화학Ⅰ(2009)
1. 개요
2009 개정 교육과정 과학교과 중 하나인 화학Ⅰ을 설명하는 문서이다.
2. 상세
이전 교육 과정에서는 기술·가정이라는 오명을 썼을 정도로 화학과 교수들 사이에서 전혀 화학같지도 않은 과목이라 욕을 대차게 먹었다.[1] 이런 설움을 안고 2009개정(14학번~20학번)교육과정에서 대대적인 개편을 통해 '''고등학교 과학 교과 중 가장 개념 있게 바뀐 과목으로 꼽히게 되었다.''' 특히 암기 중심 과목에서 원리와 이해 중심의 일반화학 형태로 바뀌었다. 덕분에 이전 화학Ⅱ에 있던 내용 중 80%가 화학Ⅰ으로 쫓겨난다. ~
4단원의 일부를 제외하고는 모두 1, 2, 3단원이 옛날 화학Ⅱ에서 내려왔다. 옛날 교육 과정에서는 지금의 고1 과학(융합형 과학)처럼 이해 기반이나 원리 없이 서술되었는데, 지금은 원리부터 제대로 가르치는 방식으로 바뀌어 교양적이거나 지식 파트는 소단원의 개념 아래의 1번 정도 위치같이 안습한 처지로 너프당하게 되었다. 예를 들어 할로젠 원소나 금속의 경쟁의 반응성, 탄화수소 파트는 옛날 같았으면 닥치고 암기해야 했지만 지금은 '너무 당연한 거 아니니?'하고 넘길 수 있게 되었기 때문에 이 부분을 쓸데없이 길게 가르치지 않는다.[2]
3. 교과 내용
3.1. I. 화학의 언어
화학을 배우는 데 기본 개념인 원소, 화합물, 원자, 분자, 원자량, 분자량, 몰, 화학 반응식 등의 내용이 나온다. 교육 과정 방침이 이전과 크게 달라졌는데 이전 교육 과정에서는 양자화학(현 화학Ⅰ 2단원 내용에 해당)에 초점이 맞춰졌다면 현재는 양적 관계를 하기 위한 워밍업에 초점이 맞춰져 있다. 2009개정 개편 때 은근 화학공학과 교수들의 입김이 세진 감이 있는데 과학 교과가 전체적으로 공대식으로 바뀌었다. 이 과목의 양적 관계, 화학Ⅱ의 물질 변화와 에너지 물리1의 반도체 파트, 생명 과학Ⅱ의 생명공학 파트 등이 그 결과물이다. 다만 2015 개정 교육과정에선 공대 관련 내용들이 죄다 삭제되어 자연과학스럽게 바뀌게 되었다.
3.1.1. 물질과 과학
- 인류 문명과 화학
철의 제련과 암모니아의 합성이 인류 발전에 얼마나 기여했냐를 가르치는 도입부다. 교양스러운 부분이지만 공무원 시험이나 수능 등에서는 화학 반응식만 중요해진다. 연소 반응은 적정 온도에서 산소와 결합하여 열과 빛을 내는 화학 반응으로 이후 챕터에 나오는 양적 관계의 예시로 자주 등장한다.
- 화학의 언어
여기서의 원소는 화합물과 구분하기 위해 홑원소(원소 한 종류로만 이루어진 물질)만을 가르치는 것에 중점을 두는 경향이 있다. 일반인이 생각하는 그 원소 개념과는 조금 다른데, 그 개념은 2단원에서 배울 수 있으므로 여기서는 '아 그냥 저런 알파벳이 있구나'하고 넘기면 된다. 원자는 한 종류, 하나의 원소로 아루어진 홑원소를 말하며, 분자는 18족 원소를 제외한 원소를 두 개 이상 조합하여 성질을 갖는 입자를 말한다.
3.1.2. 화합물의 조성 및 구조
- 화학식과 몰
원자량은 원소마다 고유한 값을 갖는데 탄소 원자 1g을 12.0(참값)으로 정의한다. 이에 따라 다른 원자들은 모두 근삿값을 취할 수밖에 없게 된다. 가령 산소 원자 1g은 15.9정도의 원자량을 취한다. 문제 영역에서는 편의상 16으로 주어진다. 그러나 이것도 대학에 가면 그냥 '몰 질량'으로 취급한다. 고등학생들에겐 단위가 없다고 가르치고 실제 SI단위계에 존재하지도 않지만 보통 g/mol 또는 amu로 쓴다.
몰(mol)은 그냥 개수를 세는 단위다. 우리가 미시 입자를 하나하나 세는 우를 범하기는 싫기 때문에 6.02×1023개를 하나로 합쳐서 부를 뿐이다. 문제를 풀 때는 그냥 유리수가 나올 수 있는 개수라고 보면 편하다. 더 이상 어려운 건 없고 이 정도만 알면 된다. 처음 접할 때는 너무 심오해서 화학을 포기하는 학생들이 많다고 하지만 연습 문제를 풀다 보면 금세 익숙해진다. 몰은 화학을 떠나서 대학 가면 물리학(열역학)[4], 생명과학[5]등에서 쓰이기 때문에 그냥 여기서 한 번에 제대로 하는 게 낫다.
현 세대 학생들은 믿기 힘들겠지만, 이 몰(mol) 단위 개념은 화학에서의 기초 중의 기초임에도 불구하고 화학Ⅱ에 10년 넘게 있던 내용이다. 이 때문에 대학 와서 몰조차도 모르는 학생들에 딥빡을 받은 교수들이 많았다. 그래서 2009 개편 때 모두가 입을 모아 몰(mol)을 화학Ⅱ로부터 끌어내리는 데 성공하게 되는데... 문제는 이 개념이 교수나 전공자 입장에서나 당연할 뿐이지 학생들이 처음 개념을 정립하는 데 있어 염증을 느낀다는 평이 많다.
