화학 반응의 종류와 용액의 화학량론

 

 

화학 반응의 종류와 용액의 화학량론

Types of Chemical Reactions and Solution Stoichiometry

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물이 용매(solvent)로 작용하는 용액을 수용액(aqueous solution)이라고 한다.

생명 현상을 가능케 하는 모든 화학 반응들은 수용액 상태의 환경에서 이루어진다. 이 장에서는 크게

1) 물질이 물에 녹으면 어떤 성질을 띠는가?

2) 물에 녹은 이 물질들 사이에서는 어떤 반응이 일어나는가?

를 다룬다. 이 두 질문에 대한 논의는 존재하는 화학종과 물의 성질에 대한 이해를 전제로 한다.

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4.1 물, 일반적인 용매

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물의 역할

1. 지구상에서 가장 중요한 물질 중 하나
2. 생명 유지에 직결된 여러 반응에 중요하게 참여
3. 지구의 온도를 알맞게 유지
4. 지구상에서 수송 수단을 제공
5. 생물체의 성장의 매개체가 됨
6. 수많은 물질들을 녹일 수 있음

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물의 성질

액체 상태의 물: H2O 분자들의 집단. 각각의 물 분자는 굽은 구조, 또는 V자 모양을 하고 있다.

물 분자의 O-H 결합은 공유 결합이다. (산소와 수소 원자 사이에 전자를 공유)

산소 원자는 수소 원자보다 전자에 대해 더 큰 친화력을 가지고 있다. 만일 산소 원자와 수소 원자의 전자에 대한 친화력이 같다면, 즉, 전자들이 두 원자들 사이에서 균등하게 공유되었다면 두 원자는 전기적으로 중성일 것이다. 왜냐하면 각 원자들의 주위에 존재하는 평균적인 전자의 수가 그 원자핵의 양성자수와 같을 것이기 때문이다. 그러나 산소 원자가 전자를 잡아당기는 힘이 조금 더 센 탓에, 공유된 전자들은 자연스레 수소 원자보다 산소 원자 근처에서 보내는 시간이 길어지게 된다. 따라서 산소 원자는 약간의 음성을 띠고, 수소 원자는 약간의 양성을 띤다.

이런 전하 분포가 균일하지 못한 분자를 극성 분자(polar molecule)이라고 부른다. 극성 분자로 이루어짐으로 인해 생기는 물의 극성으로 인하여, 물은 여러 화합물들을 녹일 수 있는 큰 능력을 가진다.

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수화 (hydration)

이온성 고체가 물에 녹는 상황을 가정하자. 이때 물 분자의 '양전하(수소 원자)의 말단,' 즉 양전하의 끝 부분은 당연히 음전하를 띤 음이온에 끌려 있다. 마찬가지로 물 분자의 '음전하(산소 원자)의 말단' 은 양전하를 띤 양이온에 끌려 있다. 이 과정을 수화라고 한다. 물 속에서는 이온들이 수화되기 때문에, 이온성 고체의 이온들은 기존의 고체에서 '떨어져 나와' 물에 녹게 된다. 이때 고체 상태에서 존재하던 '양이온-음이온' 간의 강한 힘이, '떨어져 나온 이온-물' 의 강한 상호작용으로 바뀐다. // 이온성 물질이 물에 녹으면 독립적인 양이온과 음이온으로 분해된다는 것을 꼭 기억한다!

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용해도 (solubility)

이온성 물질들이 물 분자들 속에서 얼마나 잘 수화되는지를 나타내는 척도이다. 용해도는 물질이 무엇이냐에 따라 크게 달라진다.

용해도를 결정짓는 요인은

1) 이온들 간의 인력의 세기 (which combines solids together)

2) 이온들의 물 분자에 대한 인력의 크기 (which breaks solids apart from water)

이다. 앞에서도 강조했지만 이온성 고체가 물에 녹으면 이온들은 수화되어 흩어지고, 독립적으로 움직인다. 이 사실은 매우 중요하다.

