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Chapter 3 Lecture INTRODUCTORY CHEMISTRY Concepts and Critical Thinking Seventh Edition by Charles H. Corwin Chapter 3 Matter and Energy © 2014 Pearson Education, Inc. 물질 • 물질(Matter)은 질량을 가지고 부피를 차지한다. • 물질은 3가지 물리적 상태로 존재한다: – 고체solid – 액체liquid – 기체gas 고체 상태 • 고체에서 물질의 입자들은 견고하게 응집 되어 있다. • 고체는 일정하고 정형화된 모양을 가지고 있다. • 고체는 압축될 수 없고, 일정한 부피를 가 지고 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 모 양을 띤다. • 액체는 압축될 수 없으며 일정한 부피를 가진다. • 액체는 기체보다는 적은 에너지를 가지나 고체보다는 큰 에너지를 가진다. 기체 상태 • 기체에서 물질의 입자들은 공간을 넓게 차 지하며 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 상태 로 존재한다. • 물은 0 °C 밑에서 고체로 존재하고; 0 °C와 100 °C 사이에서는 액체; 100 °C 이상에서 는 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(융해 된다). • 액체가 고체로 변화하는 경우, 이를 응고 (freezing)라고 한다. • 물질은 온도가 내려감에 따라 언다(응고된 다). 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 승 화(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 온도 증가 물 얼음 기화 융해 고체 응고 수증기 액체 승화 침적(승화) 응축(액화) 기체 물질의 분류lassifications of Matter • 물질은 두 종류로 나눌 수 있다: – 혼합물 mixtures – 순물질 pure substances • 혼합물은 하나 이상의 물질로 구성되어 있으며, 요소 물질들로 물리적으로 분리 될 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 가 진다. – 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 물 질 물리적으로 순물질 혼합물 분리 화학적으로 불균일 균일 화합물 원소 분리 원소의 발생 • 자연 상에는 100개 이상의 원소들이 있다; 이 원소들 중 81개는 안정하다. • 오직 10개의 원소가 지각地穀, 물, 대기의 질량 의 95%를 차지한다: 인체의 원소 • 산소는 지각과 인체 내의 가장 일반적인 원소이다. • 규소(silicon)는 지각에서 두 번째로 많은 원소이고, 인체에서는 탄소(carbon)가 두 번째로 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 유 래되었다. – 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 라 틴 이름으로부터 유래되었다. 금 – Au 나트륨 – Na 은 – Ag 안티몬 – Sb 구리 – Cu 주석 – Sn 수은 – Hg 철 – Fe 포타슘 – K 아연– Zn 탐색: Aluminum or Aluminium? • 대부분의 금속은 이름 끝에 –ium을 가진다. • 하지만 원소 #13은 미국, 캐나다에서는 알루 미넘, 그리고 나머지 국가에서는 알루미늄으 로 불린다. • 다른 철자는 미국과 캐나다에 만연된 철자 오 류로부터 온 것이란 생각이 든다. • 공식적인 IUPAC 명칭은 “aluminium”이다; 하 지만 1993년에 IUPAC는 “aluminum”도 인정 했다. 원소의 종류 • 원소를 3가지로 나눌 수 있다: – 금속 metals – 비금속 nonmetals – 반금속 semimetals 또는 metalloids • 반금속은 금속과 비금속 사이의 중간 성 질을 갖는다. 금속의 성질 • 금속은 전형적으로 높은 용융점과 고밀도 를 가진 고체이며, 밝은 금속 광택을 낸다. • 금속은 열과 전기의 좋은 전도체이다. • 금속은 두드려 얇게 펼 수 있으며 이를 전 성malleable이라고 한다. • 금속은 가느다란 철사로 뽑을 수 있으며, 이를 연성ductile이라고 한다. 비금속의 성질 • 비금속은 전형적으로 낮은 용융점을 가지 며, 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 표 3.4 원소의 주기율표 • 각 원소는 그것을 확인하는 숫자를 부여받 았는데, 이를 원자 번호(atomic number) 라고 한다. • 수소는 1; 헬륨은 2; 우라늄 92까지. • 원소는 주기율표 상에서 원자 번호에 의해 서 나열되어 있다. 