AP 화학 I · 9–12장 시험 직전 정리

화학결합 I·II, 분자간 힘과 액체·고체, 용액의 성질. 수업에서 강조한 풀이 방식과 제외 범위를 반영했어요.

9 · 10 · 11 · 12장연습문제 33개플래시카드 48장다크 모드

시험 전에 확인할 것

수업에서 제외된 범위

9장: 9.3 격자에너지, 9.9 옥텟 규칙의 예외, 9.10 결합 엔탈피. 수업과 시험의 모든 구조는 옥텟 규칙을 만족한다고 가정해요.
10장: AB₅·AB₆(PCl₅, SF₆), AB₄E(SF₄), sp³d·sp³d² 혼성, 10.6 분자오비탈이론
11장: 11.3 액체의 성질(표면장력 등), 11.5 X선 회절, 11.7 비정질 고체, 11.9 상평형 그림, 몰증발열·끓는점 계산. 결정은 입방(scc, bcc, fcc)만 계산해요.
12장: 12.7 전해질 용액의 총괄성, 12.8 콜로이드

서술형 쓰는 법

답만 쓰지 말고 근거를 완성된 문장으로 써요. 예: "sp²이다" 대신 "중심 C는 세 원자와 결합하므로 전자 3개를 결합에 쓰는 sp² 혼성이다". 루이스 구조는 결합, 옥텟, 모든 비공유 전자쌍, 공명, 요구받으면 형식전하까지 빠뜨리지 않아야 해요. 분자간 힘 문제는 분산력을 항상 같이 써요.

사용법

각 절의 흰 카드가 개념, 보라색 상자(▶)는 예제 풀이예요. 장마다 끝에 연습문제가 있고 정답 보기 → 맞음/틀림을 누르면 점수가 저장돼요. 오른쪽 아래 버튼은 플래시카드예요.

9 Chemical Bonding I: Basic Concepts 화학결합 I

9.1–9.4 이온결합과 공유결합

Lewis 점 기호

원소 기호 주위에 원자가 전자를 점으로 찍은 것. 대표 원소의 원자가 전자 수는 족 번호와 같아요(헬륨 제외 8A는 8개).

이온결합

양이온과 음이온 사이의 정전기적 인력. 이온화 에너지가 낮은 금속(1A, 2A)과 전자 친화도가 큰 비금속(할로젠, 산소)이 만들어요. 예: Li⁺F⁻, Ca²⁺O²⁻

공유결합

두 원자가 전자쌍을 공유하는 결합. 옥텟 규칙: 수소를 제외한 원자는 8개의 원자가 전자를 가지려는 경향(H는 2개).

비공유 전자쌍(lone pair): 결합에 참여하지 않는 원자가 전자쌍
단일 → 이중 → 삼중결합으로 갈수록 결합 길이는 짧아지고 결합은 강해져요.
결합 길이 = 결합한 두 원자핵 사이의 거리

이온 화합물 vs 공유 화합물 (NaCl vs CCl₄)

성질	NaCl (이온)	CCl₄ (공유)
상태	흰색 고체	무색 액체
녹는점 / 끓는점 (℃)	801 / 1413	−23 / 76.5
물에 대한 용해도	높음	매우 낮음
전기 전도성	고체 나쁨 / 액체 좋음	둘 다 나쁨

이유 한 줄

이온 사이 정전기력이 매우 강해서 상온에서 고체이고 녹는점이 높다. 이온 화합물은 물에 잘 녹아 강전해질이 되지만, 공유 화합물은 대부분 비전해질이다.

9.5 전기음성도와 극성 결합

전기음성도(EN)

화학결합에서 원자가 공유 전자를 자기 쪽으로 끌어당기는 능력. 주기율표에서 오른쪽 위로 갈수록 커지고 F(4.0)가 가장 커요. 전자 친화도는 고립 원자의 성질이고 EN은 결합 안에서의 추정값이라는 점이 달라요.

H	C	N	Cl	Br	O	F	Na	K
2.1	2.5	3.0	3.0	2.8	3.5	4.0	0.9	0.8

극성 공유결합: 전자가 한쪽에 치우친 결합. 전기음성도가 큰 쪽이 δ⁻, 작은 쪽이 δ⁺
이온결합은 EN 차이가 대략 2.0 이상일 때. 극성 공유결합과 이온결합 사이에 뚜렷한 경계는 없어요.
표기: 십자가 달린 쪽이 EN이 작은 원자(δ⁺), 화살촉이 EN이 큰 원자(δ⁻)를 향해요.

9.6 Lewis 구조 쓰는 순서

뼈대 구조: EN이 가장 작은 원자를 중심에, H와 F는 바깥(말단)에. 수업에서는 대부분 힌트로 주어져요.
원자가 전자 총수: 음이온이면 전하만큼 더하고, 양이온이면 뺀다. (CO₃²⁻ → +2)
중심과 바깥 원자를 단일결합으로 잇고, 바깥 원자들의 옥텟을 채운다(남는 전자는 비공유쌍).
중심 원자가 8개가 안 되면 바깥 원자의 비공유쌍을 끌어와 이중·삼중결합을 만든다.
마지막에 전자 총수가 맞는지 검산한다.

감 잡기

"전부 단일결합으로 하면 옥텟을 채우는 데 필요한 전자 수가 가진 전자 수보다 많다"면 이중·삼중결합이 필요하다는 신호예요. 수소 자리에는 결합이 하나만 가능해서 이중결합은 H에 붙지 않아요.

예제: HNO₃ (뼈대 H–O–N(–O)–O)

총 전자: 1 + 5 + 3×6 = 24개. 전부 단일결합으로 하고 옥텟을 채우면 26개가 필요해서 2개가 모자라요 → 이중결합이 하나 필요하다는 신호예요.

N=O 이중결합 하나를 넣으면 H–O–N(=O)–O 구조로 전자가 정확히 24개가 돼요. 형식전하는 N이 결합 4개라 +1, 단일결합 O가 −1, 나머지는 0이고 합은 0이에요. 이중결합 O와 단일결합 O의 자리를 바꾼 공명 구조도 가능해요.

9.7–9.8 형식전하와 공명

형식전하(formal charge)

원자가 전자 수 − (비공유 전자 수 + ½ × 결합 전자 수)

고립 원자가 가져야 할 전자 수와, Lewis 구조에서 그 원자에 배정된 전자 수의 차이. 비공유 전자는 모두 그 원자 몫, 결합 전자는 반씩 나눠요.

형식전하 규칙

분자는 합이 0, 양이온은 합이 + 전하, 음이온은 합이 − 전하와 같아야 해요. 합이 안 맞으면 어딘가 계산이 틀린 거예요.
같은 구조 후보가 여럿이면 형식전하의 절댓값이 작은 구조가 안정해요(모두 0이면 최고).
형식전하가 있어야 한다면 음의 형식전하는 EN이 큰 원자에 있는 구조가 더 안정해요.

