1. 개요
| 본 저작물은 대한민국 교육부에서 NCIC 국가교육과정정보센터에서 법률적으로 고시하는 제2009-41호 [별책 9] 에서 발췌하였습니다. 원문은 홈페이지에서 무료로 다운받으실 수 있습니다. |
‘화학Ⅰ’은 공통 교육과정을 이수한 학생들이 현대 지식기반 사회의 민주 시민으로서 화학에 대한 기초 소양을 갖추도록 하기 위한 과목이다. ‘화학 Ⅰ’은 인류 문명의 발전에 기여하고 우리 삶과 밀접하게 관련된 화학 반응을 중심으로 하는 화학의 언어를 이해함으로써 학생들이 화학에 대해 흥미와 관심을 갖고, 화학의 기본 개념을 이해하여 기초적인 소양을 기르도록 하기 위한 과목이다.
‘화학Ⅰ’은 원자와 분자 수준에서 물질 현상에 대한 기본 개념을 이해하도록 원자론, 주기율, 화학 결합, 분자의 구조, 물질의 성질 등과 같은 화학의 기초적 내용을 유기적으로 다룬다. 또한 개성 있는 원소의 특징, 아름다운 분자의 세계에 대한 이해를 통해 화학이라는 학문의 매력을 경험하도록 구성한다. ‘화학 I'에서는 학생들이 관찰, 실험, 조사, 토론 등 다양한 활동을 통하여 과학적 사고와 다양한 물질 현상을 탐구하는 능력을 기르도록 한다.
2. 목표
화학의 기초인 원자의 구조와 주기율, 화학 반응식, 화학 결합의 성질과 분자의 구조, 산화 환원과 산과 염기 등을 통해 일상생활과 과학에 관련된 문제들을 화학의 언어에 기초하여 폭넓은 관점에서 이해하고 창의적이고 과학적으로 해결하는데 필요한 지식을 갖춘다.가. 화학의 언어와 기본 개념을 이해하여 물질 현상의 탐구와 일상생활의 문제 해결에 적용한다.
나. 다양한 물질 현상을 과학적으로 탐구하는 능력을 기르고, 일상생활의 문제들을 원자와 분자 수준에서 생각하고 해결하는 태도를 기른다.
다. 인류 문명의 발전에 이바지한 화학을 통해 자연의 규칙성과 질서에 대한 흥미와 호기심을 기르고, 합리적으로 생각하고 판단하는 태도를 기른다.
라. 과학․기술․사회의 상호 관계를 인식한다.
3. 영역별 내용
3.1. 화학의 언어
① 불의 발견, 철의 이용, 암모니아의 합성, 화석 연료의 이용 등의 화학 반응이 인류 문명 발전에 기여했다는 사실을 이해한다.② 인류 문명과 생명에 기여한 화학 반응에 관련된 산소, 수소, 물, 이산화탄소, 포도당 등의 간단한 물질을 소재로 원소, 화합물, 원자, 분자의 개념을 이해한다.
③ 원소 분석을 통하여 여러 가지 화합물의 조성을 확인하여 화학식과 분자의 구조를 밝혀내는 과정을 설명할 수 있다.
④ 아보가드로 수와 몰의 의미를 이해한다.
⑤ 여러 가지 화학 반응을 화학 반응식으로 나타낼 수 있고, 원자량과 분자량 등을 이용해서 화학 반응에서의 양적 관계를 알 수 있다.
[탐구 활동 예시]
① 물의 표현과 특성 조사하기② 불꽃의 색깔을 통해 화합물을 구성하는 원소 찾아보기
③ 인류 문명에 기여한 화학 반응 조사하기
3.2. 개성 있는 원소
① 원자가 양성자, 중성자, 전자로 구성되어 있음을 알고, 지구에서 가장 흔하게 존재하는 H, C, N, O, Fe 등과 같은 원자의 공통점과 차이점을 설명할 수 있다.② 원소의 기원, 핵 반응 및 방사성 동위원소의 특성을 이해한다.
③ 보어 모형을 이용하여 수소의 선스펙트럼과 에너지 준위를 설명하고, 대표적인 원자의 유효 핵전하 차이를 안다.
④ 오비탈과 스핀 개념을 이해하고, 배타 원리, 훈트 규칙, 쌓음 원리를 적용하여 다전자 원자의 전자 배치를 설명할 수 있다.