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물이 녹이는 것은 이온성 물질뿐만이 아니다. 물은 많은 비이온성 물질들을 녹인다. (예: 에탄올, C2H5OH)

물에 녹는 비이온성 물질들의 특징은, 이 물질들의 분자에는 물 분자에서와 같은 O-H 결합(극성결합) 이 있기 때문이다.

비극성 물질들은 물에 거의 녹지 않는다. '비슷한 것은 비슷한 것을 녹인다' 라는 말은 용해도를 예측하는 데 유용한 규칙이다.

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4.2 수용액의 성질: 센 전해질과 약한 전해질

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용액은 균일 혼합물이다. 즉, 용액 전체가 똑같다. 커피 첫 한 모금 맛이나, 마지막 한 모금 맛이나 똑같다.

그러나 용액의 '조성' 은 용해되는 물질의 양을 변화시켜 바꿀 수 있다. 커피를 진하게 만들 수도 있고, 연하게 만들 수도 있다.

이 절에서는 용질(solute)이 용매인 물에 녹을 때 일어나는 현상을 알아본다.

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전기 전도도 (electrical conductivity)

전기 전도도는 전류를 흐르게 하는 능력이다. 전해질(electrolyte)은 물에 녹음으로써 전류가 흐르는 용액을 만드는 물질이다. 전기 전도도가 강한 용액에는 센 전해질(strong electrolyte)이, 전기 전도도가 약한 용액에는 약한 전해질(weak electrolyte)이 들어 있다. 전류가 흐르지 않는 용액에는 비전해질(nonelectrolyte)이 들어 있다.

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과학자 Svante Arrhenius와 그의 이온설

용액의 전도성에 관한 기본 지식을 정립한 사람은 아레니우스였다. 아레니우스는 용액의 전도도가 용액 속에 존재하는 이온에 의해 결정된다고 믿었다. 아레니우스의 생각은 처음에는 조롱을 받았지만, 1890년대 후반에 원자에 전하를 띤 입자가 존재한다는 사실이 알려진 후 순식간에 널리 인정받았다. 아레니우스의 가설대로, 용액에서 전류가 흐르는 정도는 존재하는 이온의 수에 직접 비례한다.

센 전해질의 예: 염화 소듐 -> 수용액에서 쉽게 이온을 만들어낸다.

약한 전해질의 예: 아세트산 -> 물에 녹을 때 상대적으로 적은 이온을 만들어낸다.

비전해질의 예: 설탕 -> 물에 녹을 때 이온을 생성하지 않는다.

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센 전해질

물에 녹았을 때 완전히 이온으로 분리되는 물질.

종류

1) 물에 녹는 염 (이온성 물질을 염이라고 한다)

염은 양이온과 음이온의 배열로 이루어져 있고, 염이 녹을 때에는 이들이 분리된 후 수화된다. 예를 들면, NaCl이 물에 녹으면 용액 내에 수화된 Na 양이온들과 Cl 음이온들을 생성한다. 실제로 NaCl 분자가 존재하지 않게 되기 때문에 NaCl은 센 전해질이다.

2) 강한 산

산(acid)은 아레니우스의 가장 중요한 발견 중 하나였다. 그는 용액에 관한 연구를 진행하던 중 HCl, HNO3, H2SO4 같은 물질들이 물에 녹을 때 센 전해질처럼 행동함을 알아냈고, 산을 '물에 녹아 H 양이온을 만들어내는 물질' 이라고 정의했다. // 염산, 질산, 황산은 모두 수용액이므로 화학 반응식에서 (aq)를 붙여 작성한다.

3) 강한 염기

염기(base)는 수산화 이온(OH-)을 가지고 있고, 물에 녹을 때 양이온과 OH- 이온이 분리되어 독립적으로 행동한다. 염기가 들어 있는 용액은 쓴 맛과 미끈미끈한 느낌을 가진다. 가장 흔히 쓰이는 염기성 용액은 고체 수산화 소듐(NaOH)이나 수산화 포타슘(KOH)을 물에 녹여 만든다.

