1 화학식 쓰기
2 산과 염기
3 산화-환원 반응
1 화학식 쓰기
원소들(elements)과 몇 가지 기본 규칙들을 알게 되면 주어진 화학식으로부터 간단한 화합물들의 이름을 지을 수 있다. 또한 역으로 일단 우리가 화합물의 이름을 알면, 이름으로부터 이에 해당하는 화학식을 쓸 수도 있다. 분자 화합물에 있어서 그 이름에 포함되어있는 전치사(prefixes)를 통해 상당히 쉽게 화학식을 쓸 수 있다. 예를 들어, 이산화 황(sulfur dioxide)이면 SO2이고 일산화탄소(carbon monoxide)는 CO 이다.
이온 화합물의 화학식을 쓰기 위해선 이온 화합물을 구성하는 양이온과 음이온의 하전을 알아야 한다. 일반적인 이온의 하전에 대한 정보는 주기율표에서 얻어진다. 여기에서 간단한 이온 화합물의 화학식을 쓰는데 도움이 되는 몇 가지 규칙을 제시한다.
1. 주기율표에서 첫 칼럼에 있는 1 족 원소들은 +1하전을 띤 이온을 형성한다.
2. 주기율표에서 둘째 줄에 있는 2 족 원소들은 +2하전을 띤 이온을 형성한다.
3. 일반적으로 말해 13족에 있는 원소들은 +3하전을 띤 이온을 형성한다.
4. 산소와 황은 일반적으로 -2하전을 띤 이온을 형성한다.
5. 17족의 할로겐화물은 -1하전을 띤 이온을 형성한다.
위의 기본적인 규칙과 화합물은 알짜 전하를 띠지 않는다는 사실로부터 화합물의 화학식을 쓸 수 있다. 여기서 간략하게 화학식 쓰는 법을 연습해 보기로 하자. 염화마그네슘(Magnesium chloride)의 화학식을 써보자. 마그네슘(Magnesium)은 2족 원소이므로 Mg2+이온을 형성함을 알 수 있다.
염화이온(chloride)은 할로겐 원소이므로 Cl-이온을 형성한다. 중성의 염화마그네슘(magnesium chloride)을 만들기 위해서 두개의 염화(chloride)이온들이 하나의 마그네슘(magnesium)이온과 결합하여야 한다. 결과적으로 염화마그네슘(magnesium chloride)의 화학식은 MgCl2이다. 이온화합물의 화학식을 결정하는 손쉬운 방법은 일단 이온들을 쓰고 그 위에 해당되는 하전을 쓴 후 하전을 교차하여 아래 첨자로 쓰는 방법이다.
여기에서 +2하전을 지닌 마그네슘이온과 균형을 맞추기 위해 -1하전을 지닌 두개의 염화(chloride)이온들이 필요한 것을 주목하라. 만약 아래 첨자가 공통 요소를 갖는다면, 아래 첨자를 그 공통요소로 나누어 준 후 표시한다. 따라서 barium oxide의 화학식은 Ba2O2가 아닌 BaO로 나타낼 수 있다.
같은 방법으로 다 원자 이온이 화합물을 구성하는 이온이 경우의 화학식을 쓸 수 있다. 예를 들어 황산나트륨(sodium sulfate)의 화학식은 Na2SO4이다.
1. 화학 반응
화학적 변화는 화학 반응을 통해서 일어난다. 화학기호들도 화학식에서 화학 반응을 쓰는데 사용된다. 예를 들어 수소 가스와 산소 가스 혼합물이 연소했을 때, 수소와 산소는 결합하여 물을 형성한다. 수소와 산소가 결합하여 물을 생성하는 것을 나타내는 화학식은 다음과 같다.
위에 제시한 화학식을 좀 더 자세히 살펴보도록 하자. 수소와 산소는 원자로 보다는 분자로 쓸 수 있다. 수소, 산소, 그 외 여러 가지 기체들 (Cl2, N2, Br2, I2) 역시 자연 상태에서 두 원자로 구성된 분자로 존재한다. 식에서 +의 의미는 +앞의 원소와 뒤의 원소가 반응한다는 의미이다. 따라서 앞서 제시된 식은 수소 한 분자가 산소 한 분자와 반응하여 물 한 분자를 만든다는 것을 나타낸다. 여기서 수소와 산소는 반응물이라 불려진다.
이와 같은 반응물은 화학식의 왼쪽에 나타난다. 이 반응에서 물은 생성물이고 생성물은 화학식의 오른쪽에 나타난다. 화학식을 쓰는 기본 방법은 각각의 반응물들을 + 기호를 사용하여 분리하여 왼쪽에 쓴 후, 오른쪽에 있는 생성물 쪽으로 화살표를 그리는 것이다. 위에서 식 아래 그린 동그라미는 원자들을 나타낸다.