⑤ 주기율표에서 원자가전자의 수, 원자 반지름, 이온화 에너지, 전기 음성도 등 원자의 성질이 주기적으로 변화됨을 설명할 수 있다.
[탐구 활동 예시]
① 수소 원자의 선스펙트럼을 관찰하고 보어 모형으로 설명하기② 원자 모형의 변천 이해하기
③ 2주기와 3주기 원소의 주기성 찾아내기
3.3. 아름다운 분자 세계
① 흑연과 다이아몬드, 풀러렌과 나노 튜브 등의 다양한 분자의 구조를 이해하고, DNA 이중나선 구조의 특성과 기능을 이해한다.② 물과 용융 NaCl의 전기분해 비교 등을 통해 화학 결합의 전기적 성질을 설명할 수 있다.
③ 비활성 기체의 전자 구조를 통해 옥텟 규칙을 이해하고, 옥텟 규칙으로 화학 결합을 설명할 수 있다.
④ 간단한 분자들의 루이스 구조를 통해 공유 결합의 성질과 쌍극자 모멘트와 관련된 결합의 극성을 설명할 수 있다.
⑤ 전자쌍 반발 이론을 통해 분자의 구조를 설명하고, 분자의 극성과 끓는점 등 물리적, 화학적 성질이 분자 구조와 관계가 있다는 사실을 이해한다.
⑥ 탄소화합물의 다양성과 구조적 특징을 이해한다.
[탐구 활동 예시]
① 화학 결합의 종류에 따른 물질의 성질 비교하기② 여러 가지 분자 모형 만들기
③ 물의 전기분해 실험하기
3.4. 닮은꼴 화학반응
① 광합성과 호흡, 철광석의 제련과 철의 부식이 산소에 의한 화학적 산화‧환원 반응임을 이해한다.② 질소와 수소의 반응에 의한 암모니아의 합성이 전자 이동에 의한 산화‧환원 반응임을 이해한다.
③ 이산화탄소, 물, 메탄, 암모니아에서 화학 결합을 하고 있는 원자들 사이의 전기 음성도 차이로부터 각 원소의 산화수를 설명할 수 있다.
④ 산과 염기가 원소의 산화와 환원에 의해 만들어진다는 사실을 이해한다.
⑤ 산과 염기의 중화 반응을 이해한다.
⑥ 암모니아, 아미노산, 핵산과 같은 산과 염기의 화학적 특성을 이해한다.
⑦ 확장된 옥텟 규칙으로 DNA에서 인산의 구조와 역할을 설명하고, A, T, G, C 염기의 수소 결합을 설명할 수 있다.
[탐구 활동 예시]
① 아데닌-티민, 구아닌-사이토신 염기쌍의 분자 모형 만들기② 생활 속에서 산과 염기의 예 찾아보기
③ 철의 부식을 방지하는 방법과 원리 알아보기
4. 교수ㆍ학습 방법
가. 학습 지도 계획⑴ ‘화학 Ⅰ’의 학습 지도에서는 주제와 관련된 학생의 경험이나 일상생활의 상황을 적극적으로 발굴하여 활용하도록 한다.
⑵ ‘과학’, ‘화학 Ⅱ’ 및 다른 과학 교과와의 연계성을 충분히 강조하고, 학습 내용의 중복이나 비약이 없도록 학습 내용의 수준과 학습 지도 시기 등을 조절할 수 있다.
⑶ 화학 내용 및 화학과 관련된 상식이나 사회적 쟁점에 대한 과학 글쓰기와 토론을 할 수 있도록 수업을 계획한다.
⑷ 학생의 특성, 학교와 지역 사회의 특성 등을 고려하여 내용을 재구성하거나 다양한 학습 방법을 활용하여 지도할 수 있다.
⑸ 과학 학습과 관련된 특별 활동, 과학 전시회 등 여러 가지 과학 활동에 학생이 적극 참여할 수 있도록 계획한다.
나. 자료 준비 및 활용
⑴ 지역의 특성에 따른 자료를 준비하기 어렵거나 탐구 활동이 어려운 내용은 교육과정의 목표에 부합하는 자료나 활동으로 대체할 수 있다.
⑵ 화학에 대한 흥미와 호기심을 높일 수 있도록 생활 주변 및 첨단 과학 관련 소재를 학습 자료로 활용한다.
⑶ 첨단 과학, 과학자, 과학 상식, 과학사 등과 관련된 자료를 활용한 과학 글쓰기와 토론을 지도할 수 있도록 과학 도서 목록을 준비한다.