[초보자 팁] 몰은 그냥 입자 수로 받아들이면 편하다. 가끔 이 둘을 서로 다른 의미로 오해하는 경우가 있는데 일맥상통하는 말이다. 가령 물 분자 2몰이 있다고 하면 그냥 '아 물 분자가 상대적으로 2개 쯤 있구나'라고 받아들이면 된다. 엄밀히 따지면 1.2×1024개가 있는 것이지만 실험을 할 때나 화학을 하는 사람들 입장에서는 유치하게 그런 걸 세세하게 따져 묻진 않는다. 연습 문제에서도 단위 갖고 장난치지 않는다. 수능 한정으로 아보가드로 법칙을 이용해 부피나 면적을 통제시켜놓고 두 실린더의 높이 갖고 장난치는 경우가 있다.
대부분의 상위권 대학에서는 이걸 어렵게 배우고 왔다고 가정하고 수업한다. 보통 강의 시간에도 쌩까는 경우가 많으므로 고등학교 때 화학Ⅰ을 택하든 않든 제대로 배우고 진학하는 게 낫다. 안 그러면 처참히 화학을 포기할 수도 있다.
몰(mol)은 그냥 개수를 세는 단위다. 우리가 미시 입자를 하나하나 세는 우를 범하기는 싫기 때문에 6.02×1023개를 하나로 합쳐서 부를 뿐이다. 문제를 풀 때는 그냥 유리수가 나올 수 있는 개수라고 보면 편하다. 더 이상 어려운 건 없고 이 정도만 알면 된다. 처음 접할 때는 너무 심오해서 화학을 포기하는 학생들이 많다고 하지만 연습 문제를 풀다 보면 금세 익숙해진다. 몰은 화학을 떠나서 대학 가면 물리학(열역학)[4], 생명과학[5]등에서 쓰이기 때문에 그냥 여기서 한 번에 제대로 하는 게 낫다.
현 세대 학생들은 믿기 힘들겠지만, 이 몰(mol) 단위 개념은 화학에서의 기초 중의 기초임에도 불구하고 화학Ⅱ에 10년 넘게 있던 내용이다. 이 때문에 대학 와서 몰조차도 모르는 학생들에 딥빡을 받은 교수들이 많았다. 그래서 2009 개편 때 모두가 입을 모아 몰(mol)을 화학Ⅱ로부터 끌어내리는 데 성공하게 되는데... 문제는 이 개념이 교수나 전공자 입장에서나 당연할 뿐이지 학생들이 처음 개념을 정립하는 데 있어 염증을 느낀다는 평이 많다.
[초보자 팁] 몰은 그냥 입자 수로 받아들이면 편하다. 가끔 이 둘을 서로 다른 의미로 오해하는 경우가 있는데 일맥상통하는 말이다. 가령 물 분자 2몰이 있다고 하면 그냥 '아 물 분자가 상대적으로 2개 쯤 있구나'라고 받아들이면 된다. 엄밀히 따지면 1.2×1024개가 있는 것이지만 실험을 할 때나 화학을 하는 사람들 입장에서는 유치하게 그런 걸 세세하게 따져 묻진 않는다. 연습 문제에서도 단위 갖고 장난치지 않는다. 수능 한정으로 아보가드로 법칙을 이용해 부피나 면적을 통제시켜놓고 두 실린더의 높이 갖고 장난치는 경우가 있다.
대부분의 상위권 대학에서는 이걸 어렵게 배우고 왔다고 가정하고 수업한다. 보통 강의 시간에도 쌩까는 경우가 많으므로 고등학교 때 화학Ⅰ을 택하든 않든 제대로 배우고 진학하는 게 낫다. 안 그러면 처참히 화학을 포기할 수도 있다.
- 화합물의 조성 및 구조
선 스펙트럼 같은 경우에는 2단원에서 더 중요해지는데, 여기서는 그냥 원소마다 고유한 선 스펙트럼이 나타난다는 것만 알아두면 된다. 이렇듯이 어떤 미지의 화합물이 '어떤 원소들로', '어떤 비율(질량백분율)로' 이루어져있는지 탐구한다. 이러한 탐구 과정을 원소 분석이라고 한다. 참고로 이 교과 과정에서는 탄화수소나 탄소화합물로 이루어진 화합물을 분석하는 데 중점을 둔다. 여기서 이전에 배운 분자량, 몰 수, 질량 관계를 자유자재로 활용할 수 있는 능력이 필요하다. 이 과정에서 실험식이라는 개념은 그 물질이 어떠한 개수 비(몰)로 조성되어 있는지 한 눈에 알 수 있다.
[실전 스킬] 특히 이 쪽 문제를 풀 때 '같은 질량 당~' '1g 당~'이라는 발문이 참 많이 등장한다. 특히, 이러한 발문이 탄화수소와 엮어서 문제에 등장하는 경우가 많다. 아래의 내용을 참고하여 같은 질량 당 질량 변화를 외워두면 문제 풀 때 속도를 높일 수 있다.
> * $$ {H \over C} $$값이 증가할 수록 수소( $$ H_{2}O $$ )관련 수, 질량이 증가하고, 산소 관련 수, 질량이 증가하고, 탄소( $$ CO_{2} $$ )관련 수, 질량은 감소한다.[6]
> * 탄화수소에서 실험식이 같을 때는 같은 질량(1g) 안에 들어 있는 $$ C, H, O_{2} $$ 원자의 수, 총 원자의 수는 동일하다.
탄화수소 문제는 질량 관련 문제로 많이 나오기 때문에 화학식의 적용이 자유로워야 하며 강철 용기에서의 질량과 몰수 비교도 상당히 중요하니 위의 내용을 꼭 새기길 바란다.
[실전 스킬] 특히 이 쪽 문제를 풀 때 '같은 질량 당~' '1g 당~'이라는 발문이 참 많이 등장한다. 특히, 이러한 발문이 탄화수소와 엮어서 문제에 등장하는 경우가 많다. 아래의 내용을 참고하여 같은 질량 당 질량 변화를 외워두면 문제 풀 때 속도를 높일 수 있다.
