CHEMSSICAL

고등 화학은 화학과, 화학공학과, 생물과, 신소재공학과에 재학할 때 아주 중요한 기초가 되는 과목이다. 나도 복습을 하면서 화학 개념을 다지고자 AP Chemistry를 기반으로 고등화학 정리를 해보려고 한다.

AP Chemistry에는 Thermochemistry, Bonding, Kinetics, Equilibrium 등 기본적인 화학의 기초를 물어보는 시험이다. 대학생 입장에서는 쉽지만 고등학생 입장에서는 아주 쉽지만은 않은 내용들이 많이 포함되어있다.

오늘은 아주 간단한 공식들과 개념만 정리해볼 예정이다.

원자 Atoms

원자 (Atom)이란, 물질을 이루는 기본적인 입자이다.

원자는 가장 작은 화학적 단위로 더이상 쪼개지거나 작아질 수 없다.

여기에 새로운 개념들이 나오게 되는데

Electron (e¯ | 전자) 은 마이너스 (-)의 전하를 가지고 있는 원자의 구성 요소이며, 원자의 핵 (Nucleus) 주위를 맴돈다.

Proton (양성자)는 플러스 (+) 전하를 가지고 있는 원자의 구성 요소로 핵 안에 소속되어 있다.

Neutron (중성자)는 전하를 가지고 있지 않는 원자의 구성 요소로 양성자와 핵 안에 소속되어 있다.

원자는 같은 수의 양성자와 전자를 가지고 있다. 그래서 기본적인 원자는 전하를 크게 띠고 있지 않다.

하지만, 대부분의 경우 원자의 양성자와 전자 수가 다른 경우가 많은데 이것을 이온 (Ion)이라고 한다.

원자의 구조

원자의 구조에 대한 다양한 모델 (model)이 있다.

The Thompson model (Plum Pudding): Thompson이 추측한 원자의 구조로 양성자가 중앙에 모여있고 그것을 균일하게 둘러싼 전자가 존재한다. [= negatively charged electrons evenly distributed through a positively charged medium]

The Rutherford model: Rutherford가 실험으로 증명한 결과는 "원자의 대부분의 공간은 비어있다"로 많은 양의 전하가 원자의 중앙에 몰려있다. [= most of the volume of the atom is empty space, with a large amount of charge concentrated at the centre of the atom]

The Bohr model: Bohr은 우리가 지금 배우는 원자의 구조이며, 중앙에 위치한 핵 (nucleus)에 양성자와 중성자로 구성되어 있고, 각 다른 궤도로 (태양계처럼) 전자가 핵을 둘러싸며 움직이고 있다. [= central charge as a nucleus composed of distinct proton and neutron particles. Electrons as discrete particles that orbited the nucleus along distinct paths]

원소 분석하기

개인적인 경험으로 주기율표 (periodic table)을 모두 이해하기는 쉽지 않았다.

그래도 주기율표에서 아주 중요한 몇가지 개념을 설명해 보도록 하겠다.

일단, 주기율표를 보면 각 원소 별로 다양한 숫자와 함께 작성되어 있는 것을 알 수 있다.

오른쪽 상단에 위치한 숫자가 원자 번호 (Atomic number)이다. 

원자 번호는 원자의 고유 번호로 다른 원자와 절대 겹치지 않는다.

그리고 이 원자 번호는 각 원자가 보유한 양성자 (proton)의 수를 뜻한다.

He (Helium | 헬륨)의 원자 번호는 2이기 때문에 2개의 양성자를 가지고 있다는 의미이고, 양성자와 전자의 갯수는 동일하기에 2개의 전자를 가지고 있다는 것을 이해할 수 있다.

왼쪽 상단에 위치한 숫자가 원자 질량 (Atomic mass)이다.

주기율표에 따라 다르기도 하지만, 대부분 알파벳 밑에 위치한 경우가 많다.

원자 질량은 원자 핵을 구성한 양성자와 중성자의 갯수이다.

C (Carbon | 탄소)를 예시로 원자 번호는 6이고, 원자 질량은 12이다.

이런 경우 6개의 양성자가 있다는 것을 알 수 있고, 12 - 6 = 6으로 총 6개의 중성자가 있다고 이해하면 된다.

다른 숫자들의 경우, 추후에 더욱 이야기를 해보도록 하겠다.