⑷ 학생의 이해를 돕거나 흥미를 유발하기 위하여 모형이나 시청각 자료, 소프트웨어, 인터넷 자료 등을 활용할 수 있도록 준비한다.
다. 학습 지도 방법
⑴ 학생의 흥미를 유발할 수 있으면서 가급적 자연현상과 현대 문명의 이해에 중요한 화학 현상을 중심으로 관련된 화학적 개념을 이해하도록 지도한다.
⑵ 과학의 본성을 고려하여 학습을 지도하고 문제 인식 및 가설 설정, 탐구 설계 및 수행, 자료 분석 및 해석, 결론 도출 및 평가 등의 탐구 과정을 통하여 시행착오 및 대담한 가설의 형성 등을 경험할 수 있도록 안내한다.
⑶ 탐구 활동을 모둠 학습으로 할 때에는 과학 탐구에서 상호 협력이 중요함을 인식시킨다.
⑷ 화학이 다른 과학 교과와 밀접하게 관련되어 있으면서 핵심적인 역할을 한다는 사실을 인식시킨다.
⑸ 화학 및 화학과 관련된 과학 상식과 사회적 쟁점에 대한 자료를 읽고, 이를 활용한 과학 글쓰기와 토론을 통하여 과학적 사고력, 창의적 사고력 및 의사소통 능력을 함양할 수 있도록 지도한다.
⑹ 수업에서 학생들과 의사소통을 할 때에는 학생 자신의 의견을 명확히 표현하고 다른 사람의 의견을 존중하는 태도를 가지게 한다.
⑺ 학생들의 능력과 흥미 등 개인차를 고려하여 지도한다.
⑻ 강의, 토의, 실험, 조사, 견학, 과제 연구 등의 다양한 교수ㆍ학습 방법을 적절히 활용하여 지도한다.
⑼ 학생의 지적 호기심과 학습 동기를 유발할 수 있는 발문을 하고, 개방형 질문을 적극 활용한다.
⑽ 컴퓨터를 활용한 실험, 인터넷, 멀티미디어 등을 적절히 활용한다.
⑾ 첨단 과학, 과학 상식, 과학사, 과학과 기술, 과학과 사회, 환경 등에 관련된 서적을 읽도록 권장함으로써 과학에 대한 흥미와 호기심을 유발하고, 과학ㆍ기술ㆍ사회의 상호 관련성을 이해시킨다.
라. 실험ㆍ실습 지도
⑴ 실험의 목적과 방법을 이해하고 실험을 수행할 수 있도록 지도한다.
⑵ 실험을 하기 전에 실험실 안전 수칙을 확인하여 준수하고, 사고 발생 시 대처 방안을 미리 수립한다. 특히 화학 약품, 파손되기 쉬운 실험 기구, 가열 기구 등을 다룰 때 주의할 사항을 사전에 충분히 지도하여 사고가 발생하지 않도록 한다.
⑶ 휘발성 물질 사용 시에는 환기에 유의하고, 실험 후의 폐기물은 환경오염을 최소화하도록 처리한다.
마. 과학 교수ㆍ학습 지도 지원
⑴ 단위 학교에서는 실험, 관찰 등 과학 활동의 특성에 따라 연 차시 학습으로 운영할 수 있도록 지원한다.
⑵ 시ㆍ도 교육청에서는 내실 있는 과학 교수ㆍ학습을 위해 과학실, 과학 실험 기자재 등을 확보하기 위한 재원을 지원한다.
5. 평가
가. ‘화학 Ⅰ’에서는 기본 개념의 이해, 과학의 탐구 능력, 과학적 태도 등을 평가하며, 특히 다음 사항에 주안점을 둔다.⑴ 원소 및 분자의 구조와 결합 및 산화와 환원 등 화학에 관련된 기본 개념의 이해 정도를 평가한다.
⑵ 탐구 활동 수행 능력과 이를 일상생활의 문제 해결에 활용하는 능력을 평가한다.
⑶ 과학에 대한 흥미와 가치 인식, 과학 학습 참여의 적극성, 협동성, 과학적으로 문제를 해결하는 태도, 창의성 등을 평가한다.
나. 평가는 선다형, 서술형 및 논술형, 관찰, 보고서 검토, 실기 검사, 면담, 포트폴리오 등의 다양한 방법을 활용한다.