> * $$ {H \over C} $$값이 증가할 수록 수소( $$ H_{2}O $$ )관련 수, 질량이 증가하고, 산소 관련 수, 질량이 증가하고, 탄소( $$ CO_{2} $$ )관련 수, 질량은 감소한다.[6]
> * 탄화수소에서 실험식이 같을 때는 같은 질량(1g) 안에 들어 있는 $$ C, H, O_{2} $$ 원자의 수, 총 원자의 수는 동일하다.
탄화수소 문제는 질량 관련 문제로 많이 나오기 때문에 화학식의 적용이 자유로워야 하며 강철 용기에서의 질량과 몰수 비교도 상당히 중요하니 위의 내용을 꼭 새기길 바란다.
3.1.3. 화학 반응식과 양적 관계
- 화학 반응식
고등학교 수준에서의 화학 반응식은 더하기 연산과 화살표 연산으로만 나타낸다. 반응물질끼리 덧셈으로 이어주고 오른쪽 방향 화살표로 생성 물질을 표현해주는 방식이다. 이 부분에서는 계수를 맞추는 것이 중요하다. 정말 복잡한 화학 반응식의 계수를 맞출 때 필살기로 쓰는 것이 미정계수법이 있다. 다만 고등학교 교육 과정에서는 간단한 화학 반응식만 다루기 때문에 미정계수법이나 방정식을 사용할 정도로 복잡한 연습 문제는 없다. 가끔 열에너지가 필요한 경우에는 화살표 밑에 정삼각형을 표시하기도 한다.
- 양적 관계
현재 14학번 학생들 이후로 새로 추가된 내용이다. 98학번부터 13학번이 배우던 화학에서는 이 부분을 다루지 않았다. 교수들이 거진 15년 만에 부활시켜 수능이나 PEET 시험을 준비하는 수험생들을 괴롭히고 있다. 피라미드 꼭대기에 있는 개념이다 보니 사고력을 요하는 문제로 꼬아 낼 수 있는 핵덩어리기 때문에 시험 영역에서는 고난도의 중추핵으로 떠오른다.
[초보자 팁] 화학 반응식의 계수는 몰 수와 등치시킬 수 있다.(즉, 화학 반응식의 계수와 몰 수는 비례 관계가 성립한다.) 다만 일정 성분비 법칙(질량)과는 등치시킬 수 없다.(다시 말해, 질량과는 비례 관계가 성립하지 않는다.) 그 이유는 원자량에 따라 질량이 달라질 수 있기 때문이다. 화학공학과에 들어가면 맨날 하는 양적관계가 여기에 해당한다.
[실전 스킬] 탄화수소를 연소시킬 때는 많은 인강 사이트와 문제집에서 다음의 제시된 반응식을 외우라고 권장한다. $$ C_{m}H_{n} + (m+{n \over 4})O_{2} \rightarrow mCO_{2}+{n \over 2}H_{2}O $$ 외워두자. 또한, 앞의 식에서 반응 전의 몰 수가 반응 후의 몰 수보다 클 경우엔 $$ n<4 $$, 작을 경우엔 $$ n>4 $$, 같을 경우엔 $$ n=4 $$[8]라는 사실도 학교 선생님들을 비롯하여 많은 선생님들이 알려주는 대표적인 스킬이니 암기해 두자.
[초보자 팁] 화학 반응식의 계수는 몰 수와 등치시킬 수 있다.(즉, 화학 반응식의 계수와 몰 수는 비례 관계가 성립한다.) 다만 일정 성분비 법칙(질량)과는 등치시킬 수 없다.(다시 말해, 질량과는 비례 관계가 성립하지 않는다.) 그 이유는 원자량에 따라 질량이 달라질 수 있기 때문이다. 화학공학과에 들어가면 맨날 하는 양적관계가 여기에 해당한다.
[실전 스킬] 탄화수소를 연소시킬 때는 많은 인강 사이트와 문제집에서 다음의 제시된 반응식을 외우라고 권장한다. $$ C_{m}H_{n} + (m+{n \over 4})O_{2} \rightarrow mCO_{2}+{n \over 2}H_{2}O $$ 외워두자. 또한, 앞의 식에서 반응 전의 몰 수가 반응 후의 몰 수보다 클 경우엔 $$ n<4 $$, 작을 경우엔 $$ n>4 $$, 같을 경우엔 $$ n=4 $$[8]라는 사실도 학교 선생님들을 비롯하여 많은 선생님들이 알려주는 대표적인 스킬이니 암기해 두자.
3.2. II. 개성 있는 원소
이 단원의 모든 내용은 7차 교육과정의 화학Ⅱ에서 내려온 것들이다. 예전엔 이 교과서의 3단원 내용과 합쳐져 있던 파트였는데 개정되면서 분리되었다. 이 중 원자의 구조 파트는 사실상 맨 앞 챕터에 배치해야 할 챕터이고, 역시나 다음 교육 과정에선 1단원 맨 앞으로 이사간다.
3.2.1. 원자의 구조
- 원자를 구성하는 입자
톰슨의 음극선 실험을 통해 전자를 발견할 수 있었다는 것을 배운다. 여기에 심화로 골트슈타인이 진공 음극선관에 방대한 에너지를 가해 수소 기체를 프로톤과 전자로 분해시켜 양극선이라는 것도 발견한다. 참고로 수소 이온과 양성자는 서로 같은 애다. 이후 러더퍼드라는 물리학자의 알파 입자 산란 실험으로 원자핵의 존재를 알게 되었는데, 원자 내부에 밀도가 매우 크고 양전하를 띠는 원자핵이 있다고 주장하였다. 알파 입자는 전자를 모두 탕진한 헬륨 이온으로만 이루어져 있는데 러더퍼드는 이것이 원자핵과 큰 반발력을 일으켜 튕겨나간다는 것에서 그 실마리를 풀었다고 한다.
