화학의 이해 실전 문제 풀이예제4.1다음 이온 결합 화합물을 가용성과 불용성으로 분류하시오(a)황산 납(PbSO₄), (b)탄산 바륨(BaCO₃), (c)인산 리튬(Li₃PO₄)(a)황산 납(PbSO₄)은4.1실전 연습다음 이온 결합 화합물을 가용성과 불용성으로 분류하시오(a)FeS, (b)Ca(OH)₂, (c)Co(NO₃)₃예제4.2인산 포타슘(K₃PO₄)용액을 질산 칼슘[Ca(NO₃)₂]용액과 혼합할 때의 반응에 대한 알짜 이온 반응식을 쓰고 그 결과를 예측하시오.용액에서 K₃PO₄는 K?와 PO₄³?로 해리되며, Ca(NO₃)₂는 Ca²?와 NO₃?이온으로 해리한다. 이온 결합 화합물의 용해도 규칙에 의하면 칼슘 이온(Ca²?)과 인산 이온(PO₄³?)은 불용성 화합물인 인산 칼슘[Ca₃(PO₄)₂]을 형성한다. 반면 다른 생성물인 KNO₃은 가용성이므로 용액이 남는다. 따라서 이 반응은 침전이 형성되는 것이다. 이에 앞의 절차에 따라 문제를 풀면,단계1 : 2K₃PO₄(aq) + Ca(NO₃)₂(aq) ---> Ca₃(PO₄)₂(s) + 6KNO₃(aq)단계2 : 이온 반응식을 얻기 위하여 가용성 화합물은 모두 해리된 이온으로 표기한다.6K?(aq) + 2PO₄³?(aq) + 3Ca2+(aq) + 6NO3-(aq) ---> 6K+(aq) + 6NO3-(aq) + Ca₃(PO₄)₂(s)단계3 : 반응의 양쪽에서 구경꾼 이온인 K+와 NO3-이온을 제거한 후 알짜 이온 반응식을 얻는다.3Ca2+(aq) + 2PO43-(aq) ---> Ca3(PO4)2(s)단계4 : 처음에 균형 반응식으로 시작하였으므로 알짜 이온 반응식 또한 균형 반응식으로 양변의 각 원자의 숫자는 같으며 양전하(+6)와 음전화(-6)의 숫자도 일치한다.4.2실전 연습Al(NO₃)₃용액과 NaOH 용액을 혼합할 때 생성되는 침전을 예측하시오. 반응에 대한 알짜 이온 반응식을 쓰시오.용액에서 Al(NO₃)₃는 Al³+와 NO3-로 해리되며,NaOH는 Na+와 OH-이온으로 해리한다. 이온 결수 있다.P : +3 F : -1(b) 다원자 이온에서 이온에 대한 모든 원소의 산화수의 합은 이온의 알짜 전하와 같아야 한다는 규칙에 의거하여 과망가니즈산(permanganate, MnO₄?)이온의 산하수의 합은 ?1이다. 산소의 산화수가 ?2이므로 y로 표기한 Mn의 산화수를 알아내면 된다. 과망가니즈산 이온을 다음과 같이 나타낼 수 있다.[Mn(y)O4(2-)]-따라서 y + 4(-2) = -1y = 7Mn ; +7 O : -2예제 4.6다음 산화-환원 반응을 분류하고 각 원소의 산화수 변화를 나타내시오.(a) 2N₂O(g) ----> 2N₂(g) + O₂(g)(b) 6Li(s) + N₂(g) ----> 2Li₃N(s)(c) Ni(s) + Pb(NO₃)₂(aq) ----> Pb(s) + Ni(NO₃)₂(aq)(a) 이 반응은 한 가지 반응물이 두 가지 서로 다른 생성물로 바뀌기 때문에 분해 반응이다. 질소의 산화수는 +1에서 0으로 바뀌고, 반면에 산소의 산화수는 ?2에서 0으로 바뀐다.(b) 이 반응은 결합 반응이다(두 개의 반응물이 한 개의 생성물을 만든다). Li의 산화수는 0에서 +1로 바뀌고 반면에 N의 산화수는 0에서 ?3으로 바뀐다.(c) 이 반응은 금속 치환 반응이다. 