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화학반응속도론 화학반응의 속도어떤 물질이 소비되는 것보다 생성되는 것이 더 빠를 때, 이 물질은 축적될 것이다. 이 내용을 정량적으로 논하기 위해, 화학반응속도론(chemical kinetics)을 두 가지 측면에서 다룬다. 반응속도란? 그리고 반응속도를 어떻게 측정하는가? 반응속도우리가 집으로부터 58 km 이동하는데 걸릴 시간이 1시간 일 때, 평균 속력은 58 km/hr이다. 평균 속력은 (이동에 소요된 시간)에 대한 (이동한 거리)이다. 이동거리의 범위는 0 km에서 58 km이며, 이동거리의 변화는 △d로 표시한다. 시간 t의 범위는 0 hr에서 1hr이며, 경과시간은 △t로 표시한다. 그렇다면, 평균 속력을 화학반응속도론으로 어떻게 풀어낼까? 화학반응속도는 반응시간에 대한 반응진행정도이다. 우리는 이동거리 .. 2024. 8. 14.
엔트로피와 열역학 제2법칙 자발성가솔린 등의 탄화수소 분자는 산소와 쉽게 반응하여 이산화탄소와 물을 생성한다. 하지만 역반응은 일어나지 않는다; 수증기와 이산화탄소는 공기 중에 늘 존재하지만, 서로 반응하여 가솔린을 만들진 않는다. 우리는 이 반응의 방향을 자연스럽게 알고 있다. 무엇이 이런 방향을 제시하는가? 그럼, 화학반응이 실제 일어날지를 예측할 수 있는 양적모델을 어떻게 만들 수 있을까? 자발적 과정일반적으로 우리는 자연의 방향성을 직감으로 알고 있으며, 어떤 일이 “그냥 발생하지”라고 생각한다. 외부의 어떤 개입이 없이도 과정이 진행되는데, 이것을 자발적 과정이라 한다. 하지만 자발적과 비자발적 반응의 차이가 늘 분명하지는 않다. “자발성”을 과정이 빠른 것으로 잘못 이해하지도 한다. 자발적 과정 몇 가지는 매우 빠르나,.. 2024. 8. 13.
에너지와 화학 2 엔탈피차가운 물체는 뜨거운 물체에 의해 데워진다. 이해는 가지만 과학적으로 세심한 검토가 필요하다. 예로, 1 mol의 옥테인(C8H18, octane)이 타면 이산화탄소(기체)와 물(액체)이 만들어진다. 그리고 일정부피조건에서는 5.54 x 103 kJ의 열이 발생한다. 일정압력조건에서는 5.48 x 103 kJ의 열이 발생한다. 두 값은 차이는 30 kJ로 작지만, 수천 몰의 옥테인이 타게 되면, 이 차이는 안전에 매우 중요한 값이 될 수도 있다. 엔탈피의 정의일정부피조건일 때, 내부에너지변화는 열의 흐름(q)과 같다.△E = q + w기체가 팽창할 때, 기체가 주위에 한 일은 P△V이다. 팽창된 기체가 계라면, 기체에 행해진 일은 -P△V이다. 따라서 w = -P△V이다.△E = q - P△V△E .. 2024. 8. 12.
에너지와 화학 에너지에너지의 형태에너지는 크게 퍼텐셜에너지와 운동에너지로 나뉜다: 퍼텐셜에너지(potential energy)는 물체의 상대적 위치와 관련된다. 예로, 롤러코스터는 첫 번째 슬로프 위로 끌어올려지면 퍼텐셜에너지를 갖는데, 지상에서 상대적으로 높은 위치로 올라가면 중력이 롤러코스터를 아래로 끌어당기기 때문이다. 하지만 물체의 위치와 관련된 에너지는 중력에 의한 것만은 아니다. 전기를 띤 전하 사리의 인력과 척력에 의해서도 퍼텐셜에너지가 생긴다. 반면 운동에너지(kinetic energy)는 운동과 관련된 에너지로, 롤러코스터가 첫 번째 슬로프에서 아래로 향할 때, 퍼텐셜에너지는 운동에너지로 바뀐다. 롤러코스터는 거시적 수준에서 다룬 에너지의 예이고, 미시적 수준에서는 원자와 분자가 될 것이다. 원자와 분.. 2024. 8. 11.
분자와 물질 2 응축상태 - 액체액체와 고체의 중요한 차이점은 원자나 분자의 움직임이 액체가 더 크다는 것이다. 고체의 경우, 각 입자의 평균위치는 크게 변하지 않는다. 반면, 액체의 경우 움직임이 자유롭기 때문에, 끊임없이 움직인다. 액체는 물질을 녹일 수 있는 용매로 쓰이는데, 용해된 입자들은 액체처럼 움직임 이 가능해진다. 이로 인해 용해된 입자들은 용해된 다른 물질을 만나, 화학반응을 일으킬 수 있다. 이 장에서는 액체의 물리적 성질에 대해 알아본다. 증기압소나기 후의 물웅덩이는 물이 끓지도 않았는데 사라진다. 물웅덩이의 증발은 증기압으로 알려진 현상으로, 증기압(vapor pressure)은 밀폐된 용기 안의 순수액체와 평형을 이룬 물질의 기체상 압력이다. 특정 온도에서의 특정 물질의 특성이다. 웅덩이는 더운 .. 2024. 8. 9.