- 원자 번호와 질량수
원자 번호가 왜 그렇게 매겨지는지를 알 수 있다. 기준은 양성자 수. 그리고 중성자 수까지 더한 자연수를 질량수라고 한다. 앞서 배운 원자량과 질량수는 서로 다른 개념이다. 둘 다 질량을 나타내는 수지만 원자량은 실제 질량을 상대적으로 나타낸 수치고, 질량수는 그냥 양성자 수와 중성자 수의 합이다. 여기서 동위 원소 분석은 개정 교육 과정에서 강조하고 있는 부분.
- 원자 내의 힘, 원소의 기원
핵력, 빅뱅, 쿼크 등 물리학에서 친숙한 용어들이 나오는데 원소라는 게 알고 보면 다 하나에서 나온 것들이라는 것만 캐치하면 된다. 다만, 이 부분을 심화 학습 하기보다는 그냥 '아~ 그런 게 있구나'하고 넘기는 게 낫다. 배움의 포커스를 화학보다 교양 물리에 두는 격이라 딱히 도움이 되는 방향은 아니다.
3.2.2. 원자 모형과 전자 배치
- 수소의 선 스펙트럼과 보어 모형
보어 모형에서의 수소 원자 에너지 준위는 양자화학의 가장 밑바탕이다. 보어에 의하면 전자는 모든 공간에 연속적으로 존재하는 게 아니라 가장 안정한 껍질 준위에서만 움직인다는 궤도 이론을 제시하였다(물론 오비탈이 도입되면서 이것도 금이 가 버린다.). 각 껍질은 K(n=1), L(n=2), M(n=3), N(n=4)로 정의하는데 n과 n+1 사이의 간격은 n이 커질수록 좁아지는 경향이 있다.
전자는 에너지를 흡수하면 에너지 준위가 높은 곳으로 올라가 불안정한 상태가 되는데, 다시 안정해지려고 빛을 뿜어내면서 에너지 준위기 낮은 바닥상태로 내려온다. 이때 방출하는 빛 파장이 어느 껍질에서 어느 껍질로 내려오느냐 혹은 어떤 껍질로 올라가느냐에 따라 각기 다르다. 빛은 파장에 따라 자외선, 가시광선, 적외선으로 분류할 수 있는데 고등학교 화학에서는 가시광선을 방출하는 발머 계열을 중점으로 배운다. 종류에는 n=3, 4, 5, 6에서 n=2로 내려올 때 뿜는 파장밖에 없고 각각의 값은 나노미터 단위로 656, 486, 434, 410이다. 물리학적 지식 상 파장은 방출/흡수 에너지와 진동수에 반비례한다는 걸 알아두면 좋다.
에너지 중에서도 물리학(양자역학)은 전위 차에 관심이 있는 반면, 화학에서는 kJ/mol 단위인즉 '입자'에 관심이 있다는 차이가 있다. 수소 원자 1몰을 이온화하는 데 필요한 이온화에너지는 1,312 kJ/mol 정도가 되는데, 이온화 경향은 뒷 챕터인 주기율 파트에서 배운다.
전자는 에너지를 흡수하면 에너지 준위가 높은 곳으로 올라가 불안정한 상태가 되는데, 다시 안정해지려고 빛을 뿜어내면서 에너지 준위기 낮은 바닥상태로 내려온다. 이때 방출하는 빛 파장이 어느 껍질에서 어느 껍질로 내려오느냐 혹은 어떤 껍질로 올라가느냐에 따라 각기 다르다. 빛은 파장에 따라 자외선, 가시광선, 적외선으로 분류할 수 있는데 고등학교 화학에서는 가시광선을 방출하는 발머 계열을 중점으로 배운다. 종류에는 n=3, 4, 5, 6에서 n=2로 내려올 때 뿜는 파장밖에 없고 각각의 값은 나노미터 단위로 656, 486, 434, 410이다. 물리학적 지식 상 파장은 방출/흡수 에너지와 진동수에 반비례한다는 걸 알아두면 좋다.
에너지 중에서도 물리학(양자역학)은 전위 차에 관심이 있는 반면, 화학에서는 kJ/mol 단위인즉 '입자'에 관심이 있다는 차이가 있다. 수소 원자 1몰을 이온화하는 데 필요한 이온화에너지는 1,312 kJ/mol 정도가 되는데, 이온화 경향은 뒷 챕터인 주기율 파트에서 배운다.
- 현대 원자 모형과 전자 배치
오비탈에 대한 상세한 내용은 해당 문서를 참조하기 바라며 여기서는 간단한 내용만을 다룬다. 먼저 s 오비탈은 구형 오비탈인데, 방향성이 없고 모든 껍질에 존재한다. p 오비탈은 L껍질(주양자수 2)부터 며 x, y, z 방향으로 각각 존재한다.
고등학교 과정에서는 오비탈과 전자 배치를 접목시키는 것을 주 타깃으로 배운다. 안정한 전자배치는 쌓음 원리, 파울리의 배타원리, 훈트 규칙에 위배되면 안 되는데, 바닥상태가 아닐 경우에는 파울리의 배타원리를 제외하고는 위배가 되어도 상관 없다.
좀 더 심오하게 배우려면 물리Ⅱ 4단원에 있는 파동함수 파트를 읽어보면 된다. 예전에는 오비탈 전자배치를 단순히 점으로 나타내었는데 비해, 화학Ⅰ으로 내려오면서 스핀 양자수를 고려해서 화살표로 나타낸다. 가끔 궁금증을 참지못하고 오비탈의 모양 등에 대해 개인적으로 조사하다가 멘붕하는 상위권 학생들이 있다. 18족에서의 최외각 전자수(8)와 원자가 전자수(0)는 같지 않다는 점을 유의하자.