자주 하는 실수

O₃에서 +1만 쓰고 −1을 빼먹으면 O₃⁺라는 다른 물질이 돼요. 중성 분자는 형식전하 합이 반드시 0이에요.

공명(resonance)

공명 구조

하나의 Lewis 구조로 정확히 표현할 수 없는 분자를 둘 이상의 Lewis 구조로 나타낸 것. 구조 사이에 양방향 화살표 ↔를 그어요.

O₃의 두 O–O 결합 길이는 같다(128 pm). 단일(길다)과 이중(짧다)이 따로 있지 않다는 증거예요.
실제 분자는 공명 구조 사이를 왔다 갔다 하는 게 아니라, 그 사이의 하나의 고유한 구조(혼성체)예요. 공명은 인간이 만든 표현 방법이에요.
CO₃²⁻는 이중결합 위치가 다른 구조 3개. 결합 하나의 평균 결합차수는 (1+1+2)/3 = 4/3. 벤젠도 대표적인 공명 예시예요.
시험에서는 가능한 모든 공명 구조를 ↔로 연결해서 쓰는 것이 정석이에요.

예제: N₂O 공명 구조 3개와 가장 중요한 구조 (N–N–O)

구조	N(말단)	N(중심)	O
:N≡N⁺–O⁻:	0	+1	−1
⁻N=N⁺=O	−1	+1	0
²⁻N–N⁺≡O⁺	−2	+1	+1

셋째는 형식전하 절댓값 합이 너무 커서 후보에서 탈락. 남은 둘 중 O가 N보다 EN이 크므로 음전하가 O에 있는 첫째 구조가 더 안정해요(중요도 1순위).

9장 연습문제

질산 HNO₃의 원자가 전자는 모두 몇 개인가? 가능한 가장 적절한 Lewis 구조의 형식전하를 쓰시오(H는 O에 결합).

1 + 5 + 18 = 24개. N이 중심, 한 O에 H가 붙은 H–O–N(=O)–O⁻ 형태에서 N +1, 단일결합 O −1, 나머지는 0. 합 = 0.

CO₃²⁻의 Lewis 구조를 공명 구조와 형식전하까지 쓰고, 결합 하나의 평균 결합차수를 구하시오.

전자 4 + 18 + 2 = 24개. C가 중심, C=O 하나와 C–O⁻ 둘(각 O⁻ 형식전하 −1, 이중결합 O 0, C 0). 이중결합 위치를 바꾼 3개의 공명 구조를 ↔로 연결. 형식전하 합 −2 ✓. 결합차수 = 4/3.

O₃의 O–O 결합 길이가 모두 128 pm인 이유를 공명으로 설명하시오.

두 공명 구조(O=O⁺–O⁻ ↔ ⁻O–O⁺=O)는 이중결합 위치만 다르고 실제 분자는 둘의 혼성체이다. 한쪽이 단일(더 긺), 한쪽이 이중(더 짧음)이 아니라 두 결합이 같은 중간 성질을 가지므로 길이가 같다.

OCN⁻(뼈대 O–C–N)의 공명 구조 3개를 형식전하와 함께 쓰고 가장 안정한 구조를 고르시오.

전자 6+4+5+1 = 16개. (a) ⁻:Ö–C≡N: → O −1, C 0, N 0 (b) Ö=C=N̈⁻ → O 0, C 0, N −1 (c) :O⁺≡C–N²⁻ → +1, 0, −2. (c)는 절댓값이 크니 탈락. O가 N보다 EN이 크므로 음전하가 O에 있는 (a)가 가장 안정.

NF₃와 CH₂O(포름알데하이드)의 Lewis 구조를 쓰시오.

NF₃: 전자 5+21 = 26개. N 중심에 F 세 개, 각 F에 비공유쌍 3개, N에 비공유쌍 1개. CH₂O: 전자 4+2+6 = 12개. C 중심, C–H 둘, C=O 이중결합, O에 비공유쌍 2개. 형식전하는 모두 0.

아세트산 CH₃COOH의 잘못된 뼈대 결합을 고칠 때 확인할 규칙 세 가지는?

① H는 결합 하나만 가능(이중결합 불가) ② 각 C는 결합 4개, O는 결합 2개로 옥텟 ③ 마지막에 전자 총수와 형식전하 합 검산. 결과: H₃C–C(=O)–O–H, 모든 원자 형식전하 0.

NaCl이 CCl₄보다 녹는점이 훨씬 높고 수용액이 전기를 통하는 이유를 쓰시오.

NaCl은 이온 사이의 정전기적 인력이 매우 강해 상온에서 고체이고 녹는점이 높다. 물에 녹으면 Na⁺, Cl⁻이 자유롭게 움직이는 강전해질이 되어 전기를 통한다. CCl₄는 분자 사이 약한 분자간 힘만 있어 녹는점이 낮고 이온이 없어 전도성이 없다.

10 Chemical Bonding II 분자 모양과 혼성오비탈

10.1 VSEPR로 분자 모양 예측

VSEPR

원자가 껍질의 전자쌍들이 서로 가능한 한 멀어지려는 반발이 분자 모양을 결정한다는 모델. 이중·삼중결합도 하나의 전자 영역으로 취급해요.

표기 AB_xE_y: A 중심원자, B 결합한 원자 수 x, E 비공유 전자쌍 수 y.

유형	전자쌍 수	전자쌍 배열	분자 모양	각도	예
AB₂	2	직선	직선형	180°	BeCl₂, CO₂
AB₃	3	평면삼각형	평면삼각형	120°	BF₃
AB₄	4	정사면체	정사면체	109.5°	CH₄
AB₂E	3	평면삼각형	굽은형(bent)	<120°	SO₂
AB₃E	4	정사면체	삼각뿔	107.3°	NH₃
AB₂E₂	4	정사면체	굽은형(bent)	104.5°	H₂O

반발 세기

비공유쌍–비공유쌍 > 비공유쌍–결합쌍 > 결합쌍–결합쌍. 결합 전자쌍은 두 핵이 붙잡고 있어 공간을 덜 차지하고, 비공유쌍은 한 핵에만 매여 있어 더 넓게 퍼지기 때문이에요. 그래서 비공유쌍이 많을수록 결합각이 더 좁아져요. (CH₄ 109.5° → NH₃ 107.3° → H₂O 104.5°)

"모양 이름"은 원자 배열만 보고 붙여요(전자쌍은 보이지 않으므로). 물이 굽은형, 암모니아가 삼각뿔인 이유예요.
각도 숫자를 외워서 쓰는 문제는 안 나오지만, H₂O 104.5°는 반드시 알고 있어야 하는 상식이에요.

말단 원자 각도 문제

"말단 원자 사이 각도가 가장 작은 것"은 중심 원자의 비공유쌍이 많을수록 작아요. 비공유쌍이 없으면 이상적인 각(120°, 109.5°, 180°)이에요.

10.2 쌍극자모멘트

쌍극자모멘트 μ

μ = Q × r (전하의 크기 × 전하 사이 거리). 단위는 디바이(D). 1 D = 3.336 × 10⁻³⁰ C·m. μ는 크기만 나타내서 항상 양수예요.