주기율표 금속, 비금속, 반금속 • 금속은 주기율표의 왼편에, 비극속은 오른편 에, 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 일 고 있다. • IUPAC는 새로운 원소에 이름을 부여한다. • Until IUPAC가 이름을 부여할 때까지 원소는 숫자에 대한 라틴어 접두사에 어미 –ium를 붙 여 명명된다. – 그러므로 원소104는 unnilquadium이다. 일정 성분비의 법칙 • 일정 성분비의 법칙(law of definite composition)이란 “화합물은 항상 질량 중에 일정한 비율로 같은 원소들을 포함한 다.” • 그 근원이 무엇이든 간에 물은 항상 질량 중 11.2%의 수소와 88.8%의 산소로 이루 어져 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 아래첨자 로 표시된다. • 어떤 화합물에서 오직 하나의 원자만 있다 면 ‘1’은 사용하지 않는다. • 비타민 니아신의 분자는 6개의 탄소 원자, 6개의 수소 원자, 2개의 질소 원자, 1개의 산소 원자를 가지고 있다. 화학식은 어떻 게 되는가? 화학식 해석 • 일부 화학식은 원자의 구성을 확실히 하기 위해 괄호를 사용한다. • 부동액의 요소인 에틸렌 글리콜의 화학식 은 C2H4(OH)2이다. 2개의 탄소 원자, 4개 의 수소 원자, 2개의 OH 단위가 있으며, 총 6개의 수소 원자와 2개의 산소 원자가 있 다. 에틸렌 글리콜에는 원자가 모두 몇 개 가 있는가? • 에틸렌 글리콜에는 총 10개의 원자가 있다. 물리적 성질과 화학적 성질 • 물리적 성질(physical property)은 그 구 성의 변화가 없는 순물질의 특징이다. • 물리적 성질은 외형, 녹는점, 끊는점, 밀도, 전도성, 물리적 상태를 포함한다. • 화학적 성질은(chemical property ) 순물 질의 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 변화 도 포함한다. • 화학변화(chemical change)는 화학 반응 이다. • 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 소멸 되지 않는다. 질량 보존의 예 • 1.0 gram의 수소가 8.0 gram의 산소와 결 합하면, 9.0 gram의 물이 생성된다. • 결론적으로 3.0 gram의 수소와 24.0 gram 의 산소가 결합하여 27.0 gram의 물이 생 성된다. • 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 저장 된 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 최고의 위치 에너지 최소의 운동 에너지 운동 에너지 증가 KE, 온도 및 물리적 상태 • 모든 물질은 그 물리적 상태가 어떠하던 간에 운동에너지를 가진다. • 고체는 가장 작은 운동에너지를 가지며, 기체 는 가장 큰 운동에너지를 가진다. • 물질의 온도가 증가함에 따라, 운동에너지도 증가한다. 표 3.7 입자의 성질과 물리적 상태 입자의 성질 고체 액체 기체 운동 에너지 매우 작다 크다 매우 크다 이동 없음 제한적임 제한 없음 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: 1. 열 2. 빛 3. 화학 4. 전기 5. 기계 6. 핵 에너지 변화와 화학 변화 • 화학변화에서 에너지는 하나의 형태에서 다른 형태로 변환된다. 예를 들면: 에너지 흡수 수소 기체+산소 기체 물+전기 에너지 수소 기체+산소 기체 물+열 에너지 에너지 방출 에너지 보존 법칙은 다음과 같다: 흡수된 전기 에너지 = 방출된 열 에너지 탐색: 더 낮은 가솔린 값 • 비용 측면에서 차가운 아침에 기름을 넣는 것 이 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 정하다는 것을 나타낸다. 일 Chapter Summary • 물질은 세가지 물리적 상태로 존재한다: 1. 고체 2. 액체 3. 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, 한두자 로 된 기호를 가지고 있다. • 원소는 금속, 비금속, 반금속으로 분류된다. Chapter Summary, Continued • 물리적 변화는 물리적 상태나 모양의 변화 이다. • 화학변화는 물질의 화학적 조성에 있어서 변화한 것이다. • 질량과 에너지 모두 화학변화와 물리적 변 화에서 변환될 수 있다.