여담으로 이 파트 들어가면서 의욕넘치는 화학쌤이 '''너희들이 여태까지 배운건 틀렸어!'''라면서 처음 배우는 아해들에게 멘붕을 선사한다. 그 이유가, 중학교때까지 전자를 양파껍질에서 '''일정한''' 궤도로 돌도록 표현했는데 이게 현대의 원자표현에선 틀리기 때문. 그런데 문제풀땐 여전히(...) 쓰는데 사실 오비탈차에따른 크기를 표현한게 작붕난거다.고등학교 과정에서는 오비탈과 전자 배치를 접목시키는 것을 주 타깃으로 배운다. 안정한 전자배치는 쌓음 원리, 파울리의 배타원리, 훈트 규칙에 위배되면 안 되는데, 바닥상태가 아닐 경우에는 파울리의 배타원리를 제외하고는 위배가 되어도 상관 없다.
좀 더 심오하게 배우려면 물리Ⅱ 4단원에 있는 파동함수 파트를 읽어보면 된다. 예전에는 오비탈 전자배치를 단순히 점으로 나타내었는데 비해, 화학Ⅰ으로 내려오면서 스핀 양자수를 고려해서 화살표로 나타낸다. 가끔 궁금증을 참지못하고 오비탈의 모양 등에 대해 개인적으로 조사하다가 멘붕하는 상위권 학생들이 있다. 18족에서의 최외각 전자수(8)와 원자가 전자수(0)는 같지 않다는 점을 유의하자.
3.2.3. 주기율
주기율에서는 주기와 족의 의미, 알칼리 금속과 할로젠 원소 등은 개정 전 화학Ⅰ 내용인데 마지막에 상식 선에서 처리한다. 주로 다루는 건 원자나 이온 반지름, 이온화 에너지, 전기 음성도와 같은 개정 전 화학Ⅱ 내용이다. 여기에 일반화학 과정이었던 '''유효 핵전하'''라는 개념이 추가됐다.
- 원소의 분류와 주기율
주기율이란 주기에 따라 저마다의 율격을 갖는다고 해서 붙여진 개념이다. 1족 원소는 수소를 제외한 나머지를 알칼리 금속이라고 하고, 2족 원소는 알칼리 토금속, 17족인 원소를 할로젠 원소라고 한다. 과거엔 할로겐 원소라고 했으나 지금 그렇게 부르면 아재 취급. 대한화학회에서 기존 독일 명칭을 싹 다 미국식으로 바꾸는 바람에 이젠 할로젠 원소라고 한다. 금속 원소는 전자를 잃고 양이온이 되기 쉬우며, 비금속 원소는 전자를 얻고 음이온이 되기 쉬운 경향이 있다. 금속이나 비금속의 반응성이 크다는 말이 나오면 이러한 경향성이 크다는 뜻이다. 고등학생에게는 이런 경향성 정도만 파악시켜주는 게 교육의 목표.
- 원소의 주기적 성질
유효 핵전하는 알짜 핵전하량에서 가리움 효과를 뺀 값이다. 가리움 효과에는 전자 사이의 반발력이 큰 중추로 자리매김한다. 원자 반지름은 같은 주기에서 핵전하가 클수록 직경이 작아지는 경향이 있다. 다만, 18족 비활성 기체는 논외로 두는데 이유는 반지름을 정의하는 기준이 다르기 때문이다. 그리고 같은 족에서 주기가 커질수록 직경이 늘어난다. 다만, 통제 변인이 아무것도 없을 때는 장담할 수 없다. 이온 반지름은 주로 16, 17, 1, 2 주기에서의 전자 변화를 통해 따지는 것을 목표로 한다. 가령 산소 중성 원자가 전자 2개를 얻고 가장 안정한 산소 이온(O2-)이 될 때 전자 사이의 반발력이 커져 반지름 직경이 늘어난다. 반대로 O2-와 등전자 이온인 Mg2+은 3주기에서 전자 2개를 잃어 유효 핵전하가 늘고, 전자 껍질수까지 넉다운 되어버렸기 때문에 이온 반지름이 확 줄어버린다.
이온화 에너지는 중성 기체 원자 1몰을 이온화하는 데 필요한 에너지를 일컫는데, 교육 과정이 개정되면서 이온화 에너지 그래프를 직접 그려보는 게 중요해졌다. 2~3족, 15~16족에서 예외 구간이 발생한다는 것이 포인트이다. 문제 풀어보면 허구헌날 나오는게 B, O, S, Al이다. 이온화 에너지와 관한 서술이 나오면 그냥 거의 무조건이라고 보면 될 정도로 2~3족, 15~16족 원소가 나온다.
전기 음성도 파트에서는 17족 2주기로 갈 수록 강해진다는 것만 캐치하면 된다. 여기서보다는 주로 3단원의 화학 결합 파트의 쌍극자 모멘트의 합 따지기나 4단원의 산화수 우위를 둘 때 주로 사용한다.
이온화 에너지는 중성 기체 원자 1몰을 이온화하는 데 필요한 에너지를 일컫는데, 교육 과정이 개정되면서 이온화 에너지 그래프를 직접 그려보는 게 중요해졌다. 2~3족, 15~16족에서 예외 구간이 발생한다는 것이 포인트이다. 문제 풀어보면 허구헌날 나오는게 B, O, S, Al이다. 이온화 에너지와 관한 서술이 나오면 그냥 거의 무조건이라고 보면 될 정도로 2~3족, 15~16족 원소가 나온다.
전기 음성도 파트에서는 17족 2주기로 갈 수록 강해진다는 것만 캐치하면 된다. 여기서보다는 주로 3단원의 화학 결합 파트의 쌍극자 모멘트의 합 따지기나 4단원의 산화수 우위를 둘 때 주로 사용한다.