분자와 물질 응축상태 - 고체대부분의 원소는 표준온도와 압력에서 고체상태이다. 응축상태(condensed phase=고체 +액체)는 왜 안정할까? 해답은 원자들과 분자들 사이에 작용하는 힘에 있으며, 응축상의 구조를 통해 서도 그들의 안정성을 이해할 수 있다. 미시적 관점에서 볼 때, 고체나 액체가 기체보다 원자나 분자들로 더 촘촘하게 채워져 있다. 원자나 분자가 고체상태에서 배열되는 방식으로, 고체를 두 가지로 분류할 수 있다. 대부분의 물질은 규칙적이고 반복되는 기하학배열을 갖는데, 이들 물질을 결정질 고체 (crystalline solid)라 한다. 무작위 배열을 가진 고체를 비결정질 고체(amorphous solid)라 한다. 규칙적인 배열이 연구하기가 더 쉽기 때문에, 결정질 고체가 더 많이 알려져 있다. .. 2024. 8. 8.
화학결합과 분자구조 2 전기음성도와 결합극성화합물의 화학적 성질을 이해하기 위해서는, 이온결합과 공유결합을 알아야 한다. 생체물질인 hydroxyapatite, Ca10(PO4)6(OH)2는 이온결합과 공유결합, 모두를 갖고 있다. 어느 결합이 이온결합이 될지, 공유결합이 될지 어떻게 예상할 수 있을까? 전기음성도와 결합극성에 대해 알아보도록 하자. 공유결합에서 전자의 공유와 이온결합에서 전자의 이동은 결합연속체의 두 말단을 의미한다. 전기음성도금속과 비금속의 이온결합에서는, 하나 이상의 전자들이 금속에서 비금속으로 이동한다. 금속에 비해, 비금속이 상대적으로 전자를 더 많이 끌어당긴다. 공유결합에서는, 크기는 작으면서 전자 친화도가 큰 비금속원자들이 전자를 끌어당기는 힘이 세다. 공유결합에서 공유 전자에 대한 원 자의 인력을.. 2024. 8. 7.
화학결합과 분자구조 이온결합모든 화학결합은 반대 전하를 가진 입자들 간의 인력에 의한 것이다. 가장 간단한 예가 이온결합인데, 반대 전하의 이온 사이에 정전기적인 인력이 작용한다. 이 성분 이온화합물은 금속과 비금속 간에 형성되는 화합물로, 두 원소의 금속성이 차이가 클수록 화합물은 이온성을 갖기 쉬워진다. 이온화합물은 주기율표에서 멀리 떨어져 있는 원소들이 결합된 것이다: 왼쪽에 위치한 금속과 오른쪽에 위치한 비금속. 이온화합물을 좀 더 이해하기 위해, 다음 질문에 대해 답해보자.금속원소는 양이온을 형성하고, 비금속원소는 음이온을 형성한다. 왜?이온 간의 인력에너지가 이온형성에 필요한 에너지를 어떻게 보상하는가?이온반경은 음이온과 양이온 간의 결합세기에 어떤 영향을 미치는가? 양이온의 형성이온화에너지와 전자친화도에서, 이.. 2024. 8. 6.
주기율표와 원자구조 2 파울리 배타원리와 전자배열원자의 구조를 다른 양자역학모델에 따르면, 전자는 원자의 특정 오비탈을 차지한다고 되어 있다. 각각의 원소들에 대한 원자의 화학적 거동을 이해하기 위해, 전자가 오비탈에 분포하는 방법을 이해할 필요가 있다. 얼마나 많은 전자들이 오비탈을 차지할 수 있을까? n, l, ml의 양자수 값에 특정 규칙이 있듯이, ms 양자수도 제한이 필요하다. 파울리의 배타 원리는 원자 안의 두 전자는 같은 양자상태를 가져서는 안 된다고 기술하고 있다. 두 전자의 n, l, ml 값이 같다면, 스핀양자수(ms)가 달라야 한다. 이 원리의 핵심은 두 전자가 같은 오비탈을 차지할 수 없음이다. 두 전자가 같은 오비탈을 차지할 경우, 두 전자는 쌍을 이룬 스핀(pin paired)이어야 하며, 하나는 스핀.. 2024. 8. 5.
주기율표와 원자구조 전자기파 스펙트럼빛이라 하면 단순히 가시광선 (visible light)을 생각한다. 우리 눈이 감지하는 빛은 전자기파 스펙트럼(electromagnetic spectrum)의 일부로, 밝게 빛나는 전구에서도 방출된다. 전자기 방사선에는 가시광선 이외에도 라디오파, 마이크로파, X-선이 있다. 전자기(electromagnetic)라는 단어는 빛의 성질에서 유래한 것이다. 예로부터 빛이란, 공간을 이동하는 파동(wave)으로 여겨졌는데, 공간의 한 성분은 전기장이고 다른 성분은 자기장이다. 빛의 파동성을 이해하기 위해 파동의 성질을 알아보도록 하자. 빛의 파동성빛의 많은 특성들이 파동의 성질로 설명되는데, 파동은 파장, 진동수, 속도, 진폭으로 정의된다. 파장(wavelength)은 같은 위상을 가진 서로.. 2024. 8. 4.
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