이원자 분자: 서로 다른 원소(HCl, CO) → 극성, 같은 원소(H₂, O₂, F₂) → 무극성
3원자 이상: 극성 결합의 쌍극자가 벡터로 합쳐서 상쇄되는지를 모양으로 판단. CO₂는 직선이라 무극성(굽은형이었다면 극성).
극성 결합이 있어도 대칭이면 분자는 무극성: CO₂, CCl₄, CH₄, BF₃

NH₃ vs NF₃

같은 삼각뿔인데 NH₃ 1.46 D, NF₃ 0.24 D. N–H는 N쪽으로(EN: N > H) 쏠려 비공유쌍 방향과 같아서 합쳐지고, N–F는 F쪽으로(EN: F > N) 쏠려 비공유쌍과 반대여서 상쇄돼요.

cis vs trans

분자식이 같은 C₂H₂Cl₂도 모양이 다르면 쌍극자가 달라요. cis-이성질체는 벡터가 합쳐져 1.89 D, trans-이성질체는 상쇄되어 0이에요.

10.3 원자가결합이론 (VB theory)

Lewis 이론은 결합이 왜 생기는지 설명하지 못해요. H₂와 F₂는 둘 다 "전자 2개 공유"로 그리는데 결합 엔탈피와 길이가 크게 달라요.

분자	결합 엔탈피	결합 길이
H₂	436.4 kJ/mol	74 pm
F₂	150.6 kJ/mol	142 pm

VB 이론

분자 속 전자는 각 원자의 원자오비탈을 차지하고, 두 원자의 오비탈이 겹침(overlap)으로 공유결합이 형성된다. H₂는 1s–1s, F₂는 2p–2p, HF는 H 1s–F 2p의 겹침이에요.

겹치는 오비탈의 종류가 다르기 때문에 결합 에너지와 길이가 달라진다고 설명해요(F는 크기가 큰 2p를 써서 더 먼 거리에서 겹침).

두 H 원자가 가까워지면 에너지가 내려가다 최저점에서 안정한 H₂가 된다. 더 가까우면 반발로 급격히 올라간다.

결합이 생기면 에너지가 방출되고, 결합을 끊으려면 같은 만큼 에너지를 공급해야 해요.
"가장 안정한 지점" = 퍼텐셜 에너지가 가장 낮은 지점 (5초 풀이 유형).
분자오비탈(MO) 이론은 시험 범위가 아니에요.

10.4 혼성오비탈 (sp, sp², sp³)

혼성(hybridization)

한 원자의 s와 p 오비탈이 섞여 에너지가 같은 새 오비탈(혼성오비탈)을 만드는 것. 바닥 상태 전자는 짝지어 있어 안정하므로 먼저 전자를 승격(promotion)시킨 뒤 혼성해요.

왜 필요한가: BeCl₂의 두 Be–Cl 결합은 길이와 에너지가 같아야 하는데, 승격만 하면 2s와 2p 전자가 달라서 결합이 서로 달라진다. 에너지가 같은 오비탈로 섞어야 설명돼요.

혼성	섞는 오비탈	혼성오비탈 수	전자 영역 수	배열 / 각도	예
sp	s + p	2	2	직선 180°	BeCl₂, C₂H₂, CO₂
sp²	s + p + p	3	3	평면삼각형 120°	BF₃, C₂H₄, CO₃²⁻
sp³	s + p + p + p	4	4	정사면체 109.5°	CH₄, NH₃, H₂O

혼성 판단법

중심 원자에 붙은 원자 수 + 비공유쌍 수를 센다(이중·삼중결합은 1개로). 2 → sp, 3 → sp², 4 → sp³. NH₃는 결합 3 + 비공유쌍 1 = 4라서 sp³이고, 혼성오비탈 4개 중 하나를 비공유쌍이 차지해요(그래서 각도가 109.5°보다 작은 107.3°).

sp, sp²에서 섞이지 않고 남은 p 오비탈은 π결합에 쓰여요(다음 절).
"sp²"는 "에스피 투"로 읽어요. "sp 제곱"이 아니에요.
d 오비탈이 들어가는 혼성은 범위 밖이에요.

예제: 이중결합 N의 혼성 (N₂F₂)

N은 F 하나, 다른 N 하나, 비공유쌍 하나와 연결 → 전자 영역 3 → sp². 이중결합의 π 성분은 혼성에 쓰이지 않고 남은 p 전자에서 나온다. cis(F가 같은 쪽)는 쌍극자가 합쳐 μ ≠ 0, trans(F가 반대쪽)는 상쇄되어 μ = 0.

10.5 σ결합과 π결합

σ(시그마) 결합

오비탈이 머리를 맞대고(end-to-end) 겹쳐 전자밀도가 두 핵 사이에 몰린 일반적인 공유결합.

π(파이) 결합

혼성에 안 쓰인 p 오비탈이 옆으로(sideways) 겹쳐 전자밀도가 결합축의 위와 아래에 있는 결합.

결합	구성	예	탄소 혼성
단일결합	σ 1	C₂H₆	sp³
이중결합	σ 1 + π 1	C₂H₄ (σ 5, π 1)	sp²
삼중결합	σ 1 + π 2	C₂H₂ (σ 3, π 2)	sp

C₂H₄: 각 C는 sp² 오비탈 3개로 H 둘, 다른 C와 σ결합하고, 남은 2p_z 전자끼리 π결합. 그래서 6개 원자가 모두 한 평면에 있어요.
C₂H₂: 각 C는 sp 2개로 σ 둘, 남은 2p_y와 2p_z가 π결합 2개를 만들어요.
σ·π 개수 문제: 모든 결합은 σ 1개를 기본으로, 이중·삼중결합의 나머지가 π예요.

10장 연습문제

CH₄, NH₃, H₂O의 결합각이 109.5°, 107.3°, 104.5°로 줄어드는 이유를 쓰시오.

세 분자 모두 전자쌍 4개가 정사면체로 배열되지만, NH₃는 비공유쌍 1개, H₂O는 2개를 가진다. 비공유쌍–결합쌍 반발이 결합쌍–결합쌍 반발보다 커서 결합 전자쌍이 서로 가까이 밀려 결합각이 작아진다. 비공유쌍이 많을수록 더 작다.

CO₂, SO₂, CCl₄, NH₃, BF₃ 중 쌍극자모멘트가 0이 아닌 것은?

SO₂(굽은형), NH₃(삼각뿔). CO₂(직선), CCl₄(정사면체), BF₃(평면삼각형)는 극성 결합이 대칭으로 상쇄되어 무극성.

NH₃(1.46 D)가 NF₃(0.24 D)보다 쌍극자모멘트가 훨씬 큰 이유는?

NH₃: 전자가 N쪽으로 쏠리는 N–H 결합 쌍극자가 비공유쌍의 쌍극자와 같은 방향이라 합쳐진다. NF₃: EN이 F > N이라 N–F 쌍극자가 F쪽을 향해 비공유쌍의 쌍극자와 반대 방향이므로 대부분 상쇄되어 작다.