3.3. III. 아름다운 분자 세계
7차 화학Ⅱ에서 내려온 화학 결합과 분자의 구조와 개정 전 화학Ⅰ 주변의 탄소 화합물 단원에서 유도체랑 생활적 응용 파트만 뺀 탄화수소만을 배운다. 탄화수소는 일반인이 평소 생각하는 화학에 대해 떠올리는 부분이기도 하니, 관심이 많은 학생들이라면 유기화학을 공부한다. 구조식(특히 벤젠 고리)를 그리는 걸 보면 간지폭풍. 이 단원은 주로 고전적인 화학 결합 이론을 배우고, 현대에는 오비탈로 결합을 설명한다. 대학에서는 수학적인 접근을 요구하지만 사실 공대생들도 그냥 추상적인 이해 정도만 하고 넘어가는 부분이다.
3.3.1. 화학 결합
- 분자 구조의 다양성
동소체는 탄소나노튜브, 풀러렌, 다이아몬드, 흑연, 그래핀과 같이 탄소를 중점적으로 다루고, 그 뒤에 DNA의 분자 구조가 나오지만 이 부분은 4단원 응용 파트에서 더 자세히 배우는 것이 좋다.
원자들은 대부분 전자를 잃거나 얻어서 옥텟 규칙을 만족하려고 한다. 단, 수소나 리튬, 베릴륨이 헬륨(전자 2개)처럼 전자를 8개 이상 가질 수 없는 노릇이라 이럴 땐 옥텟 규칙이라고 명명하진 않는다. 가령, 알루미늄 중성 원자는 전자 3개를 쫓아내고 Al3+처럼 안정한 이온이 되고자 한다. 그럼 최외각 전자가 8개가 되면서 옥텟 규칙을 만족하게 된다. 이 때 당연히 전자배치 또한 달라지는데 위의 알루미늄 이온을 그대로 활용하면 아래와 같은 전자배치를 할 수 있다. 혼동 방지를 위해 중성원자 알루미늄의 전자 배치도 같이 적어본다.
> [Al^^3+^^] = 1s22s22p6 = K(2)L(8)
> [Al] = 1s22s22p63s23p1 = K(2)L(8)M(3)
자료 해석 과정에서 이온 결합의 형성과 에너지 관계가 교과서에 등장하긴 하나 열화학 지식이 없어서 그냥 교양적으로 공부해두고 넘어가는 것이 좋다. 여기서 4단원의 공포를 예고하는 밑밥을 까는데, 이온결합물질은 수용액 상태에서 이온 상태로 존재한다.
> [Al^^3+^^] = 1s22s22p6 = K(2)L(8)
> [Al] = 1s22s22p63s23p1 = K(2)L(8)M(3)
자료 해석 과정에서 이온 결합의 형성과 에너지 관계가 교과서에 등장하긴 하나 열화학 지식이 없어서 그냥 교양적으로 공부해두고 넘어가는 것이 좋다. 여기서 4단원의 공포를 예고하는 밑밥을 까는데, 이온결합물질은 수용액 상태에서 이온 상태로 존재한다.
역시 공유 결합에서도 옥텟 규칙을 만족하고자 원자들이 서로 다른 원자(단, 같은 원소여도 상관 없음)와 전자를 공유하여 안정한 상태가 되길 원한다. 가령 플루오린은 최외각 전자를 7개 가지고 있어, 최외각 전자가 1개인 리튬, 수소, 나트륨 등과 같은 1족 원소와 결합하려는 성질이 있다. 이 때, 서로의 전자를 공유해서 2개가 된 전자를 공유 전자쌍이라 하고, 결합하지 않고 남아 있는 전자 2개 묶음을 비공유 전자쌍이라고 한다. 2주기 1족부터 4족 원소까지는 보통 비공유 전자쌍을 갖고 있지 않다는 것이 특징이며 2주기 5, 6, 7족 원소들은 비공유 전자쌍을 존치하는 형태가 많다. 심화적인 내용으로 배위 결합은 '삼플루오린화 붕소 암모늄'이나 '옥소늄 이온' 등에서 나타나는데, 한쪽에서 전자 2개를 모두 건네주어 안정한 상태에 이른다는 차이점이 있다.
3.3.2. 분자의 구조
- 분자의 구조
두 원자가 이루는 결합각, 결합 길이 등 전자쌍 반발 이론 관련에 대해 배운다. 이는 정전기적 반발력이 최소가 돠도록 가능한 한 멀리 떨어지려는 성질을 의미한다. 보통 아래처럼 직선형, 평면 삼각형, 정사면체형,굽은형 을 예로 둔다. 고등학생은 딱 세 가지 구조만 다루며 3주기 원소에 추가되는 구조는 일반화학에서 배우도록 한다.
- 분자의 극성
2단원 주기율 파트에서 배웠던 전기 음성도를 이용해 분자와 결합의 극성 유무를 판단할 수 있다. 화학Ⅱ에서는 이 부분이 맨 처음 등장하는데, 여기서는 원자 간의 힘만 다룬다. 쌍극자 모멘트 합 값이 0이 되면 무극성 분자고, 0이 아니면 극성 분자다. 보통 힘의 합은 벡터의 합성때문에 방향를 고려하는데 이 때문에 전 챕터에서 분자 구조의 모형을 다뤘던 것이다. 벡터의 합에 대해서는 물리Ⅱ 1단원에서 집중적으로 다루니 같이 공부해두면 좋다. 극성 용질은 극성 용매에 잘 녹고, 무극성 용매에큰 녹지 않는다. 물과 기름이 잘 섞이지 않는 이유가 여기에서 비롯된다.
3.3.3. 탄소 화합물
고등학교 과정에서는 복잡한 유도체는 다루지 않는다. 여기서는 1단원의 연소 반응과 관련 짓기 위하여 C와 H로만 이루어진 분자식 형태의 탄화 수소만을 주로 다룬다. 좀 더 자세한 내용은 유기화학이나 일반화학에서 접할 수 있다.