다. 타당도와 신뢰도가 높은 평가가 되도록 가능하면 공동으로 평가 도구를 개발하여 활용한다.
라. 평가는 설정된 성취 기준에 근거하여 실시하고, 그 결과를 학습 지도 계획 수립과 지도 방법 개선, 진로 지도 등에 활용한다.
마. 평가는 평가 계획 수립, 평가 문항과 도구 개발, 평가의 시행, 평가 결과의 처리, 평가 결과의 활용 등의 절차를 거쳐 실시한다.
6. 여담
- 3단원의 명칭이 '아름다운 분자 세계'임에도 불구하고 이온 결합 화합물을 다루는데, 이온 결합 물질(NaCl 등)은 분자가 아니다. 따라서 아름다운 화합물의 세계로 바꿔야 한다는 말이 있다.
- 기술직군 공무원 시험과목이기도 하다. 9급은 주로 이 과목에서 많이 출제된다. 그러나 해를 거듭하면서 화학2에서도 많이 출제되고 있다.
6.1. 변화
- 다른 과목들이 기술·가정의 일부 내용들이 흡수 통폐합되는 과정에서 순도성이 크게 낮아진 반면[1]에, 화학Ⅰ은 독립적으로 역방향의 행보를 보였다. 실제로 이전 7차 교육과정 화학Ⅰ은 교수들 사이에서 온갖 악평을 받고 오명을 썼을 정도로 욕을 대차게 먹었다. 이런 설움을 안고 이번의 대대적인 개편을 통해 고등학교 과학 교과 중 가장 개념 있게 바뀐 과목으로 꼽히게 되었다. 특히 암기 중심 과목에서 원리와 이해 중심의 일반화학 형태로 바뀌었다. 덕분에 이전 화학Ⅱ에 있던 내용 중 80%가 화학Ⅰ으로 쫓겨난다.
- 4단원의 일부를 제외하고는 모두 1, 2, 3단원이 옛날 화학Ⅱ에서 내려왔다. 옛날 교육 과정에서는 고1 과학처럼 이해 기반이나 원리 없이 서술되었는데, 지금은 원리부터 제대로 가르치는 방식으로 바뀌어 교양적이거나 지식 파트는 소단원의 개념 아래의 예시 정도로 너프당하게 되었다.[2]
- 다만 이 변화 때문에 학생들 사이에서 그 어렵다던 물리학Ⅰ보다 더 어렵다는 평을 받아 결과적으로 중하위권 수험생들에게는 기피받는 과목이 되었고,[3] 반대로 그만큼 수능에서 과학탐구 Ⅱ과목[4]에 필적할 정도로 표본 평균 수준 및 최상위권~ 상위권 수험생 밀집도가 상당히 높아졌다. 어떻게 보면 가르치는 사람의 입장과 배우는 사람의 입장 사이의 괴리감으로 인한 촌극인 셈이다.
- 양적 관계는 14학번 학생들 이후로 새로 추가된 내용이다. 98학번부터 13학번이 배우던 화학에서는 이 부분을 다루지 않았다. 교수들이 거진 15년 만에 부활시켜 수능이나 PEET 시험을 준비하는 수험생들을 괴롭히고 있다.
6.2. 학습 도움말
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참고로 원자량에 대해 어려움을 겪는 학생이 많은데, 원소마다 고유한 값을 갖는데 탄소 원자 1g을 12.0(참값)으로 정의한다. 이에 따라 다른 원자들은 모두 근삿값을 취할 수밖에 없게 된다. 가령 산소 원자 1g은 15.9정도의 원자량을 취한다. 문제 영역에서는 편의상 16으로 주어진다.
물 분자 1몰은 18g과 같음을 나타내는 그림[5]
그러나 이것도 대학에 가면 그냥 ' 몰 질량'으로 취급한다. 고등학생들에겐 단위가 없다고 가르치고 실제 SI단위계에 존재하지도 않지만 보통 g/mol 또는 amu로 쓴다.
몰(mol)은 그냥 개수를 세는 단위다. 우리가 미시 입자를 하나하나 세는뻘짓우를 범하기는 싫기 때문에 6.02×1023개를 하나로 합쳐서 부를 뿐이다. 문제를 풀 때는 그냥 유리수가 나올 수 있는 개수라고 보면 편하다. 더 이상 어려운 건 없고 이 정도만 알면 된다. 처음 접할 때는 너무 심오해서 화학을 포기하는 학생들이 많다고 하지만 연습 문제를 풀다 보면 금세 익숙해진다. 몰은 화학을 떠나서 대학 가면 물리학(열역학)[6], 생명과학[7]등에서 쓰이기 때문에 그냥 여기서 한 번에 제대로 하는 게 낫다.
