없는 외형을 갖는다.

• 비금속은 열과 전기의 전도성이 좋지 않다.

• 비금속은 전성이나 연성이 없고, 두드리면 가루로 부서진다.

• 11개의 비금속이 자연에 기체 상태로 있다. 

성질 요약

원소의 주기율표

• 각 원소는 그것을 확인하는 숫자를 부여받았는데, 이를 원자 번호(atomic number)라고 한다.

• 수소는 1; 헬륨은 2; 우라늄 92까지.

• 원소는 주기율표 상에서 원자 번호에 의해서 나열되어 있다. 

주기율표

금속, 비금속, 반금속

• 금속은 주기율표의 왼편에, 비극속은 오른편에, 반금속은 그 사이에 있다. 

원소의 물리적 상태

• 주기율표 상 25 °C에서 원소의 물리적 상태를 보여준다.

생활 화학: 

104번 원소와 그 이후의 원소

• 과학자들은 계속해서 현재 주기율표 이상의 새롭고 더 무거운 원소들을 발견하고 있다.

• 종종 새로운 원소의 명명에 대해서 논란이 일고 있다.

• IUPAC는 새로운 원소에 이름을 부여한다.

• Until IUPAC가 이름을 부여할 때까지 원소는 숫자에 대한 라틴어 접두사에 어미 –ium를 붙여 명명된다.  

– 그러므로 원소104는 unnilquadium이다.

일정 성분비의 법칙

• 일정 성분비의 법칙(law of definite composition)이란 “화합물은 항상 질량 중에 일정한 비율로 같은 원소들을 포함한다.”

• 그 근원이 무엇이든 간에 물은 항상 질량 중 11.2%의 수소와 88.8%의 산소로 이루어져 있다. 

화학식

• 두 개 이상의 비금속 원자로 구성된 단일 입자를 분자(molecule)라고 한다.

• 화학식(chemical formula)은                                  분자 내의 원자 수와 원소를                                   나타낸다.

• 황산의 화학식은        H2SO4이다.

화학식 쓰는 법

• 분자 내 원자의 수는 화학식에서 아래첨자로 표시된다.

• 어떤 화합물에서 오직 하나의 원자만 있다면 ‘1’은 사용하지 않는다.

• 비타민 니아신의 분자는 6개의 탄소 원자, 6개의 수소 원자, 2개의 질소 원자, 1개의 산소 원자를 가지고 있다. 화학식은 어떻게 되는가?

C6H6N2O

화학식 해석

• 일부 화학식은 원자의 구성을 확실히 하기 위해 괄호를 사용한다.

• 부동액의 요소인 에틸렌 글리콜의 화학식은  C2H4(OH)2이다. 2개의 탄소 원자, 4개의 수소 원자, 2개의 OH 단위가 있으며, 총 6개의 수소 원자와 2개의 산소 원자가 있다. 에틸렌 글리콜에는 원자가 모두 몇 개가 있는가?

• 에틸렌 글리콜에는 총 10개의 원자가 있다. 

물리적 성질과 화학적 성질

• 물리적 성질(physical property)은 그 구성의 변화가 없는 순물질의 특징이다.

• 물리적 성질은 외형, 녹는점, 끊는점, 밀도, 전도성, 물리적 상태를 포함한다.

• 화학적 성질은(chemical property ) 순물질의 화학 반응을 설명할 수 있다. 

화학적 성질

나트륨 금속(Na)은 

염소 기체(Cl2)와

반응하여

염화 나트륨(NaCl)을 

생성한다.

물리적 변화와 화학적 변화

• 물리적 변화(physical change)는 물질의 화학적 조성이 변하지 않는 것이다.

• 이는 순물질의 물리적 상태나 모양의 변화도 포함한다.

• 화학변화(chemical change)는 화학 반응이다.

• 시료의 조성이 화학적 변화 동안 변한다. 

