04-1. 화학의 핵심 개념과 용어

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A. 원자와 분자 — 가장 기초

A-1. 원자 구성

양성자(p⁺)   - 양전하, 핵 안, 원자번호 결정
중성자(n⁰)   - 중성, 핵 안, 동위원소 차이 결정
전자(e⁻)     - 음전하, 핵 주위 (확률 구름)

원자번호 Z = 양성자 수 (= 중성 원자의 전자 수)
질량수    A = 양성자 + 중성자
동위원소(Isotope): 같은 Z, 다른 A
  예: ¹²C와 ¹⁴C — 둘 다 탄소, 중성자만 다름

A-2. 전자 배치 — 화학의 핵심

주양자수 n: 1, 2, 3, ...   (껍질)
부양자수 l: 0(s), 1(p), 2(d), 3(f)   (오비탈 모양)
자기 m: -l ~ +l   (방향)
스핀 s: ±1/2

각 오비탈에는 전자 2개까지 (파울리 배타).

채우는 순서(아우프바우 규칙):
  1s → 2s → 2p → 3s → 3p → 4s → 3d → 4p ...

가장 바깥 껍질의 전자 = 원자가 전자(valence)
→ 화학적 성질을 결정한다

A-3. 주기율표의 구조

같은 행(주기)   = 같은 주양자수
같은 열(족)     = 같은 원자가 전자 수 (= 비슷한 성질)

대표 족:
  1족  알칼리금속  (Li, Na, K) — 매우 반응성, 1가 양이온
  2족  알칼리토금속 (Mg, Ca)  — 2가 양이온
  17족 할로젠      (F, Cl, Br) — 매우 반응성, 1가 음이온
  18족 비활성기체  (He, Ne, Ar) — 거의 반응 안 함

옥텟 규칙: 원자가 전자 8개를 가지려는 경향 (안정 상태)

B. 화학 결합

B-1. 결합 4종

[이온 결합]
  전자를 주고받음 (금속 + 비금속)
  예: Na⁺ + Cl⁻ → NaCl
  특성: 단단, 결정, 물에 잘 녹음, 녹으면 전기 통함

[공유 결합]
  전자를 공유 (비금속 + 비금속)
  예: H–H, O=O, N≡N (단결합·이중·삼중)
  강도: 단 < 이중 < 삼중

[금속 결합]
  자유 전자 바다 + 양이온 격자
  특성: 전기·열 잘 통함, 휘어짐, 광택

[수소 결합]
  H가 강한 음전성(F, O, N)에 부분 결합 후 다른 음전성 원자에 약하게 끌림
  강도: 일반 공유 결합의 1/10 수준
  중요성: 물의 특이한 성질, DNA 가닥 결합

B-2. 분자 모양 — VSEPR

원자가 껍질 전자쌍 반발 모형(VSEPR):
  전자쌍은 서로 멀리 떨어지려 한다.

대표 모양:
  2개 전자쌍 — 직선   (CO₂)
  3개        — 평면 삼각  (BF₃)
  4개        — 사면체     (CH₄, 109.5°)
  5개        — 삼각쌍뿔
  6개        — 팔면체     (SF₆)

물(H₂O)의 굴절: O에 비공유 전자쌍 2개 → 결합각 104.5° (104~105°가 정상)

B-3. 극성과 무극성

극성 결합: 두 원자의 전기음성도 차이 → 부분 (+/-) 분리
극성 분자: 전체적으로 비대칭 → 영구 쌍극자 모멘트
  예: H₂O 극성, CO₂ 무극성 (대칭으로 상쇄)

원리: "비슷한 것이 비슷한 것에 녹는다(like dissolves like)"
  - 극성 용질(설탕) → 극성 용매(물)에 녹음
  - 무극성 용질(기름) → 무극성 용매(헥세인)에 녹음

C. 화학 반응의 양적 관계

C-1. 몰(Mole)과 아보가드로 수

1 몰 = 6.022 × 10²³ 개  (Nₐ, 아보가드로 수)
1 몰의 원소의 질량 = 원자량(g)
  예: 탄소 1 몰 = 12 g

기체 1 몰 부피 (STP, 0℃·1atm) = 22.4 L
이상기체: PV = nRT (R = 0.0821 L·atm/(K·mol))

C-2. 화학 반응식의 균형

원자 수 보존을 맞추기.

예: 메탄 연소
  CH₄ + O₂ → CO₂ + H₂O   ← 비균형
  CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O  ← 균형 ✓

질량 보존: 좌변과 우변의 모든 원자 수가 같아야 함.

C-3. 화학량론(Stoichiometry)

반응식의 계수 = 몰 비.

예: 8g의 CH₄을 완전 연소하면 얼마의 H₂O가 생기는가?
  CH₄ 분자량 = 16 → 8g = 0.5 mol
  CH₄:H₂O = 1:2 → H₂O = 1 mol = 18 g

C-4. 한계 시약(Limiting Reagent)

두 시약 중 먼저 다 쓰이는 것 → 한계 시약.
이것이 만들어지는 양을 제한.

예: 6 mol H₂ + 4 mol O₂ → ?
  필요한 비율: 2 H₂ : 1 O₂
  H₂ 6 mol엔 O₂ 3 mol만 필요 → O₂ 1 mol 남음, H₂이 한계 시약.