이와 같은 동그라미는 이 화학식이 균형 잡히지 않았음을 나타내준다. 화학식에 반드시 나타나야 하는 화학 기본 규칙 중의 하나는 질량 보존 법칙이다. 물을 구성하는 원자의 개수를 세어보면 산소 원자의 수가 반응물의 산소 개수와 맞지 않음을 알 수 있을 것이다. 질량 보존 법칙에 맞추어 방정식의 양쪽에 있는 각 원소의 원자수를 같게 하여 화학식을 쓰는 과정을 화학식 균형 맞추기라 한다.
화학식은 방정식 양쪽에 있는 각 원소들의 원자 개수를 같게 하기 위해, 반응물과 생성물 앞에 자연 계수를 넣어주는 것으로 균형 맞추어진다. 이 때 계수는 화학식 내에 있는 모든 것들에 공통적으로 적용되는 배수이며. 반응에 관련된 반응물과 생성물의 화학식 단위의 상대적인 수를 나타낸다. 앞의 예에서 수소와 물 앞에 계수 2를 넣어줌으로 방정식의 균형을 맞춘다. 여기서 방정식의 양쪽에 수소와 산소 원자의 개수가 일치함을 알 수 있다. 화학 방정식의 계수를 맞춘 후에 이 식은 수소 두 분자가 산소 한 분자와 반응하여 두개의 물 분자를 만들어 내는 반응으로 쓸 수 있다.
또한 화학 방정식을 쓸 때 추가 정보를 식에 포함 시킬 수 있다. 일반적으로 (s), (l), (g), (aq) 등을 삽입함으로서 물질의 물리적 상태를 표시해 준다. 예를 들어 탄소가 연소하여 이산화탄소를 만드는 반응을 다음과 같이 나타낼 수 있다.
여기에서, 화살표 위 아래에 반응이 일어나기 위해 필요한 조건등을 넣어 줄 수 있다. 예를 들어 화살표 위에 Δ를 넣어 주면, 반응이 일어나기 위해서 열이 필요하다는 것을 의미하며, hv를 넣어주면 자외선이 필요하다는 것을 의미한다.
2. 화학 반응의 종류
앞에서 제시한 수소와 산소가 반응하여 물을 만드는 반응이나 탄소와 산소가 반응하여 이산화탄소를 만드는 반응은 결합 반응(combination reaction)의 예라 할 수 있다. 이렇게 두개 혹은 그 이상의 물질이 합하여져서 한 물질을 만드는 반응을 결합(combination) 혹은 합성 반응(synthesis reaction)이라 한다. 이 밖에도 세 종류의 다른 반응들이 존재하는데, 이는 분해 반응(decomposition reaction), 단일 치환 반응(single replacement reaction), 그리고 이중 치환반응(double replacement) 혹은 상호교환반응(exchange reaction) 이다. 그림 1에서 각 반응을 간단히 나타내었다.
분해 반응은 조합 반응과 반대되는 반응이다. 분해 반응은 한 화합물이 두개 혹은 그 이상의 간단한 물질로 쪼개지는 반응을 말한다. 전류를 이용하여 물을 수소와 산소로 분해 할 수 있다.
전류
2H2O (l) → 2H2 (g) + O2 (g)
이와 같은 분해 반응은 원광으로부터 순수 금속을 얻는데 사용되는 유용한 반응이다.
단일 치환반응은 화합물의 한 원소를 다른 원소로 바꾸는 반응이다. 단일 치환 반응의 예는 나트륨과 물의 반응이다.
2 Na (s) + 2 H2O (l) → 2 NaOH (aq) + H2(g)
이 반응에서 나트륨이 물 분자의 수소를 치환한다. 수소는 물로부터 나와 수소 기체와 수산화나트륨을 만든다. 다중 치환 반응 혹은 상호교환반응은 한 반응에서 두 개의 원소의 위치가 바뀌는 반응이다. 침전반응, 산-염기 중화 반응, 기체 형성반응 등이 이에 속하는데, 일반적인 다중치환 반응은 강산이 강염기와 반응할 때 나타난다. 염산과 수산화나트륨의 반응을 살펴보면 다음과 같다.
HCl (aq) +NaOH (aq) → NaCl (aq) + H2O(l)
위 반응에서 수소와 나트륨위치를 그들의 위치를 바꾼다. 이 반응은 산과 염기가 반응하여 서로 중화하는 반응이다.
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