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약한 전해질

물에서 약하게 이온화하는 물질. 물에 녹을 때 상대적으로 적은 수의 이온을 만들어내는 물질.

종류

1) 약한 산

식초의 주 성분인 아세트산의 화학식(HC2H3O2)은 서로 다른 두 개의 수소가 있음을 보여준다. 산의 화학식에서는 흔히 산성 수소 원자(용액에서 H+ 이온을 만들어내는 원자)를 먼저 적는다. 비산성 수소는 분자식의 그 뒷부분에 적는다. 따라서 화학식 HC2H3O2는 하나의 산성 수소와 세 개의 비산성 수소 원자가 있음을 나타낸다. 이는 수용액에서 약 1% 정도의 분자들만 해리한다(이온화된다)는 점에서 강한 산과 아주 다르다.

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아세트산 해리 반응식: HC2H3O2(aq) + H2O(l) -> H3O+(aq) + C2H3O2-(aq)

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2) 약한 염기

약한 염기의 가장 대표적인 예는 암모니아(NH3)이다. 아래 반응식과 같이 OH- 이온들이 생기므로 용액은 염기성이고, 암모니아는 아주 적은 수의 이온을 만드는 약한 전해질이기도 하다. OH- 분자와 반응하여 NH4+ 이온을 만드는 NH3 분자는 100개 중 하나 꼴로 희박하며, 나머지 99개의 NH3 분자는 반응을 하지 않는 상태로 잔류한다.

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암모니아 해리 반응식: NH3(aq) + H2O(l) -> NH4+(aq) + OH-(aq)

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비전해질

에탄올(C2H5OH)이 대표적인 예이다. 에탄올이 녹으면 전체 C2H5OH 분자들이 물에 분산된다. 이 분자들이 이온으로 해리하지 않으므로 이 용액은 전류가 흐르지 않는다. 또 다른 비전해질에는 설탕(C12H22O11)이 있다.

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4.3 용액의 조성

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화학 반응은 흔히 두 용액을 섞을 때 일어난다. 이러한 경우에 화학량론적인 계산을 하기 위해서는

1) 물에 녹아 있는 화학 물질의 정확한 형태에 의존하는 반응의 성질

2) 용액에 존재하는 화학 물질의 양 (= 농도)

을 알아야 한다. 이 절에서는 가장 많이 이용되는 농도인 몰농도(molarity, M)에 대해 알아본다. 몰농도는 용액 1L 부피 속에 든 용질의 몰 수이다.

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M = 몰농도 = 용질의 몰수(mol)/용액의 양(L) =mol/L

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책에는 농도와 관련된 7개의 예제가 수록되어 있다.

예제 4.1 (몰농도의 계산 1)

11.5g의 고체 수산화 소듐을 물에 녹여 1.50L의 용액을 만들었을 때, 몰농도를 계산하라.

풀이: 몰농도를 구하기 위해 필요한 것은 몰 수와 용액의 양이다. 용액의 양은 1.50L로 주어져 있으므로 알아내야 하는 것은 몰 수이다.

고체 수산화 소듐(NaOH)의 분자량은 Na 원자량 23, O 원자량 16, H 원자량 1을 합한 40이다. 즉, 수산화 소듐 1mol은 40g이다.

몰 수를 구하기 위해(= 몰의 단위인 mol로 끝나는 결과값을 구해야 하는 상황) 수산화 소듐 11.5g을 1mol/40g과 곱한다. = 0.288mol

몰 수를 구했으므로 용액의 몰농도를 구할 수 있다. 용질의 몰수/용액의 양 = 0.288mol NaOH/1.50L = 0.192M NaOH

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예제 4.2 (몰농도의 계산 2)

1.56g의 HCl 기체를 물에 녹여 26.8mL의 용액을 만들었을 때, 몰농도를 계산하라.

풀이: 몰농도를 구하기 위해 필요한 것은 몰 수와 용액의 양이다. 용액의 양은 26.8mL(2.68 x 10^-2 L)로 주어져 있으므로 알아내야 하는 것은 몰 수이다. HCl의 분자량은 H 원자량 1과 Cl 원자량 35.45를 합한 36.45이다. 즉, HCl 1mol은 36.45g이다.