C₂H₄, C₂H₂, CH₂O, HCN의 중심 C(들) 혼성과 σ·π 개수를 쓰시오.

C₂H₄: sp², σ 5, π 1 · C₂H₂: sp, σ 3, π 2 · CH₂O: C sp², σ 3, π 1 · HCN: C sp, σ 2, π 2.

N₂F₂ 분자(N=N 이중결합, 각 N에 F 하나)에서 N의 혼성은? 두 이성질체(cis/trans) 중 쌍극자모멘트가 있는 것은?

N은 결합 원자 2개(F, N) + 비공유쌍 1개 = 전자 영역 3 → sp². cis(F가 같은 쪽)는 N–F 쌍극자가 합쳐 쌍극자모멘트가 있고, trans는 상쇄되어 0.

두 H 원자의 퍼텐셜 에너지-거리 그래프에서 H₂가 가장 안정한 점은 어디이고, 왜 에너지가 방출되나?

퍼텐셜 에너지가 최저인 점(핵간 거리 74 pm). 멀리 있을 때(에너지 0)보다 에너지가 낮아졌으므로 에너지 보존에 의해 그만큼 열로 방출된다. 반대로 결합을 끊으려면 그만큼을 공급해야 한다.

CO₂, CO₃²⁻, NO₂⁻, NO₃⁻에 대해 (a) 결합이 평균적으로 가장 짧은 것, (b) 중심 원자가 sp²인 것 모두, (c) 말단 원자 사이 각도가 가장 작은 것은?

(a) CO₂: 결합차수 2(C=O 이중결합 둘), 나머지는 4/3, 3/2, 4/3 정도. (b) CO₃²⁻, NO₂⁻, NO₃⁻(전자 영역 3: CO₂는 2라서 sp). (c) NO₂⁻: 중심 N에 비공유쌍이 있어 O–N–O가 120°보다 작다. CO₃²⁻, NO₃⁻는 120°, CO₂는 180°.

에놀레이트 이온 C₂H₃O⁻는 두 구조 H₂C=CH–O⁻ 와 H₃C–C̈=O(C에 비공유쌍)로 쓸 수 있다. (a) 형식전하로 더 타당한 구조를 고르고 (b) 그 구조의 CH(탄소 x)의 혼성과 σ·π 수를 쓰고 (c) H⁺가 붙은 분자의 Lewis 구조를 쓰시오.

(a) 첫 구조는 O에 −1, 둘째는 C에 −1. 음전하는 EN이 큰 O에 있는 첫 구조가 더 타당. (b) C_x는 결합 원자 3개(H, C, O), 비공유쌍 없음 → sp², σ 3개 + π 1개. (c) H⁺가 O⁻에 붙어 형식전하가 사라진 H₂C=CH–OH (모든 원자 형식전하 0).

11 Intermolecular Forces and Liquids and Solids 분자간 힘, 액체, 고체

11.1–11.2 분자간 힘 네 가지

상태	부피/모양	밀도	압축성	분자 운동
기체	용기를 따름	낮음	매우 잘 됨	자유로운 운동
액체	부피 일정, 모양은 용기	높음	약간	서로 미끄러짐
고체	부피·모양 일정	높음	거의 안 됨	고정 위치에서 진동

액체와 고체는 응축상(condensed phase). 액체가 일정한 부피를 갖는 이유: 분자가 분자간 힘으로 붙잡혀 있어 떨어져 나가지 못하기 때문이에요.
분자간 힘: 분자 사이의 인력. 분자내 힘: 분자 안의 원자를 붙잡는 화학결합.
분자간 힘이 훨씬 약해요. 물 1몰 기화에 41 kJ, 물 1몰의 O–H 결합 2개를 끊는 데 930 kJ(약 20배). 끓는점·녹는점은 분자간 힘의 세기를 반영해요.

힘	어디서	핵심
쌍극자–쌍극자	극성분자끼리	쿨롱 법칙. 쌍극자모멘트가 클수록, 가까울수록 강함. 액체에서는 평균적으로 인력이 최대가 되게 정렬
이온–쌍극자	이온 + 극성분자	이온의 전하·크기, 분자의 쌍극자모멘트에 의존. 같은 전하 크기면 양이온이 더 강함(음이온보다 작아 전하가 집중)
분산력(런던힘)	모든 원자·분자	순간쌍극자 → 유도쌍극자. 분극도가 클수록, 전자 수·몰질량이 클수록 강함
수소결합	N–H, O–H, F–H	특별히 강한 쌍극자–쌍극자 (다음 절)

반데르발스 힘

쌍극자–쌍극자 + 쌍극자–유도쌍극자 + 분산력을 묶어 부르는 이름. 이온–쌍극자는 반데르발스 힘이 아니고, 수소결합은 쌍극자–쌍극자의 특별한 경우로 따로 분류해요.

유도쌍극자와 분산력

유도쌍극자: 원래 무극성인 원자·분자에 이온이나 극성분자가 가까이 오면 전자구름이 쏠려 일시적으로 생기는 쌍극자. (이온이 유도하면 이온–유도쌍극자, 극성분자가 유도하면 쌍극자–유도쌍극자)
순간쌍극자: 아무 것도 없어도 전자가 한쪽에 순간적으로 몰려 생기는 극히 짧은 쌍극자. 이웃에 유도쌍극자를 만들며 생기는 인력이 분산력이에요.
분극도: 전자구름이 얼마나 쉽게 일그러지는가. 전자가 많고 퍼져 있을수록 커요.

영어 정의 (암기)

Dispersion forces: attractive forces that arise as a result of temporary dipoles induced in atoms or molecules. → 원자나 분자에 유도된 일시적인 쌍극자의 결과로 생겨나는 인력.

출제 함정

"존재하는 분자간 힘"을 물으면 분산력은 항상 포함해요. 극성분자끼리는 "쌍극자–쌍극자 + 분산력", 무극성끼리는 "분산력만"이에요. 쌍극자–쌍극자만 쓰면 오답이에요.

상식

He, N₂ 사이에는 분산력밖에 없어서 액체로 만들려면 매우 낮은 온도가 필요해요(액체 N₂ 약 77 K, 액체 He 약 4 K). 시험 범위는 아니에요.

11.2 수소결합

같은 족 수소화합물은 보통 몰질량이 클수록 끓는점이 높다(분산력 증가). 14족(CH₄ → SnH₄)은 그대로 따르지만 15·16·17족의 NH₃, H₂O, HF는 가장 가벼운데도 끓는점이 가장 높아요. 특별히 강한 분자간 힘, 즉 수소결합이 있다는 뜻이에요.

표기와 조건

A–H ··· B (점선으로 표기. 실선이면 H가 옥텟을 위반)

필요충분조건: ① 수소가 N, O, F에 공유결합되어 있고 ② 그 수소가 다른 분자의 N, O, F(비공유쌍)와 상호작용. 둘 다 만족해야 해요.