현 세대 학생들은 믿기 힘들겠지만, 이 몰(mol) 단위 개념은 화학에서의 기초 중의 기초임에도 불구하고 화학Ⅱ에 10년 넘게 있던 내용이다. 이 때문에 대학 와서 몰조차도 모르는 학생들에 딥빡을 받은 교수들이 많았다. 그래서 2009 개편 때 모두가 입을 모아 몰(mol)을 화학Ⅱ로부터 끌어내리는 데 성공하게 되는데... 문제는 상술했다시피 이 개념이 교수나 전공자 입장에서나 당연할 뿐이지 학생들이 처음 개념을 정립하는 데 있어 염증을 넘어 딥빡을 느낀다는 평이 많다.
[초보자 팁] 몰은 그냥 입자 수로 받아들이면 편하다. 가끔 이 둘을 서로 다른 의미로 오해하는 경우가 있는데 일맥상통하는 말이다. 가령 물 분자 2몰[8]이 있다고 하면 그냥 '아 물 분자가 상대적으로 2개 쯤 있구나'라고 받아들이면 된다. 엄밀히 따지면 1.2×1024개가 있는 것이지만 실험을 할 때나 화학을 하는 사람들 입장에서는 유치하게 그런 걸 세세하게 따져 묻진 않는다. 연습 문제에서도 단위 갖고 장난치지 않는다. 수능 한정으로 아보가드로 법칙을 이용해 부피나 면적을 통제시켜놓고 두 실린더의 높이 갖고 장난치는 경우가 있다.
대부분의 상위권 대학에서는 이걸 어렵게 배우고 왔다고 가정하고 수업한다. 보통 강의 시간에도 쌩까는 경우가 많으므로 고등학교 때 화학Ⅰ을 택하든 않든 제대로 배우고 진학하는 게 낫다. 안 그러면 처참히 화학을 포기할 수도 있다. [9] - 철의 제련과 암모니아의 합성이 인류 발전에 얼마나 기여했냐를 가르치는 도입부다. 교양스러운 부분이지만 공무원 시험이나 수능 등에서는 화학 반응식만 중요해진다. 연소 반응은 적정 온도에서 산소와 결합하여 열과 빛을 내는 화학 반응으로 이후 챕터에 나오는 양적 관계의 예시로 자주 등장한다.
- 원소는 화합물과 구분하기 위해 홑원소(원소 한 종류로만 이루어진 물질)만을 가르치는 것에 중점을 두는 경향이 있다. 일반인이 생각하는 그 원소 개념과는 조금 다른데, 그 개념은 2단원에서 배울 수 있으므로 여기서는 '아 그냥 저런 알파벳이 있구나'하고 넘기면 된다. 원자는 한 종류, 하나의 원소로 아루어진 홑원소를 말하며, 분자는 18족 원소를 제외한 원소를 두 개 이상 조합하여 성질을 갖는 입자를 말한다.
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선 스펙트럼 같은 경우에는 2단원에서 더 중요해지는데, 여기서는 그냥 원소마다 고유한 선 스펙트럼이 나타난다는 것만 알아두면 된다. 이렇듯이 어떤 미지의 화합물이 '어떤 원소들로', '어떤 비율(질량백분율)로' 이루어져있는지 탐구한다. 이러한 탐구 과정을 원소 분석이라고 한다. 참고로 이 교과 과정에서는
탄화수소나 탄소화합물로 이루어진 화합물을 분석하는 데 중점을 둔다. 여기서 이전에 배운 분자량, 몰 수, 질량 관계를 자유자재로 활용할 수 있는 능력이 필요하다. 이 과정에서
실험식이라는 개념은 그 물질이 어떠한 개수 비(몰)로 조성되어 있는지 한 눈에 알 수 있다.
[실전 스킬] 특히 이 쪽 문제를 풀 때 '같은 질량 당~' '1g 당~'이라는 발문이 참 많이 등장한다. 특히, 이러한 발문이 탄화수소와 엮어서 문제에 등장하는 경우가 많다. 아래의 내용을 참고하여 같은 질량 당 질량 변화를 외워두면 문제 풀 때 속도를 높일 수 있다.