몰 수를 구하기 위해 HCl 1.56g을 1mol/36.45g과 곱한다. = 4.28 x 10^-2mol

몰 수를 구했으므로 용액의 몰농도를 구할 수 있다. 용질의 몰수/용액의 양= 4.28 ~ / 2.68 ~ = 1.60 M HCl

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예제 4.3 (이온의 농도 1)

다음 각 용액에 들어 있는 모든 이온의 농도를 나타내라.

a. 0.50M Co(NO3)2

b. 1M Fe(ClO4)3

풀이: 이온의 몰농도 = 이온의 몰 수 x 몰농도

용액의 반응식을 통해 각 이온의 개수(비율)를 알 수 있다.

Co(NO3)2 (s) + H2O (l) -> Co2+(aq) + 2NO3-(aq)

각 이온의 몰농도는

Co2+ ) 1 x 0.50M = 0.50M Co2+ = 0.50M Co2+

NO3- ) 2 x 0.50M = 1.0M NO3- = 1.0M NO3-

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예제 4.5 (농도와 부피)

일반적으로 혈청에는 약 0.14M의 NaCl이 녹아 있다. 1.0mg의 NaCl을 포함하고 있는 혈액의 부피는 얼마인가? (NaCl의 분자량은 58.46)

풀이: 문제를 풀 때 헷갈리지 않기 위해 '몰 수' 의 단위는 mol, '몰농도' 의 단위는 M(= mol/L)이라는 사실을 잊지 않도록 한다.

혈액의 부피(L)는 몰농도를 구할 때 사용한 식(M=mol/L)에서 유추할 수 있다: L=mol/M

혈청 속 NaCl의 몰농도는 0.14M으로 주어졌으므로 구해야 하는 것은 mol, 즉 NaCl의 몰 수이다.

1.0mg = 10^-3 g이므로 10^-3g x 1mol NaCl/58.46g = 1.7 x 10^-5 mol NaCl. NaCl의 몰 수는 1.7 x 10^-5 mol이다.

따라서 1.0mg의 NaCl을 포함하고 있는 혈액의 부피는 1.7 x 10^-5 mol / 0.14M = 1.2 x 10^-4 L

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표준 용액(standard solution)

농도를 정확히 알고 있는 용액을 말한다. 화학 분석에 자주 쓰인다. 예제 4.6을 통해서는 표준 용액을 만드는 방법을 알 수 있다.

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예제 4.6 (농도를 알고 있는 용액)

어떤 포도주에 들어 있는 알코올의 양을 분석하는 데 0.200M의 K2Cr2O7(다이크로뮴산 포타슘) 수용액 1.00L가 필요했다. 이 용액을 만드는 데 필요한 고체 K2Cr2O7의 양은 얼마인가?

풀이: 고체 K2Cr2O7의 양(g)은 곧 K2Cr2O7의 분자량이다.

M = mol / L에서 0.200 = X mol / 1, X = 0.200 -> 0.200mol의 K2Cr2O7가 필요하다. K2Cr2O7은 1mol당 294.20g이므로

0.200mol x 294.20g K2Cr2O7 / 1mol = 58.8 K2Cr2O7 /

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묽힘 (dilution)

'저장 용액(진한 형태로 된 용액)' 은 실험에서 시간과 공간을 아끼는 데 큰 도움이 된다. 저장 용액을 만들어 둔 뒤 물을 첨가해서 때에 따라 원하는 몰농도의 용액을 얻는 것이다. 이 과정을 묽힘이라고 한다. 묽힘 계산의 핵심은 묽힘 과정에서 첨가되는 것은 물뿐이므로 묽힘 전후의 용질의 몰수는 동일하다는 데에 있다.

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4.4 화학 반응의 종류

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지금까지 살펴본 반응들은 수많은 가능한 화학 반응의 극히 작은 부분에 불과하다. 모든 화학 반응을 이해하는 데에는 화학 반응을 몇 가지 종류로 분류하는 것이 도움이 된다. 여러 가지 방법이 있으나, 이 책에서는 화학자들이 가장 많이 채택하는 분류 방법을 사용한다.