주기율표를 보면 항상 의문이 드는 것이 있을 것이다. "주기율표는 왜 이렇게 알록달록하지?
주기율표의 각 색은 특징이 비슷한 원소들을 하나로 묶은 그룹(Group)이다.

Group IA (알칼리금속 | Alkali Metals): 은백색 금속을 뜻하는 그룹으로, 반응성이 가장 크다.

Group IIA ( 알칼리토금속| Alkaline Earth Metals): 은백색이고 알칼리 금속 다음으로 가볍고 무르다.

Group B (전이 금속 | Transition Metals)

Group VIIA (불활성기체 | Noble Gases): 반응도가 가장 낮은 원소이다.

Group VIIA (할로겐 | Halogens): 물에 쉽게 녹도 소금과 같은 염(鹽)을 만든다.

여기까지 간단하게 원소에 대해서 배워보았다.

다음 시간에는 결합 (Bonding)에 대한 이야기를 위주로 할 예정이다.

배터리의 원리를 이해하기 위해서라면 전기화학을 이해하는 것이 가장 중요한데요.

전기화학 (electrochemistry)은 화학 반응과 전기의 관계를 배우는 학문으로 물리화학의 작은 branch로 생각할 수 있습니다.

전기화학에서 가장 중요한 개념은 

1. 특정 화학 반응은 전기를 생성한다.

2. 전기는 특정 화학 반응이 일어나게 만든다.

또한, 산화-환원 반응 (oxidation-reduction reaction)이 전기화학의 기초 화학 반응인데요.

산화 반응 (oxidation)이란 산소를 얻고 전자를 잃는 반응이고

환원 반응 (reduction)이란 산소를 잃고 전자를 얻는 반응입니다.

따라서, 산화-환원 반응에서 전자가 원소 사이를 움직인다라는 것을 알 수 있습니다.

그래서 전기 (electricity)가 무엇인가?

바로 전자 (electron | e‾)의 움직임 (이동)입니다.

산화-환원 반응에서 원소 사이를 움직이는 전자가 바로 저희가 알고있는 전기가 되는 것입니다.

Galvanic Cell (Voltaic Cell)

화학 반응을 통해 전기를 생성하는 갈바닉 셀에 대해서 알아보겠습니다.

여기서 두 가지의 전극이 나오는데요. 산화 전극을 anode, 환원 전극을 cathode라고 부릅니다.

Zn이 전자 (e‾)를 끌어당기는 힘이 Cu가 전자를 끌어당기는 힘보다 약하기에

Zn이 전자를 잃고 산화 (oxidize)하게 됩니다.

반대로 Cu는 전자를 얻고 환원 (reduce)하고 되는 것이죠.

여기서 전해 셀 (electrolytic cell)이라는 개념이 새롭게 등장하게 됩니다.

이는 비자발적으로 전기 에너지를 공급받아 화학 반응이 발생하는 것인데요.

이를 전기분해 (electrolysis)라고도 합니다. 전기분해는 비자발적 화합물의 분해 반응을 직류 전기를 이용하여 발생하도록 하며 원하는 물질을 얻는 기술이죠.

예를 들어 H₂O → H₂ + O₂ 반응은 비자발적인 화학 반응입니다.

이런 경우, 배터리를 활용하여 oxygen에서 전자를 끌어당겨 hydrogen에게 보낼 수 있습니다.

이렇게 비자발적 화학 반응에서 전기 에너지를 공급 받고 생성하게 되는 것이죠.

마지막으로, cell notation에 대해 이야기 해보겠습니다.

cell notation은 가바닉 셀의 화학적 반을을 짧게 줄인 것입니다.

만약 갈바닉 셀의 산화 반응이 Zn(s) --> Zn2+(aq) + 2e‾이고

환원 반응이 Cu2+(aq) + 2e‾ --> Cu(s) 라면

Zn(s) | Zn2+(aq) || Cu2+(aq) | Cu(s)

이렇게 작성한 것이 cell noation 입니다.

cell notation은 oxidation (anode) || reduction (cathode) 순서로 작성해야합니다.

유기화학은 전기화학, 생화학 등 다양한 분야에서 사용되는 화학의 꽃으로 블로그에 꼭 남겨두고 싶었기에 저번 학기에 배운 지식을 바탕으로 작성해 보려고 한다.