* [math( {H \over C} )]값이 증가할 수록 수소( [math( H_{2}O )] )관련 수, 질량이 증가하고, 산소 관련 수, 질량이 증가하고, 탄소( [math( CO_{2} )] )관련 수, 질량은 감소한다.[10]
탄화수소 문제는 질량 관련 문제로 많이 나오기 때문에 화학식의 적용이 자유로워야 하며 강철 용기에서의 질량과 몰수 비교도 상당히 중요하니 위의 내용을 꼭 새기길 바란다.앞으로 나올 화학 반응식에서 진짜진짜 중요해 진다!그러나 다음 개정부터는 아무짝에도 쓸데없어진다! -
고등학교 수준에서의 화학 반응식은 더하기 연산과 화살표 연산으로만 나타낸다. 반응물질끼리 덧셈으로 이어주고 오른쪽 방향 화살표로 생성 물질을 표현해주는 방식이다. 이 부분에서는 계수를 맞추는 것이 중요하다. 정말 복잡한 화학 반응식의 계수를 맞출 때 필살기로 쓰는 것이 미정계수법이 있다. 다만 고등학교 교육 과정에서는 간단한 화학 반응식만 다루기 때문에 미정계수법이나 방정식을 사용할 정도로 복잡한 연습 문제는 없다. 가끔 열에너지가 필요한 경우에는 화살표 밑에 정삼각형을 표시하기도 한다.
물 분자를 생성하는 화학 반응식[11]
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양적관계는 화학 반응식의 계수는 몰 수와 등치시킬 수 있다.(즉, 화학 반응식의 계수와 몰 수는 비례 관계가 성립한다.) 다만
일정 성분비 법칙(질량)과는 등치시킬 수 없다.(다시 말해, 질량과는 비례 관계가 성립하지 않는다.) 그 이유는 원자량에 따라 질량이 달라질 수 있기 때문이다.
화학공학과에 들어가면 맨날 하는 양적관계가 여기에 해당한다.
[실전 스킬] 탄화수소를 연소시킬 때는 많은 인강 사이트와 문제집에서 다음의 제시된 반응 식을 외우라고강요권장한다. [math( C_{m}H_{n} + (m+{n \over 4})O_{2} \rightarrow mCO_{2}+{n \over 2}H_{2}O )] 외워두자. 또한, 앞의 식에서 반응 전의 몰 수가 반응 후의 몰 수보다 클 경우엔 [math( n<4 )], 작을 경우엔 [math( n>4 )], 같을 경우엔 [math( n=4 )][12]라는 사실도 학교 선생님들을 비롯하여 많은 선생님들이 알려주는 대표적인 스킬이니 암기해 두자. - 2단원의 처음에서는 [톰슨]]의 음극선 실험을 통해 전자를 발견할 수 있었다는 것을 배운다. 여기에 심화로 골트슈타인이 진공 음극선관에 방대한 에너지를 가해 수소 기체를 프로톤과 전자로 분해시켜 양극선이라는 것도 발견한다. 참고로 수소 이온과 양성자는 서로 같은 애다. 이후 러더퍼드라는 물리학자의 알파 입자 산란 실험으로 원자핵의 존재를 알게 되었는데, 원자 내부에 밀도가 매우 크고 양전하를 띠는 원자핵이 있다고 주장하였다. 알파 입자는 전자를 모두 탕진한 헬륨 이온으로만 이루어져 있는데 러더퍼드는 이것이 원자핵과 큰 반발력을 일으켜 튕겨나간다는 것에서 그 실마리를 풀었다고 한다.
- 원자량은 실제 질량을 상대적으로 나타낸 수치고, 질량수는 그냥 양성자 수와 중성자 수의 합이다. 여기서 동위 원소 분석은 개정 교육 과정에서 강조하고 있는 부분.
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핵력,
빅뱅,
쿼크 등 물리학에서 친숙한 용어들이 나오는데 원소라는 게 알고 보면 다 하나에서 나온 것들이라는 것만 캐치하면 된다. 다만,
고1, 고2는 나쁠 건 없지만이 부분을 심화 학습 하기보다는 그냥 '아~ 그런 게 있구나'하고 넘기는 게 낫다. 배움의 포커스를 화학보다 교양 물리에 두는 격이라 딱히 도움이 되는 방향은 아니다. -
보어 모형에서의 수소 원자 에너지 준위는 양자화학의 가장 밑바탕이다. 보어에 의하면 전자는 모든 공간에 연속적으로 존재하는 게 아니라 가장 안정한 껍질 준위에서만 움직인다는 궤도 이론을 제시하였다(물론
오비탈이 도입되면서 이것도 금이 가 버린다.). 각 껍질은 K(n=1), L(n=2), M(n=3), N(n=4)로 정의하는데 n과 n+1 사이의 간격은 n이 커질수록 좁아지는 경향이 있다.