화학적 변화의 증거

• 기체 방출 (거품)

• 빛이나 열 에너지의 방출

• 영구적인 색 변화

질량 보존

• 안톤 라부아지에는 화학변화 전에 물질의 질량은 화학변화 후 물질의 질량과 항상 동일하다는 것을 알았다.

• 이것이 질량 보존의 법칙(law of conservation of mass)이다.

• 물체는 화학반응 도중에 생성되거나 소멸되지 않는다.

질량 보존의 예

• 1.0 gram의 수소가 8.0 gram의 산소와 결합하면, 9.0 gram의 물이 생성된다.

• 결론적으로 3.0 gram의 수소와 24.0 gram의 산소가 결합하여 27.0 gram의 물이 생성된다.

• 50.0 gram의 물을 분해하면, 45.0 gram의 산소와 얼마의 수소가 생성되는가?

50.0 g 물 – 45.0 g 산소 = 5.0 g 수소

위치 에너지와 운동 에너지

• 위치 에너지(Potential energy, PE)는 저장된 에너지이다; 위치 에너지는 위치 또는 조성의 결과이다.

• 운동 에너지(Kinetic energy, KE)는 물체가 운동의 결과로서 가지는 에너지이다.

• 에너지는 두 에너지 간 변환이 가능하다.

• 언덕 꼭대기에 있는 표석은 위치 에너지를 가진다; 만약 이 표석을 언덕 아래로 밀면, 위치 에너지는 운동 에너지로 전환된다.

에너지

KE, 온도 및 물리적 상태

• 모든 물질은 그 물리적 상태가 어떠하던 간에 운동에너지를 가진다.

• 고체는 가장 작은 운동에너지를 가지며, 기체는 가장 큰 운동에너지를 가진다.

• 물질의 온도가 증가함에 따라, 운동에너지도 증가한다.

에너지 보존의 법칙

• 물체와 같이 에너지도 생성되거나 소멸될 수 없다. 하지만 하나의 형태에서 다른 형태로 전환될 수는 있다.

• 이것이 에너지 보존의 법칙(law of conservation of energy)이다.

• 6가지 형태의 에너지: 

• 열

• 빛

• 화학

• 전기

• 기계

• 핵

에너지 변화와 화학 변화

• 화학변화에서 에너지는 하나의 형태에서 다른 형태로 변환된다. 예를 들면:

탐색: 더 낮은 가솔린 값

• 비용 측면에서 차가운 아침에 기름을 넣는 것이 나을까 아니면 따뜻한 오후가 나을까?

• 온도와 상관 없이 주입되는 갤런의 양은 항상 같다. 

• 온도가 더 낮을수록, 같은 부피에서 주입되는 가솔린의 질량은 더 커진다.

• 하지만 40°F 와 70°F 사이의 질량 차이는 단지 약 1%이다. 

질량과 에너지 보존의 법칙

• 질량과 에너지는 아인슈타인의 상대성 이론, E = mc2 과 관련된다.

• 질량과 에너지는 교환될 수 있다.

• 질량과 에너지 보존 법칙                                         (law of conservation of mass                           and energy)은 우주에서                                   총 질량과 에너지는                          일정하다는 것을 나타낸다.

Chapter Summary

• 물질은 세가지 물리적 상태로 존재한다:

• 고체

• 액체

• 기체

• 물질은 세가지 상태 사이에서 변환된다.

• 물질은 혼합물이나 순물질이 될 수 있다.

Chapter Summary, Continued

• 순물질은 화합물이거나 원소이다.

• 원소는 주기율표에 정리되어 있다.

• 각 원소는 이름을 가지고 있으며, 한두자로 된 기호를 가지고 있다.

• 원소는 금속, 비금속, 반금속으로 분류된다. 

Chapter Summary, Continued

• 물리적 변화는 물리적 상태나 모양의 변화이다.

• 화학변화는 물질의 화학적 조성에 있어서 변화한 것이다.

• 질량과 에너지 모두 화학변화와 물리적 변화에서 변환될 수 있다.