교재는 有机化学（第二版）清华大学出版社이다.

https://www.xuetangx.com/course/THU07031000429?channel=i.area.manual_search

위 링크를 통하면 같은 교재를 사용한 칭화대학 Tsinghua University의 교수님이자 교재의 저자가

설명하는 무료 온라인 MOOC 수업을 수강할 수 있다.

Carbon 탄소는 유기화학에서 핵심 원자로 2s²2p² 이다.

고로 4개의 valence electron을 가지고 있고 4개의 covalent bond를 생성할 수 있다.

Covalent Bond

공유결합은 유기화학에서 아주 중요한 핵심 역할을 한다.

여기서 octect rule이라는 것이 있는데 이는 8개의 전자가 있을때 안정적인 구조를 나타낸다는 말이다.

그리고 valence-bond theory에 대한 이야기도 나오는데

이는 공유 결합 형성을 위한 이론으로 각 원자의 오비탈이 서로 겹쳐서 공유 결합을 이루는 것을 말한다.

여기서 σ결합 (시그마 결합) 이라는 개념이 나오는데

시그마 결합은 두 오비탈의 축이 같은 직선상에 있는 상태에서 한곳에서만 서로 겹쳐진 결과물이다.

그리고 π결합 (파이 결합)이라는 개념도 나온다.

이는 오비탈이 두 곳에서 동시에 겹쳐지고 두 축이 같은 직선상에 있지 않은 상태에서 측면으로 겹쳐서 두 곳에서 결합을 이루게 되는 결합을 뜻한다.

여기서 조금 헷갈리고 어려운 개념이 나온다.

오비탈의 혼성화인 hybridized이다.

이는 결합에 참여하기 위해 기존의 오비탈이 합성되어 새로운 오비탈을 형성하는 것이다.

오비탈 혼성화에 대해서 추가적인 설명을 해보려고 한다.

sp³ 혼성화는 3개의 p 오비탈과 1개의 s 오비탈이 혼성화를 통해 4개의 sp³오비탈이 형성되는 것이다.

여기서 4개는 모두 동등한 에너지 준위의 결합이 형성된다.

sp²혼성화는 2개의 p 오비탈과 1개의 s 오비탈이 혼성화를 통해 3개의 sp²오비탈이 형성되는 것이며

여기서도 3개의 오비탈은 동등한 에너지 준위를 가지고 있다.

sp 혼성화는 1개의 p 오비탈과 1개의 s 오비탈이 혼성화를 통해 2개의 sp오비탈을 형성하는 것이다.

여기서도 2개의 오비탈은 동등한 에너지 준위를 가지고 있다.

다음으로는 molecular-orbital theory이다.

이는 두 개의 분자 궤도의 에너지 합이 원래 분자궤도 에너지의 합과 동일하다는 이론이다.

즉, 원래 에너지의 합 > 두 개의 합 인 경우에는 bonding orbital

두 개의 합 > 원래 에너지의 합 인 경우에는 antibonding orbital 이라고 한다.

다음으로는 유기화학에서 중요하게 여겨지는 변수에 대한 이야기 이다.

bond length는 결합 거리로, 결합의 길이가 짧을수록 적은 에너지로 결합을 끊을 수 있다.

bond angle은 결합 각으로 분자와의 공간으로 주변 원자에게 큰 영향을 준다.

electronegativity는 전기음성도와 dipole moment 쌍극자 모먼트는 굉장히 중요한 개념이다.

전기음성도는 서로 다른 원자들 간의 공유결합에 있어 전자쌍을 끌어당기는 정도로 H C N O F Cl Br 정도만 알아두면 좋다.

쌍극자 모멘트는 반대되는 두 전하로 이루어진 계의 극성을 나타내는 물리량이다.

Acid and Base

산과 염기 또한 유기화학에서 아주 중요한 개념이다.

그리고 굉장히 헷갈린다.

Bronsted의 Acid 산은 H+를 내놓을 수 있는 물질, Base 염기는 H+를 받아드릴 수 있는 물질이다.

H+가 이동함에 따라 산과 염기가 되는 물질을 짝산과 짝염기라고 부른다.

다음으로 Lewis의 Acid 산은 전자쌍을 받는 물질, Base는 전자쌍을 주는 물질이다.

여기까지가 유기화학의 가장 기본적인 개념이다.