- 탄소 화합물의 다양성
알케인(CnH2n+2), 알켄(CnH2n), 알카인(CnH2n-2)과 같은 사슬 모양의 탄화수소의 일반식이 나온다. 우리가 익숙히 들어본 메탄가스도 탄화수소의 알케인에 속한다. 현재 대한화학회에 의하여 독일식 명칭이 다 영어식 명칭으로 바뀌었기 때문에 메탄의 명칭도 메테인(CH4)으로 바뀌었다. 언론에서는 이미 입에 익은 메탄을 더 많이 쓰지만 후세대에 가서 메탄이라고 말하고 다니면 역시나 아재 취급. 앞으로 바뀐 명칭을 쓰도록 하자. 비슷한 이유로 에탄 대신 에테인, 프로판 대신 프로페인, 부탄 대신 뷰테인을 쓴다.
고리 모양의 탄화수소의 일반식엔 '사이클로-'라는 접두어가 붙는데, 종류에는 사이클로알케인(CnH2n), 사이클로알켄(CnH2n-2)이 있다. 각각 알켄과 알카인의 분자식과 동일하여 혼동할 수 있다. 이후에 나오는 벤젠(C6H6)은 특이하게 실험식 비가 1:1인데 1.5결합을 하고 있어서 그렇다. 다들 알겠지만 벤젠은 화학공업에서 자주 사용되는 물질이면서도 마시면 즉사하는 위험물질이다. 벤젠은 방향족 탄화수소에 속하는데 방향이라는 이름이 붙은 건 직접적으로 받아들이면 알 수 있듯이 냄새/향기가 나서 붙여진 명칭이다. 나프탈렌이나 안트라센같은 물질도 이에 속한다.
고리 모양의 탄화수소의 일반식엔 '사이클로-'라는 접두어가 붙는데, 종류에는 사이클로알케인(CnH2n), 사이클로알켄(CnH2n-2)이 있다. 각각 알켄과 알카인의 분자식과 동일하여 혼동할 수 있다. 이후에 나오는 벤젠(C6H6)은 특이하게 실험식 비가 1:1인데 1.5결합을 하고 있어서 그렇다. 다들 알겠지만 벤젠은 화학공업에서 자주 사용되는 물질이면서도 마시면 즉사하는 위험물질이다. 벤젠은 방향족 탄화수소에 속하는데 방향이라는 이름이 붙은 건 직접적으로 받아들이면 알 수 있듯이 냄새/향기가 나서 붙여진 명칭이다. 나프탈렌이나 안트라센같은 물질도 이에 속한다.
3.4. IV. 닮은꼴 화학 반응
7차 화학Ⅰ에 있었으나 그 때 당시의 내용보다는 훨씬 어렵고 대부분이 일반화학, 분석화학과정에서 추가되었다. 이 단원 전체는 화학Ⅱ 3단원에서 좀 더 엄밀히 배울 수 있다.
3.4.1. 산화·환원 반응
- 산화·환원 반응과 산화수
전자에 의한 산화, 환원의 정의로 볼 때, 산화는 주로 전자를 잃는 반응이고, 환원은 그 반대로 전자를 얻는 반응을 일컫는다. 고등학교 과정에서는 이 반응의 동시성을 무조건 만능산화수로 따지는 경향이 있다. 산화수를 꿰고 있으면 무엇이 산화되고 환원되는 지 알 수 있다. 각종 듣도보도 못한 화학 반응식이 판을 쳐도 어차피 산화수를 맞히는 것이 목적이라 쫄 필요는 없다. 다만, 산화수도 어떤 원소와 결합했느냐에 따라 달라진다. 대표적으로 과산화수소는 O가 -1의 산화수를 갖는데, 대체적으로 O는 -2의 산화수를 갖는다.
- 산화·환원 반응의 종류
금속의 반응성은 '칼카나마알아철니주납수구수은백금' 같은 경향을 통째로 외우는 것이 예전 교육과정엔 중요했는데 지금은 별로 중요하지 않다. 아니 외워도 아무 소용없다. 왜 그런지는 밑의 수능 항목을 참조. 금속 A의 이온이 들어있는 수용액에 금속 B를 집어넣었을 때 반응이 일어난다면 금속의 반응성은 B>A라는 개념이 중요하다. 반응이 일어났다는 것은 B가 A보다 더 산화되기 쉽기 때문에 B가 자신은 산화되면서 A를 환원시켰기 때문이다. 이는 B의 환원력이 A보다 크다라고도 표현할 수 있다. 반대로 비금속의 반응성은 17족 원소만 알아두면 된다. 여기는 반대로 환원하려는 경향성(즉 전자를 얻어서 음이온이 되려는 경향)이 플루오린으로 갈수록 세진다..
[실전 스킬] 금속의 반응성은 중화 반응, 화학 반응식의 양적 관계와 더불어 양적 관계 킬러 3대장'으로 불릴 만큼 그 위상이 대단하다. 실전에서 사용되는 기본적인 팁들은 다음과 같다.
> * 이온 수의 감소 → 산화수의 증가, 이온 수의 증가 → 산화수의 감소
> * 기울기 급격함 → 산화수가 2씩 변화, 기울기 상대적 완만 → 산화수가 1씩 변화
> * 반응 전과 후의 전하량은 항상 일정하다.[14]
[실전 스킬] 금속의 반응성은 중화 반응, 화학 반응식의 양적 관계와 더불어 양적 관계 킬러 3대장'으로 불릴 만큼 그 위상이 대단하다. 실전에서 사용되는 기본적인 팁들은 다음과 같다.
> * 이온 수의 감소 → 산화수의 증가, 이온 수의 증가 → 산화수의 감소
> * 기울기 급격함 → 산화수가 2씩 변화, 기울기 상대적 완만 → 산화수가 1씩 변화
> * 반응 전과 후의 전하량은 항상 일정하다.[14]
- 산과 염기
여러 가지 산과 염기가 등장하는데 이온가만 제대로 외워두면 된다. 대표적으로 등장하는 H+는 산, OH-는 염기이다. 본래 산-염기 반응은 이온화도(화학II 3단원 과정 용어)에 반응하는 양도 따라 다른데, 화학I에서는 무조건 이온화도가 1로만 인식한다. 이온화도는 0과 1 사이의 범위가 있는데, 이온화도가 높으면(1에 가까울 수록) 강산, 강염기라고 하고 낮으면(0에 가까울 수록) 약산, 약염기라고 한다. 이 때문에 심화 내용인 짝산, 짝염기에 대해서는 나오지 않는다. 교과서에서는 역시나 산업, 공업 등을 강조하면서 공대 교수님들의 짙은 애환이 담겨있다는 것을 눈치챌 수 있다.