쌍	A–H	B	수소결합
H₂O ··· H₂O	O–H ✓	O ✓	가능
NH₃ ··· HF	N–H ✓	F ✓	가능
CH₄ ··· H₂O	C–H ✗	O	불가 (C에 붙은 H)

자주 틀리는 점

메탄의 수소처럼 N/O/F가 아닌 원자에 붙은 H는 수소결합을 못 해요. 이 규칙을 놓쳐 점수를 잃는 경우가 많아요.

예제: n-부틸아민, 프로판알, 펜테인, 메탄올의 끓는점 순서

n-부틸아민 > 메탄올 > 프로판알 > 펜테인. ① N–H, O–H가 있는 부틸아민·메탄올은 수소결합이 있어 따로 최상위 그룹. 둘 중 분자가 크고 전자가 많아 분산력이 큰 부틸아민이 더 높다. ② 수소결합이 없는 둘 중 프로판알은 쌍극자–쌍극자가 있고, 펜테인은 무극성이라 분산력뿐이므로 더 낮다(분산력은 가장 약한 힘).

증기압이 가장 낮은 것은 끓는점이 가장 높은 부틸아민: 분자간 힘이 가장 강해 증기로 잘 안 간다.

11.4 결정구조와 단위세포

결정성 고체

rigid하고 장거리 규칙성(long-range order)을 갖고, 원자·분자·이온이 특정 위치를 차지하는 고체(예: 얼음). 유리 같은 비정질은 장거리 규칙성이 없어요. 3차원 어디에서든 결함이 있으면 결정이 아니에요.

단위세포(unit cell)

결정을 이루는 가장 작은 반복 단위. 각 구슬(원자·이온·분자)을 격자점이라고 해요. 모든 결정은 7가지 단위세포 중 하나이고, 그중 가장 단순한 입방(cubic)만 계산해요(a=b=c, α=β=γ=90°).

구조	셀 안 원자 수	배위수	원자가 맞닿는 곳	a와 r의 관계	충전율
scc 단순입방	8 × 1/8 = 1	6	변	a = 2r	≈ 52% (π/6)
bcc 체심입방	1 + 8 × 1/8 = 2	8	몸통 대각선	a = 4r/√3	≈ 68%
fcc 면심입방	6 × 1/2 + 8 × 1/8 = 4	12	면 대각선	a = 2√2 r	≈ 74%

배위수: 한 원자를 둘러싼 이웃(원자·이온)의 수. 클수록 촘촘해요.
셀 원자 수 세기: 모서리 1/8, 모서리 선 1/4, 면 중심 1/2, 중심 1
한 물질이 scc, bcc, fcc 중 무엇이 되는지는 원자 크기에 달렸어요. 원자가 작을수록 더 촘촘한 구조(예: Cu는 fcc). 큰 분자일수록 scc가 많아요.

a와 r의 관계 유도 (피타고라스 두 번)

bcc

몸통 대각선 위: 모서리 r + 중심 2r + 모서리 r = 4r

정육면체 몸통 대각선 = √3·a (면 대각선 d² = 2a², a² + d² = 3a²)

√3 a = 4r → a = 4r/√3

fcc

면 대각선 위: 모서리 r + 면 중심 2r + 모서리 r = 4r

정사각형 면 대각선 = √2·a

√2 a = 4r → a = 2√2 r

핵심은 "맞닿는 선의 길이를 a로도, r로도 써서 같다고 놓기"예요. 공식을 외우지 말고 유도할 수 있게 해두세요.

11.4–11.6 밀도 계산과 이온결정

밀도 공식 틀

ρ = (셀 안 입자 수 n × 몰질량 M) ÷ (N_A × a³)

1 pm = 10⁻¹⁰ cm = 10⁻¹² m. a³을 cm³로 바꿀 때 세제곱을 잊지 마세요.

검산 습관

단위를 식마다 쓰고 pm·cm를 섞지 않아요. 답의 자릿수를 먼저 예측해요(물 1 g/cm³보다 크고 금 19.3 g/cm³보다 작은 범위에서 벗어나면 단위 환산 실수). 원자 반지름은 대략 100~200 pm(세 자리)이어야 해요. 셀 안 원자 수는 1, 2, 4 중 하나로 나와야 해요.

예제: 금(fcc)의 원자 반지름, 밀도 19.3 g/cm³, M = 197.0 g/mol

n = 4. a³ = 4(197.0) / (6.022×10²³ × 19.3) = 6.78×10⁻²³ cm³ → a = 4.08×10⁻⁸ cm = 408 pm. r = a/(2√2) = 144 pm.

예제: 철, 셀 한 변 287 pm, 밀도 7.87 g/cm³, M = 55.85 → 셀 안 원자 수?

a³ = (2.87×10⁻⁸ cm)³ = 2.36×10⁻²³ cm³. 질량 = 7.87 × 2.36×10⁻²³ = 1.86×10⁻²² g. 원자 수 = 1.86×10⁻²² × 6.022×10²³ / 55.85 = 2.0 → 2개, bcc.

이온결정 (NaCl, CsCl만 계산)

이온결정은 scc·bcc·fcc와 다른 세계예요. 셀 안에 양이온·음이온이 모두 들어 있어요. ZnS, CaF₂ 같은 구조는 계산하지 않아요.

구조	셀 안 입자	배위수	변의 관계
NaCl형	Na⁺ 4 + Cl⁻ 4 (NaCl 4쌍)	6 : 6	a = 2(r₊ + r₋)
CsCl형	Cs⁺ 1 + Cl⁻ 1 (1쌍)	8 : 8	√3 a = 2(r₊ + r₋)

NaCl: Cl⁻가 fcc 위치(모서리 8×1/8 + 면 6×1/2 = 4), Na⁺는 모서리 선 12곳에 1/4씩 + 중앙 1 = 4개.
CsCl: 한 이온이 모서리, 다른 이온이 중심. bcc처럼 몸통 대각선으로 계산하되 중심과 모서리가 서로 다른 이온이에요.

예제: NaCl 셀 한 변 564 pm, 밀도(g/cm³)?

셀 안 NaCl 4개. 질량 = 4 × 58.44 / 6.022×10²³ = 3.88×10⁻²² g. 부피 = (5.64×10⁻⁸ cm)³ = 1.79×10⁻²² cm³. ρ = 2.16 g/cm³. (1보다 크고 19.3보다 작아서 타당)

11.8 상변화와 증기압

상변화: 열이 더해지거나 빠질 때 일어나는 물리적 변화. 고체가 질서가 가장 크고 기체가 무질서가 가장 커요.
증발(vaporization): 액체 분자가 표면에서 탈출할 만큼의 에너지를 얻어 기체가 되는 과정. 아무 때나 되는 게 아니에요.
응축(condensation): 증기 분자가 액체 표면에 부딪혀 분자간 힘에 붙잡혀 액체로 돌아가는 것 (수소결합·분산력·쌍극자 힘이 붙잡음)
증기압: 밀폐 용기에서 증발한 증기가 누르는 압력(U자관 수은 높이 차 h). 증기가 충분해야 측정되고 결국 안정돼요.