D. 산-염기와 산화-환원

D-1. 산-염기 정의

[아레니우스] H⁺ 내놓는 = 산, OH⁻ 내놓는 = 염기
[브뢴스테드-로우리] 양성자 주는 = 산, 받는 = 염기 (가장 흔히 쓰임)
[루이스] 전자쌍 받는 = 산, 주는 = 염기 (가장 일반적)

pH = -log[H⁺]   (0~14, 7이 중성)
강산 1 M 용액 ≈ pH 0
물의 자체 이온화: K_w = [H⁺][OH⁻] = 10⁻¹⁴

D-2. 완충 용액(Buffer)

약산 + 그 짝염기 (또는 약염기 + 짝산) 혼합.
적은 양의 산·염기를 넣어도 pH가 거의 변하지 않음.

핸더슨-하셀바흐 식:
  pH = pKa + log([A⁻]/[HA])

예: 혈액(약 pH 7.4)을 유지하는 H₂CO₃/HCO₃⁻ 완충계.

D-3. 산화-환원(Redox)

산화: 전자를 잃음, 산화수 ↑
환원: 전자를 얻음, 산화수 ↓

암기 도구: OIL RIG
  Oxidation Is Loss, Reduction Is Gain (전자 기준)

산화수 규칙(요약):
  단원소 = 0   (O₂, Na metal)
  단원자 이온 = 전하   (Na⁺ = +1)
  화합물 내 H = +1, O = -2 (대부분)
  화합물 전체 = 0, 다원자 이온 = 그 이온의 전하

E. 열역학과 반응 속도

E-1. 엔탈피(H)와 엔트로피(S)

ΔH:  반응의 열 변화
  ΔH < 0  발열 반응 (열 방출)
  ΔH > 0  흡열 반응 (열 흡수)

ΔS:  무질서도 변화
  기체 발생, 입자 수 증가 → ΔS > 0

E-2. 깁스 자유에너지

ΔG = ΔH - TΔS

ΔG < 0  자발적 반응
ΔG = 0  평형
ΔG > 0  비자발적 (역반응이 자발적)

→ 반응이 일어날지 여부의 결정 도구.

E-3. 반응 속도

속도 = k[A]ᵐ[B]ⁿ
  k: 속도 상수
  m, n: 반응 차수 (실험으로 결정)

영향 요인:
  - 농도 ↑ → 속도 ↑
  - 온도 ↑ → 속도 ↑ (아레니우스 식)
  - 촉매 → 활성화 에너지 ↓
  - 표면적 ↑ (고체) → 속도 ↑

E-4. 화학 평형

정반응 속도 = 역반응 속도가 되면 평형.
A + B ⇌ C + D

평형 상수 K = [C][D]/[A][B]   (계수 고려)

르샤틀리에 원리:
  평형이 외부 변화에 "반대 방향으로" 반응한다.
  - 농도 ↑ → 그 쪽을 줄이는 방향
  - 온도 ↑ → 흡열 쪽으로 (열을 흡수)
  - 압력 ↑ → 기체 입자 적은 쪽으로

F. 유기화학 — 작용기와 반응

F-1. 탄화수소 분류

포화: 모두 단결합
  알케인(alkane) — CₙH₂ₙ₊₂
  예: 메탄 CH₄, 에탄 C₂H₆, 프로판 C₃H₈

불포화: 이중·삼중 결합 포함
  알켄(alkene)  — CₙH₂ₙ
  알카인(alkyne) — CₙH₂ₙ₋₂

방향족: 벤젠 고리(C₆H₆)

F-2. 주요 작용기

–OH       알코올      예: 에탄올 (술)
–O–       에테르      예: 디에틸에테르 (마취제)
–CHO      알데하이드   예: 폼알데하이드
=O (옆)   케톤        예: 아세톤
–COOH     카복시산     예: 아세트산 (식초)
–COO–     에스터       예: 향료 다수
–NH₂      아민        예: 아미노산
–CONH–    아마이드     예: 단백질 결합
–SH       싸이올       예: 시스테인

F-3. 4대 생체분자

탄수화물: 단당(포도당) → 이당(설탕) → 다당(녹말, 셀룰로오스)
지질:    지방산 + 글리세롤, 지방·인지질·스테로이드
단백질:   아미노산 사슬, 1차~4차 구조
핵산:    뉴클레오타이드 사슬 (DNA, RNA)

G. 자주 헷갈리는 용어 사전

원자(Atom) vs 원소(Element)
  원자: 한 개의 단위 / 원소: 같은 종류의 원자들

분자(Molecule) vs 화합물(Compound)
  분자: 두 개 이상 결합된 단위 (H₂도 분자) / 화합물: 다른 원소 결합

농도(Concentration)
  질량/부피, 질량/질량, 몰/리터(M), 몰/kg(m, 몰랄)

당량(Equivalent), 노르말농도(N) - 산-염기·redox에서

수율(Yield) - 이론값 대비 실제 얻은 양의 비율 (%)
순도(Purity)
액성(Acidity) - 산성/염기성

용해도(Solubility) - 일정 온도에서 용매 100g당 녹는 최대량

자기 점검 체크리스트

□ 전자 배치 채우는 순서를 안다 (1s → 2s → 2p → 3s ...)
□ 결합 4종의 강도 순서와 특성을 댈 수 있다
□ VSEPR로 H₂O가 왜 굴절되는지 설명할 수 있다
□ "비슷한 것이 비슷한 것에 녹는다"의 의미를 안다
□ 1몰 = 6.02×10²³ 개임을 안다
□ 주어진 반응식의 계수를 균형 맞출 수 있다
□ pH 정의와 계산법을 안다
□ 완충 용액의 의미와 핸더슨식을 안다
□ ΔG = ΔH - TΔS의 의미를 안다
□ 르샤틀리에 원리를 농도·온도·압력에 적용할 수 있다
□ 8개 이상의 작용기를 즉답할 수 있다

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