- 산-염기 정의의 확장
루이스, 브뢴스테드-로우리, 아레니우스가 정의한 산-염기에 대해서 배운다. 아레니우스는 수용액 속에서 이온화될 때의 산-염기를 주 타깃으로 두었고, 브뢴스테드와 로우리는 양성자(H+)를 주고 받는 기준에 따라 산-염기를 정의하였다. 확장된 정의에 따르면 산으로도 염기로도 작용하는 양쪽성 물질이 있다.(H2O, 아미노산, HCO3−, HSO4− 등)
3.4.2. 중화 반응
- 지시약과 pH
액성에 따라 색깔이 어떻게 변하는지 판별하는 것을 배운다. 대표적으로 페놀프탈레인용액은 염기성에서 빨갛게 변하며, 중성 혹은 산성에서 무색을 띤다. 참고로 리트머스 시험지는 초등학교때 배웠다고 언급을 안하지만 기억해둬야한다. pH는 그냥 7을 기준으로 낮으면 산성, 높으면 염기성이라는 것만 캐치한다. 자세히 배우려면 로그(log)를 쓰며 난장판을 쳐야 한다.
- 중화 반응
중화 반응은 하이드로늄 이온과 수산화 이온의 반응을 일컫는 건데 화학I의 레벨에선 편의상 수소 이온과 수산화 이온의 반응으로만 주어진다.구경꾼 이온은 반응하지 않는다. 절대.
> 알짜이온 반응식: H+(aq) + OH-(aq) → H2O(l)
> 알짜이온 반응식: H+(aq) + OH-(aq) → H2O(l)
3.4.3. 생활 속의 화학
모든 아미노산은 공통적으로 아미노기(-NH2)와 카복시기(-COOH)를 가지고 있으며 모두 중심 원자가 탄소이다. 대표적으로 글라이신, 세린, 시스테인, 라이신, 알라닌, 글루타민, 발린, 페닐알라닌이 있다. 수용액 상태에서 아미노기는 수소 이온을 받아들일 수 있어 용액 입장에서는 염기성을 띠고, 카복시기가 수소 이온을 내놓으므로 산성을 띤다. 핵산은 뉴클레오타이드가 사슬처럼 결합되어 있는 구조이다. 뉴클레오타이드는 인산 이온(PO4H2)과 당(주로 5탄당), 염기로 구성되어 있다. 이 때 DNA의 분자식은 C5H10O4인데 실험식과 동일하다. 다만 5탄당은 여기에 O가 하나 더 붙기에 실험식과 일치하지 않는다. 또, 인산 이온에 적용되는 확장된 옥텟 규칙이 있다. 주의할 점은 확장된 옥텟은 옥텟으로 간주하지 않는다. 즉, 그냥 옥텟을 만족한다고 나오면 틀린 대답이 된다. 염기 짝 사이의 수소 결합은 생명 과학Ⅱ에서도 나온다. 이 교과에서는 그냥 아데닌(A)과 티민(T)이 2개의 수소 결합을, 사이토신(C)과 구아닌(G)은 3개의 수소 결합을 한다는 것만 알아두면 된다.
4. 여담
- 3단원의 명칭이 '아름다운 분자 세계'임에도 불구하고 이온 결합 화합물을 다루는데, 이온 결합 물질(NaCl 등)은 분자가 아니다. 따라서 아름다운 화합물의 세계로 바꿔야 한다는 말이 있다.
- 기술직군 공무원 시험과목이기도 하다. 9급은 주로 이 과목에서 많이 출제된다. 그러나 해를 거듭하면서 화학2에서도 많이 출제되고 있다.
[1] 기술가정이란 표현을 수준이 낮다라는 개념으로 해석하는 것은 곤란하다. 순수과학적인 면모가 아닌 공학과 같이 응용과학적인 느낌이 든다라는 표현으로 보는 것이 옳다.[2] 이전 교육과정에서는 책에 원리 기반 없이 서술되었기 때문에 교과 외 내용을 동원하여 설명해야 '잘 가르치는 스타 강사'로 거듭날 수 있었고, 하이탑 같은 참고서가 인기 많을 수밖에 없었다. 그러나 지금은 교과서에 거의 대부분 서술되었기 때문에 의미가 없게 되었고 문제 풀이 스킬을 잘 가르쳐주는 인터넷 강사나 책이 급부상하게 된다.[3] 아래 이미지에 대한 저작권은 shareslide에 있다.[4] 흔한 예로 이상기체상태방정식의 PV=nRT에서의 n은 몰 수를 의미한다. 물리II에서도 등장하지만 여기는 몰 수보다는 온도, 압력, 부피, 기체가 한 일을 따진다는 차이가 있다. [5] 고등학교 과정에서는 생명 과학II에 일상적인 용어로 등장한다. [6] 임의의 이원소 분자 $$ A_{m}B_{n} $$에도 적용 가능하다![7] A B 아래 이미지에 대한 저작권은 천재학습백과에 있다.[8] 예를 들어, 제시된 조건대로 $$ C_{2}H_{2}, C_{2}H_{6}, CH_{4} $$[9] 아래 이미지에 대한 저작권은 SCCJ에 있다.[10] 아래 이미지 저작권은 zum 백과사전에 있다. [11] 아래 이미지 저작권은 CEOE에 있다. [12] 아래 이미지 저작권은 zum 백과사전에 있다. [13] 아래 이미지 저작권은 chemistry assignment에 있다. [14] 매우매우 중요하다. 특히 수용액에 금속을 첨가할 때 꼭 이용해주자!