동적평형

정반응 속도와 역반응 속도가 같은 상태. 증발 속도 = 응축 속도가 될 때의 증기압이 평형 증기압(보통 그냥 증기압)이에요.

평형에서도 증발과 응축은 계속 일어나고, 두 속도가 같을 뿐이다.

오개념

평형에 도달하면 증발과 응축이 멈춘다고 착각하기 쉬워요. 실제로는 두 속도가 0이 아닌 같은 값으로 계속 진행돼요. 겉으로만 변화가 없어 보여요.

11장 연습문제

다음 쌍 사이에 존재하는 분자간 힘을 모두 쓰시오. (a) HBr과 H₂S (b) Cl₂와 CBr₄

(a) 둘 다 극성: 쌍극자–쌍극자 + 분산력. (b) 둘 다 무극성(CBr₄는 정사면체로 대칭): 분산력만.

다음 중 분자 사이에 수소결합이 형성되는 것은? ① CH₄–H₂O ② NH₃–H₂O ③ CH₃F–CH₃F ④ HF–HF

② ④. ①은 H가 C에 붙음, ③은 F가 C에 붙어 있고 H도 C에 붙어 N/O/F–H 결합이 없음.

n-부틸아민, 프로판알, 펜테인, 메탄올을 끓는점이 높은 순으로 나열하고 분자간 힘으로 설명하시오.

부틸아민 > 메탄올 > 프로판알 > 펜테인. 수소결합 그룹(부틸아민, 메탄올) > 쌍극자–쌍극자(프로판알) > 분산력만(펜테인). 같은 그룹 안에서는 전자 수가 많은(분산력이 큰) 쪽이 높다(부틸아민 > 메탄올).

scc, bcc, fcc 단위세포 하나에 들어 있는 원자 수와 배위수는?

scc 1개, 배위수 6 · bcc 2개, 배위수 8 · fcc 4개, 배위수 12.

bcc에서 a = 4r/√3임을 유도하시오.

몸통 대각선을 따라 원자가 맞닿아 길이 = r + 2r + r = 4r. 정육면체 몸통 대각선 = √(a² + (√2a)²) = √3 a. 따라서 √3 a = 4r, a = 4r/√3.

철의 결정이 한 변 287 pm인 입방 격자이고 밀도가 7.87 g/cm³(M = 55.85)일 때 단위세포 안 원자 수는?

질량 = ρ·a³ = 7.87 × (2.87×10⁻⁸)³ = 1.86×10⁻²² g → 원자 수 = 1.86×10⁻²² × 6.022×10²³/55.85 ≈ 2 → bcc.

NaCl 단위세포의 한 변이 564 pm일 때 밀도는?

NaCl 4개: 4(58.44)/6.022×10²³ = 3.88×10⁻²² g. V = (5.64×10⁻⁸)³ = 1.79×10⁻²² cm³. ρ ≈ 2.16 g/cm³.

금은 fcc, 밀도 19.3 g/cm³, 몰질량 197.0 g/mol이다. 금의 원자 반지름(pm)은?

a³ = 4(197.0)/(6.022×10²³·19.3) = 6.78×10⁻²³ cm³ → a = 408 pm → r = a/(2√2) = 144 pm.

"동적평형에 도달하면 증발이 멈춘다"는 주장이 틀린 이유를 쓰시오.

평형에서는 증발 속도와 응축 속도가 같을 뿐 0이 아니므로 액체 분자가 계속 증기로 가고 증기 분자가 계속 액체로 돌아온다. 증기압과 액체 양이 변하지 않는 것은 두 과정의 순 변화가 0이기 때문이다.

다음을 분자 수준에서 설명하시오. (a) N₂의 결합 에너지가 O₂보다 큰 이유 (b) Cl₂의 끓는점이 O₂보다 높은 이유 (c) H₂O는 액체인데 H₂와 O₂는 기체인 이유

(a) N₂는 삼중결합(결합차수 3), O₂는 이중결합이라 N₂ 결합이 더 강하다. (b) 둘 다 무극성이라 분산력만 있고 Cl₂가 전자가 더 많아 분극도가 커서 분산력이 크다. (c) H₂O는 O–H가 있어 분자 사이에 수소결합이 있어 분자간 힘이 훨씬 강하고, H₂·O₂는 분산력만 있어서 상온에서 기체이다.

12 Physical Properties of Solutions 용액의 물리적 성질

12.1–12.2 용액의 종류와 용해 과정

용액

둘 이상의 물질이 균일하게 섞인 혼합물. 양이 많은 쪽이 용매, 적은 쪽이 용질이에요. "용매는 액체, 용질은 고체"가 아니에요.

성분 1	성분 2	용액 상태	예
기체	기체	기체	공기 (N₂ 용매, O₂ 용질)
기체	액체	액체	탄산수 (물에 CO₂)
기체	고체	고체	팔라듐 속 H₂
액체	액체	액체	물 + 에탄올
고체	액체	액체	물 + NaCl
고체	고체	고체	합금(황동, 땜납)

용액	정의
포화	특정 온도에서 녹을 수 있는 최대량이 녹아 있음 (온도가 바뀌면 달라짐)
불포화	최대량보다 적게 녹아 있음
과포화	포화보다 더 많이 녹아 있음. 불안정해서 충격이나 온도 변화로 용질이 결정화(crystallization)되어 나옴

용해 과정의 분자적 관점

용질이 용매 자리를 차지하려면 세 가지 상호작용을 비교해야 해요: 용매–용매, 용질–용질, 용매–용질. 3단계로 나누면:

용매끼리 떼어내기 (ΔH₁ > 0, 흡열)
용질끼리 떼어내기 (ΔH₂ > 0, 흡열)
용매와 용질이 섞이기 (ΔH₃, 발열 또는 흡열)

ΔH_soln = ΔH₁ + ΔH₂ + ΔH₃

용질–용매 인력이 용매–용매, 용질–용질 인력보다 강하면 발열(ΔH_soln < 0)이고 용해에 유리해요. 더 약하면 흡열(> 0)이에요.
용해는 에너지만이 아니라 무질서도(엔트로피) 증가도 추진력이라서, 흡열이어도 녹을 수 있어요(자세한 건 17장).

12.2 like dissolves like와 혼화성

like dissolves like

분자간 힘의 종류와 세기가 비슷한 두 물질이 서로 잘 녹는다. 이 문장 자체는 과학적 표현이 아니라서 답안에는 두 물질의 분자간 힘을 각각 나열해 비교해서 써야 해요.

혼화성(miscible)

두 액체가 모든 비율로 완전히 서로 녹는 성질. 액체–액체에서만 쓰는 말이에요.