용액 반응의 종류

1. 침전 반응
2. 산-염기 반응
3. 산화-환원 반응

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4.5 침전 반응

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침전 반응 (precipitation reaction)

두 용액이 섞이는 과정에서 흔히 불용성 물질이 만들어진다. (불용성 물질은 '용매에 쉽게 용해되지 않는 물질' 이다. 다른 물질과 쉽게 섞인다는 뜻을 가진 가용성 물질과 반대되는 개념이다.) 즉, 섞이는 용액 내에서 고체가 만들어져 분리된다. 이러한 반응이 침전 반응이다. 생성된 고체는 침전물(precipitate)이라고 한다. 주어진 반응물들을 이용하면 생성물을 예측해낼 수 있다.

침전물 예측에 도움이 되는 사실들

1) 이온들이 고체 화합물을 생성할 때, 그 화합물은 전하를 가지지 않는다. 따라서, 반응의 생성물들은 양이온과 음이온을 모두 포함해야 한다. 예를 들어 K+와 Ba2+는 결합하여 고체를 만들 수 없다.

2) 대부분의 이온성 물질들은 각각 한 종류의 양이온과 한 종류의 음이온을 포함한다.

용액에서 결합하여 침전물이 되는 분자들이 아닌 나머지 분자들은 용액 내에 녹은 채로 잔류한다.

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책에 소개된 침전물 생성 반응식

K2CrO4 (aq) + Ba(NO3)2 (aq) ---> BaCrO4 (s) + 2KNO3 (aq) // 노란색 고체인 크로뮴산 바륨 생성

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AgNO3 (aq) + KCl (aq) ---> AgCl (s) + KNO3 (aq) // 흰색 고체인 염화 은 생성

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물에 대한 염의 용해도를 예측하는 간단한 규칙들 (이온 교환ion interchange의 개념)

1) 대부분의 질산(NO3-)염은 물에 녹는다.

2) 대부분의 알칼리 금속 이온(Li+, Na+, K+, Cs+, Rb+)과 암모늄 이온(NH4+)을 포함한 염은 물에 녹는다.

3) 대부분의 염화물, 브로민화물, 아이오딘화물들은 물에 녹는다. 중요한 예외는 Ag+, Pb2+, Hg22+ 이온을 포함한 염이다.

4) 대부분의 황산염은 물에 녹는다. 중요한 예외는 BaSO4, PbSO4, Hg2SO4, CaSO4이다.

5) 대부분의 수산화염은 약간 녹는다. 물에 녹는 중요한 수산화물은 NaOH, KOH이다. Ba(OH)2, Sr(OH)2, Ca(OH)2는 조금 녹는다.

6) 대부분의 황화(S2-), 탄산(CO32-), 크로뮴산(CrO42-), 인산(PO43-)염은 약간 녹는다.

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4.6 용액에서의 화학 반응의 반응식

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화학식 반응식 (formula equation) : 반응물과 생성물만을 나타내고 이온은 표시하지 않아 용액 속에서 일어나는 현상을 분명히 알 수 없다.

완전 이온 반응식 (complete ionic equation) : 반응물과 생성물을 실제 형태대로 나타낸다. 모든 센 전해질 물질을 이온으로 나타낸다.

구경꾼 이온 (spectator ion) : 완전 이온 반응식에서 반응에 직접 참여하지 않는 이온들

알짜 이온 반응식 (net ionic equation) : 반응에 직접 참여하는 용액 성분으로만 나타낸다. 반응물과 생성물의 실제 형태를 나타내는 동시에 변화에 참여하는 화학종만을 보여주기 때문에 화학자들은 용액에서 일어나는 반응을 알짜 이온 반응식으로 나타내는 것을 선호한다.