금속 Ni는 Pb2+이온을 치환(환원)한다. Ni의 산화수는 0에서 +2로 증가하고 반면에 Pb의 산화수는 +2에서 0으로 감소한다.4.6 실전 연습다음 산화-환원 반응을 유형별로 확인하시오.(a) Fe + H₂SO₄ ----> FeSO₄ + H₂(b) S + 3F₂ ----> SF?(c) 2Ag + PtCl₂ ----> 2AgCl + Pt(a)이 반응은예제4.7농도가 1.83M인 용액 125mL를 만드는 데 필요한 K₂Cr₂O?의 g수를 계산하시오.먼저 1.8M 용액 125mL 즉, 0.125L에 들어 있는 K2Cr2O7의 몰수를 계산해야 한다.K2Cr2O7의 몰수 = 0.125L용액 ×{1.83mol`K₂Cr₂O?} over {1L용액} = 0.229mol K₂Cr₂O?K산할 수 있다.NaOH용액의 몰수 ={2.983 TIMES 10?³molNaOH} over {25.46mL용액} TIMES {1000mL용액} over {L용액} = 0.1172mol NaOH/L용액 = 0.1172M4.11 실전 연습0.1004M NaOH 용액 18.46mL를 중화시키는데 필요한 KHP의 질량은 얼마인가?먼저 적정에 사용된 NaOH의 몰수를 계산해야한다.NaOH 의 몰수 = 0.1004mol/L × 0.01846 L = 0.001871456 mol NaOHKHP(aq) + NaOH(aq) → KNaP(aq) + H2O(l)KHP : NaOH = 1 : 1 반응하므로 NaOH 몰수 = KHP 몰수 = 0.001871456 molKHP의 몰질량 = 204.22 g/mol 이므로, KHP 0.001871456 mol의 질량= 0.001871456 mol × (204.22 g/mol) = 0.3821887 g KH답 : 0.3822g예제 4.12예제 4.11에서 표준화된 수산화 소듐 용액이 25.00mL의 황산 용액을 적정하는데 사용된다. 적정에서 산을 완전히 중화시키는데 0.1172M NaOH 43.79mL를 필요로 한다. H₂SO₄의 농도는 얼마인가?먼저, 43.79mL에 들어있는 NaOH의 mol수를 계산해 보자43.79mL` TIMES ` {1L용액} over {1000mL용액} ` TIMES ` {0.1172mol`NaOH} over {L용액} =5.132 TIMES 10?³mol`NaOH화학량론으로부터 H₂SO₄ 1mol은 NaOH 2mol과 당량이다. 따라서 반응에 필요한 H₂SO₄의 mol수는 다음과 같다.5.132` TIMES `10?³molNaOH` TIMES ` {1molH₂SO₄} over {2molNaOH} =2.566 TIMES 10?³mol`H₂SO₄몰농도의 정의로부터 다음 식을 얻을 수 있다.몰농도= {용질의몰수} over {용액의`L수}그러므로 H₂SO₄용액의 몰농도는 다음과 같다.{2.566 TIMES 10?³molH때문에 이를 사용하여 시행착오를 통하여 화합물의 분자식을 결정한다. 하나의 Cl원자완 하나의 O원자를 함유하는 화합물의 몰질량은 51.45g으로 너무 작은 반면, 두 개의 Cl원자와 하나의 O원자로 이루어진 화합물의 몰질량은 86.90g으로 너무 크다. 따라서 화합물은 하나의 Cl원자와 두 개의 O원자로 된 ClO₂이며, 몰질량은 67.45g이다.5.5 실전 연습어떤 기체 유기 화합물의 밀도는 0℃, 1.97atm에서 3.38g/L이다. 몰질량은 얼마인가?