조합	분자간 힘	결과
CCl₄ + 벤젠	둘 다 분산력만 (세기도 비슷)	miscible
메탄올·에탄올 + 물	모두 수소결합, 극성	miscible
C₄H₁₀ + 물	분산력 vs 수소결합	잘 안 녹음

이온 화합물과 수화

이온 화합물은 극성 용매(물, 액체 NH₃, 액체 HF)에 훨씬 잘 녹아요. 이온이 이온–쌍극자 상호작용(수화, hydration)으로 안정화되기 때문이에요.
물은 O쪽이 δ⁻, H쪽이 δ⁺이므로 양이온은 O쪽이, 음이온은 H쪽이 감싸요.
무극성 용매(벤젠, CCl₄)는 쌍극자모멘트가 없어 이온을 감싸지 못해요(이온–유도쌍극자는 매우 약함) → 이온 화합물은 거의 안 녹아요.
용매화(solvation): 이온·분자가 용매 분자로 둘러싸이는 것. 용매가 물이면 수화예요.

12.3 농도 단위

단위	식	분모
질량 %	용질 질량 ÷ 용액 질량 × 100	용액 질량 (용질 + 용매)
몰분율 X	성분 A 몰수 ÷ 전체 몰수	단위 없음, 0~1
몰농도 M	용질 몰수 ÷ 용액 부피(L)	용액 1 L
몰랄농도 m	용질 몰수 ÷ 용매 질량(kg)	용매 1 kg

몰랄농도가 따로 있는 이유

부피(몰농도의 분모)는 온도·고도에 따라 변하지만 질량은 변하지 않아요. 그래서 어디서 재도 일정하고, 정밀한 표준 용액에 유리해요. 용액이 아니라 용매의 질량을 쓰면 용매–용질 상호작용을 고려하지 않고 값을 고정할 수 있어요. 그래서 온도가 변하는 끓는점·어는점 문제에 써요. M(대문자)과 m(소문자)을 헷갈리지 마세요. 발음도 l을 살려서 구분해요.

예제: KCl 0.892 g을 물 54.6 g에 녹인 용액의 질량 %

0.892 / (0.892 + 54.6) × 100 = 1.6% (분모에 용매 질량을 더하는 것 확인)

예제: 황산 24.4 g (98.09 g/mol)을 물 198 g에 녹인 용액의 몰랄농도

n = 24.4/98.09 = 0.249 mol, 용매 0.198 kg → m = 1.26 m

예제: 2.45 M 메탄올(32.04 g/mol) 수용액, 밀도 0.976 g/mL → 몰랄농도

용액 1 L 가정: 질량 976 g. 메탄올 2.45 mol = 78.5 g. 물 = 976 − 78.5 = 897.5 g = 0.8975 kg. m = 2.45/0.8975 = 2.73 m

예제: 35.4 질량% 인산(97.99 g/mol)의 몰랄농도

용액 100.0 g 가정: 인산 35.4 g = 0.361 mol, 물 64.6 g = 0.0646 kg. m = 5.59 m

변환 요령

몰농도 ↔ 몰랄농도는 밀도가 다리예요. "용액 1 L" 또는 "용액 100 g"처럼 편한 양을 가정하고 시작해요.

12.4–12.5 온도·압력과 용해도

온도 (12.4)

고체: 대부분 온도가 오르면 용해도 증가(예외 있음). ΔH_soln의 부호와는 상관관계가 없고 실험으로 확인해요(CaCl₂는 발열, NH₄NO₃는 흡열인데 둘 다 증가).
기체: 온도가 오르면 용해도 감소. 끓기 전 컵 벽에 생기는 공기 방울, 열오염(수온 상승 → 용존 산소 감소 → 물고기 피해)이 예시예요.

분별 결정화

용해도 차이로 혼합물을 순수 성분으로 분리. KNO₃ 90 g + NaCl 10 g을 60℃ 물 100 mL에 녹여 0℃로 식히면, 0℃ 용해도는 KNO₃ 12.1 g, NaCl 34.2 g(물 100 g당)이라 KNO₃ 약 78 g만 결정으로 석출되고 NaCl은 전부 녹아 있어 거르면 분리돼요.

압력 (12.5): 헨리의 법칙

압력은 액체·고체의 용해도에는 영향이 없고 기체의 용해도는 압력에 비례해요.

c = kP (c: 몰농도 mol/L, P: 기체 압력 atm, k: 온도에 의존하는 상수 mol/(L·atm))

여러 기체가 있으면 P는 그 기체의 부분압력
탄산음료는 고압 CO₂로 밀봉. 뚜껑을 열면 압력이 대기 중 CO₂ 분압(0.0003 atm)으로 떨어져 초과분이 거품으로 나와요.
풀이 패턴: 주어진 조건으로 k를 먼저 구하고 → 새 압력에 적용

예제: 25℃, 1 atm에서 N₂ 용해도 6.8×10⁻⁴ mol/L. 대기 중(0.78 atm) 용존 N₂ 농도?

k = 6.8×10⁻⁴ / 1 = 6.8×10⁻⁴ mol/(L·atm). c = kP = 6.8×10⁻⁴ × 0.78 = 5.3×10⁻⁴ M

12.6 총괄성 (비전해질, 묽은 용액)

총괄성(colligative properties)

용질의 종류와 무관하게 입자 수에만 의존하는 성질. 증기압 내림, 끓는점 오름, 어는점 내림, 삼투압. 비전해질 용질과 묽은 용액(≲ 0.2 M)만 다뤄요.

성질	식	쓰는 농도	용질을 넣으면
증기압 내림	P₁ = X₁P₁°, ΔP = X₂P₁°	몰분율	증기압 ↓
끓는점 오름	ΔT_b = K_b·m	몰랄농도	끓는점 ↑
어는점 내림	ΔT_f = K_f·m	몰랄농도	어는점 ↓
삼투압	π = MRT	몰농도	삼투압 발생

증기압 내림과 라울의 법칙

P₁° = 순수 용매의 증기압, P₁ = 용액 위 용매의 증기압, X₁·X₂ = 용매·용질의 몰분율(X₁ = 1 − X₂), ΔP = P₁° − P₁(항상 양수)
이유: 증발은 무질서도를 늘리는데 용액은 이미 더 무질서해서, 용액 → 증기로 늘어나는 무질서도 차이가 작다. 그래서 용매가 용액을 떠나려는 경향이 약하다.
두 성분 모두 휘발성이면 P_A = X_AP_A°, P_B = X_BP_B°, P_T = P_A + P_B(돌턴)
이상 용액: 라울의 법칙을 따르는 용액, ΔH_soln = 0 (벤젠+톨루엔)

	A–B 인력	실제 증기압	ΔH_soln
양의 편차	A–A, B–B보다 약함	예측보다 큼	+ (흡열)
음의 편차	A–A, B–B보다 강함	예측보다 작음	− (발열)

예제: A, B 같은 몰수, 순수 증기압 120과 180 mmHg, 실제 용액 증기압 164 mmHg → 분자간 힘?

이상값 = 0.5(120) + 0.5(180) = 150 mmHg. 실제(164)가 더 크므로 양의 편차 → A–B 인력이 A–A, B–B보다 약하다(분자가 더 쉽게 증기로 감).