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4.7 침전 반응의 화학량론

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반응물과 생성물의 양 계산 시에는 우선 모든 양을 몰 단위로 바꾸고, 균형 맞추어진 반응식의 계수를 이용하여 화합물들의 몰수의 비를 얻는다는 것을 기억할 것이다. 반응물이 섞여 있는 경우에는 어느 반응물이 한계 반응물인지를 결정해야 한다. 왜냐하면 제일 먼저 소모되는 반응물이 생성물의 양을 결정하기 때문이다. 이 원리는 용액 내에서 일어나는 반응에도 그대로 적용된다.

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용액 반응의 화학량론 문제 풀이

1) 혼합 용액에 들어 있는 화학종을 알아내고, 어떠한 반응이 일어날 것인지를 결정한다.

2) 그 반응에 대한 균형 맞추어질 반응식을 적는다.

3) 반응물의 몰 수를 계산한다.

4) 한계 반응물을 결정한다.

5) 필요하다면 생성물의 몰 수를 계산한다.

6) 필요에 따라 단위를 변경하여 답을 산출한다.

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예제 4.10 (생성물의 질량 결정 1)

0.100M AgNO3 용액 1.50L에 들어 있는 모든 Ag+ 이온을 AgCl 형태로 침전시키는 데 필요한 고체 NaCl의 질량을 계산하라.

풀이: Ag+를 침전시키는 데 필요한 고체 NaCl의 질량을 구해야 한다. Ag+와 Cl-는 1:1 비율로 반응하기 때문에, Ag+의 몰 수를 구하면 Cl- 몇 몰이 필요한지를 알 수 있다. 몰농도=몰 수/용액의 양이므로 Ag+의 몰 수는 몰농도 x 용액의 양 = 0.100M x 1.50L = 0.150mol이다.

고로 주어진 용액 속 모든 Ag+ 이온을 AgCl 형태로 침전시키기 위해서는 0.150mol의 Cl- 이온이 필요하고, (문제는 고체 NaCl에 대해 물었으므로) 0.150mol의 NaCl이 필요하다. NaCl 1mol은 58.45g이므로, 0.150mol Nacl x 58.45g NaCl / 1mol NaCl = 8.77g NaCl.

따라서 필요한 고체 NaCl의 질량은 8.77g이다.

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4.8 산-염기 반응

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앞서 아레니우스의 산-염기에 대한 개념을 살펴보면서, 산은 물에 녹았을 때 H+ 이온을 만들어내는 물질이고 염기는 OH-를 만들어내는 물질이다. 이 개념도 기본적으로는 올바른 생각이나, 일반적인 염기에는 OH- 이온을 만들어내지 못하는 물질도 포함될 수 있다. Johannes N.Brosted와 Thomas M.Lowry는 산을 '양성자 주개' 로, 염기를 '양성자 받개' 로 정의하였다.

산-염기 반응은 흔히 중화 반응(neutralization reaction)이라고 부른다. 용액에 존재하는 산과 완전히 반응할 수 있는 염기를 가했을 때, 산이 중화되었다고 말한다.

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적정 (titration)

농도를 알고 있는 용액(적정시약, titrant)을 뷰렛으로부터 -> 분석하려는 물질의 용액(분석시약, analyte)에 가하여

적정시약에 포함된 물질이 분석시약과 반응하도록 하는 것. 적정을 할 때는 적정시약이 분석 대상 물질과 완전히 반응할 때까지 계속 가해지는데, 이 적정이 완결되는 점을 당량점(equivalent point) 또는 화학량론적 종말점(stoichiometric end point)이라고 한다. 이 point는 지시약(indicator)을 적정 시작 전에 반응 용액에 넣어 준 뒤, 당량점 부근에서 색 변화가 일어나는 것으로 알 수 있다. 지시약의 색이 실제로 변화하는 점을 적정의 종말점(endpoint)이라고 한다. 이상적으로는 종말점과 화학량론적 종말점이 일치하는 지시약을 선택하여야 한다.

// 부피 분석 (volumetric analysis)은 적정을 하여 어떤 물질의 양을 측정하는 방법이다.

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4.9 산화-환원 반응

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