몰질의 몰질량을 구하기 위해서 M={dRT} over {P}를 이용한다.M ={dRT} over {P} ={(3.38g/L)(0.0821L·atm/K·mol)(0+273)K} over {1.97atm}#= 44.1g/mol예제5.6아자이드화 소듐(NaN₃)은 자동차 에어백에 사용된다. 충돌로 인하여 NaN₃는 다음과 같이 분해된다. 2NaN₃(s) ---> 2Na(s) + 3N₂(g)생성된 질소 기체는 순간적으로 운전자와 앞 유리 사이에 있는 에어백을 팽창시킨다. NaN₃ 50.0g의 분해로 인해 85℃, 812mmHg에서 생성된 N₂의 부피를 계산하시오.2NaN₃와 N₂사이의 변환 인자는{3molN₂} over {2molNaN₃} 이다.변환 순서는 다음과 같다.NaN₃의 g수 ---> NaN₃의 몰수 ---> N₂의 몰수 ---> N₂의 부피먼저 NaN₃ 50.0g의 분해로 생성된 N₂의 몰수를 계산한다.N₂의 몰수 = 50.0gNaN₃×{1molNaN₃} over {65.02gNaN₃} TIMES {3molN₂} over {2molNaN₃} = 1.15mol N₂이상 기체 방정식을 이용하여 N₂ 1.15mol의 부피를 구하면 다음과 같다.V={nRT} over {P} = {(1.15mol)(0.0821L·atm/K·mol)(85+273)K} over {(812/760)atm} = 31.6L5.6실전 연습포도당(C?H₁₂O?)의 신진 대사에 의한 분해 반응식은 공기 중에서 포도당을 연소시키는 반응식과 같다. 대해서도 계산과정은 같다. 따라서 다음과 같이 얻어진다.urms =sqrt {{3(8.314J/K·mol)(298K)} over {2.802 TIMES 10?²kg/mol}} =sqrt {2.65 TIMES 10?m²/s²} = 515m/s5.9 실전 연습20℃에서 염소 분자의 제곱근-평균-제곱 속력(m/s)을 계산하시오.제곱근 평균 제곱 속력을 계산하기 위하여 식sqrt {u²} =u rms =sqrt {{3RT} over {M}}을 사용한다.urms를 계산하기 위하여 R의 단위는 8.314J/K·mol을 사용하고, 1J = 1kg m²/s²이므로 몰질량은 kg/mol로 나타내야 한다. 염소의 몰질량은 70.91g/mol 대신 70.91×10?³kg/mol을 사용한다.sqrt {u²} =u rms =sqrt {{3RT} over {M}}으로부터 urms는 다음과 같다.urms =sqrt {{3RT} over {M}} =sqrt {{3(8.314J/K·mol)(293K)} over {70.91 TIMES 10?³kg/mol}} = 321m/s예제 5.10탄소와 수소로만 이루어진 인화성 기체가 다공성 벽(porous barrier)을 통하여 분출되는 데 3.50 분 걸린다. 같은 온도, 같은 압력 조건에서 같은 부피의 염소 기체는 같은 벽을 통과하는데 7.34분 걸린다. 미지 기체의 몰질량을 계산한 후, 이 기체가 무어인지 제안해 보시오.확산 속도는 주어진 시간에 다공성 벽을 통과하는 분자의 수이다. 긴 시간이 걸리면 속도가 느린 것이다. 따라서 속도는 확산에 소요된 시간에 반비례하기 때문에, 식{r₁} over {r₂} = sqrt {{M₂} over {M₁}}은{r₁} over {r₂} = {t₂} over {t₁} = sqrt {{M₂} over {M₁}}와 같이 다시 쓸 수 있다. 여기서 t₁과 t₂는 각각 기체 1과 2의 확산시간이다.Cl₂의 몰질량으로부터 다음과 같이 쓸 수 있다.{3.50분} over {7.34분} = sqrt {{M} over {인가?