예제: 포도당 218 g(180.2 g/mol)을 물 460 mL에 녹인 30℃ 용액의 증기압 내림 (30℃ 순수 물 31.82 mmHg)

포도당 1.21 mol, 물 25.5 mol → X₂ = 0.0453. ΔP = X₂P° = 0.0453 × 31.82 ≈ 1.4 mmHg

끓는점 오름, 어는점 내림, 삼투압

끓는점: 증기압이 외부 압력과 같아지는 온도. 증기압이 낮아지니 더 높은 온도가 필요해요. 몰랄농도를 쓰는 이유는 온도가 바뀌면 부피가 변해 몰농도가 달라지기 때문이에요.
어는점 내림: 얼 때는 무질서 → 질서로 가는데 용액은 더 무질서해서 더 많은 에너지를 빼야 하고, 석출되는 고체는 순수한 용매예요.
삼투: 용매가 반투막을 통해 묽은 → 진한 쪽으로 이동. 삼투압은 삼투를 멈추는 압력이에요. R = 0.0821 L·atm/(K·mol), T는 K.

용매	어는점 (℃)	K_f (℃/m)	끓는점 (℃)	K_b (℃/m)
물	0	1.86	100	0.52
벤젠	5.5	5.12	80.1	2.53
에탄올	−117.3	1.99	78.4	1.22
아세트산	16.6	3.90	117.9	2.93
사이클로헥세인	6.6	20.0	80.7	2.79

예제: 에틸렌글리콜(62.01 g/mol) 651 g을 물 2505 g에 녹인 용액의 어는점. 여름에도 라디에이터에 두어도 되나?

m = (651/62.01)/2.505 = 4.19 m. ΔT_f = 1.86 × 4.19 = 7.79℃ → 어는점 −7.79℃. 비휘발성(끓는점 197℃)이라 ΔT_b = 0.52 × 4.19 ≈ 2.2℃로 끓는점도 올려주므로 그대로 둬도 된다.

예제: 실험식 C₅H₄ 화합물 7.85 g을 벤젠 301 g에 녹였더니 어는점이 1.05℃ 내려감. 분자식?

m = 1.05/5.12 = 0.205 m. 몰수 = 0.205 × 0.301 = 0.0617 mol. 몰질량 = 7.85/0.0617 = 127 g/mol. 실험식량 64.08의 약 2배 → C₁₀H₈.

문제 푸는 흐름

① 어떤 성질을 묻는지 식 고르기 → ② 질량을 몰수로, 필요한 농도 단위로 변환 → ③ 대입 → ④ 몰질량 문제는 ΔT → m → 몰수 → 몰질량 순으로 거꾸로 계산

12장 연습문제

C₄H₁₀, HBr, KNO₃ 중 물보다 벤젠에 더 잘 녹는 것은? 이유와 함께 쓰시오.

C₄H₁₀. 무극성이라 분산력만 있어 같은 분산력뿐인 벤젠과 분자간 힘이 비슷하다. HBr(극성)은 쌍극자–쌍극자 힘을 만들 수 있는 물을, KNO₃(이온 화합물)는 수화(이온–쌍극자)가 가능한 물을 선호한다.

황산 98.0 질량% 용액(밀도 1.83 g/mL)의 몰랄농도와 몰농도는? (H₂SO₄ 98.09 g/mol)

용액 100 g: H₂SO₄ 98.0 g = 0.999 mol, 물 2.0 g = 0.0020 kg → m ≈ 5.0×10² m. 부피 = 100/1.83 = 54.6 mL = 0.0546 L → M ≈ 18.3 M.

37℃, N₂ 분압 0.80 atm에서 혈액 속 N₂ 용해도는 5.6×10⁻⁴ mol/L이다. 잠수부가 압축 공기를 마셔 N₂ 분압이 4.0 atm이 된 뒤 분압 0.80 atm인 수면으로 돌아오면, 혈액 5.0 L에서 방출되는 N₂는 37℃, 1 atm에서 몇 L인가?

k = 5.6×10⁻⁴/0.80 = 7.0×10⁻⁴. 4.0 atm에서 c = 2.8×10⁻³ M → 5.0 L에 0.014 mol. 수면에서는 5.6×10⁻⁴ M → 0.0028 mol. 방출 = 0.0112 mol → V = nRT/P = 0.0112 × 0.0821 × 310 = 약 0.29 L.

0.10 M 포도당 수용액의 25℃ 삼투압(atm)은?

π = MRT = 0.10 × 0.0821 × 298 = 2.4 atm.

용액의 증기압이 순수 용매보다 낮은 이유를 무질서도로 설명하시오.

증발하면 분자가 액체일 때보다 더 무질서해진다. 그런데 용액은 순수 용매보다 이미 더 무질서하므로 용액 → 증기에서 늘어나는 무질서도 차이가 순수 용매 → 증기일 때보다 작다. 따라서 용매 분자가 용액을 떠나려는 경향이 작아 증기압이 낮다.

물 3.00 mol과 비휘발성 용질 0.30 mol의 용액에서 물의 증기압을 구하시오(순수 물 24.0 mmHg 가정).

X_물 = 3.00/3.30 = 0.909. P = X·P° = 0.909 × 24.0 = 21.8 mmHg (ΔP = 2.2 mmHg).

KNO₃ 90 g에 NaCl 10 g이 섞여 있다. 용해도 차이를 이용해 KNO₃를 정제하는 방법을 쓰시오.

60℃ 물 100 mL에 혼합물을 모두 녹인 뒤 0℃로 식힌다(분별 결정화). 0℃ 용해도가 KNO₃ 12.1 g, NaCl 34.2 g(물 100 g당)이므로 KNO₃ 약 78 g이 석출되고 NaCl은 모두 녹아 있다. 거르면 순수 KNO₃를 얻는다(약 90% 회수).

페로몬 화합물(C 80.78%, H 13.56%, O 5.66%) 1.00 g을 벤젠 8.50 g에 녹였더니 어는점이 3.37℃(순수 벤젠 5.50℃)가 되었다. 분자식과 몰질량은?

ΔT_f = 2.13℃ → m = 2.13/5.12 = 0.416. 몰수 = 0.416 × 0.00850 = 3.54×10⁻³ mol → M = 1.00/3.54×10⁻³ ≈ 283 g/mol. 실험식: C 6.73 : H 13.45 : O 0.354 ≈ 19 : 38 : 1 → C₁₉H₃₈O (282.5).

★ 마무리 시험 직전 한 장 요약

공식 한눈에

장	핵심 식과 값
9	형식전하 = 원자가 전자 − (비공유 전자 + ½ 결합 전자) · 합 = 전체 전하
10	μ = Q × r · 1 D = 3.336×10⁻³⁰ C·m · sp 180° / sp² 120° / sp³ 109.5° · H₂O 104.5°
11	셀 원자 수 1·2·4 · a = 2r, 4r/√3, 2√2 r · ρ = nM/(N_Aa³) · NaCl 셀 4쌍
12	m = mol/kg 용매 · c = kP · ΔP = X₂P° · ΔT_b = K_bm · ΔT_f = K_fm · π = MRT (R = 0.0821)