전자는 에너지를 흡수하면 에너지 준위가 높은 곳으로 올라가 불안정한 상태가 되는데, 다시 안정해지려고 빛을 뿜어내면서 에너지 준위기 낮은 바닥상태로 내려온다. 이때 방출하는 빛 파장이 어느 껍질에서 어느 껍질로 내려오느냐 혹은 어떤 껍질로 올라가느냐에 따라 각기 다르다.상식이지만빛은 파장에 따라 자외선, 가시광선, 적외선으로 분류할 수 있는데 고등학교 화학에서는 가시광선을 방출하는 발머 계열을 중점으로 배운다. 종류에는 n=3, 4, 5, 6에서 n=2로 내려올 때 뿜는 파장밖에 없고 각각의 값은 나노미터 단위로 656, 486, 434, 410이다. 물리학적 지식 상 파장은 방출/흡수 에너지와 진동수에 반비례한다는 걸 알아두면 좋다.
에너지 중에서도 물리학( 양자역학)은 전위 차에 관심이 있는 반면, 화학에서는 kJ/mol 단위인즉 '입자'에 관심이 있다는 차이가 있다. 수소 원자 1몰을 이온화하는 데 필요한 이온화에너지는 1,312 kJ/mol 정도가 되는데, 이온화 경향은 뒷 챕터인 주기율 파트에서 배운다. -
오비탈에 대한 상세한 내용은 해당 문서를 참조하기 바라며 여기서는 간단한 내용만을 다룬다. 먼저 s 오비탈은 구형 오비탈인데, 방향성이 없고 모든 껍질에 존재한다. p 오비탈은 L껍질(주양자수 2)부터 며 x, y, z 방향으로 각각 존재한다.
오비탈 모형[13]
고등학교 과정에서는 오비탈과 전자 배치를 접목시키는 것을 주 타깃으로 배운다. 안정한 전자배치는 쌓음 원리, 파울리의 배타원리, 훈트 규칙에 위배되면 안 되는데, 바닥상태가 아닐 경우에는 파울리의 배타원리를 제외하고는 위배가 되어도 상관 없다.
주요 원소의 전자 배치[14]
좀 더 심오하게 배우려면 물리Ⅱ 4단원에 있는 파동함수 파트를 읽어보면 된다. 예전에는 오비탈 전자배치를 단순히 점으로 나타내었는데 비해, 화학Ⅰ으로 내려오면서 스핀 양자수를 고려해서 화살표로 나타낸다. 가끔 궁금증을 참지못하고 오비탈의 모양 등에 대해 개인적으로 조사하다가 멘붕하는 상위권 학생들이 있다. 18족에서의 최외각 전자수(8)와 원자가 전자수(0)는 같지 않다는 점을 유의하자. - 주기율이란 주기에 따라 저마다의 율격을 갖는다고 해서 붙여진 개념이다. 1족 원소는 수소를 제외한 나머지를 알칼리 금속이라고 하고, 2족 원소는 알칼리 토금속, 17족인 원소를 할로젠 원소라고 한다. 과거엔 할로겐 원소라고 했으나 지금 그렇게 부르면 아재 취급. 대한화학회에서 기존 독일 명칭을 싹 다 미국식으로 바꾸는 바람에 이젠 할로젠 원소라고 한다. 금속 원소는 전자를 잃고 양이온이 되기 쉬우며, 비금속 원소는 전자를 얻고 음이온이 되기 쉬운 경향이 있다. 금속이나 비금속의 반응성이 크다는 말이 나오면 이러한 경향성이 크다는 뜻이다. 고등학생에게는 이런 경향성 정도만 파악시켜주는 게 교육의 목표.
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유효 핵전하는 알짜 핵전하량에서 가리움 효과를 뺀 값이다. 가리움 효과에는 전자 사이의 반발력이 큰 중추로 자리매김한다. 원자 반지름은 같은 주기에서 핵전하가 클수록 직경이 작아지는 경향이 있다. 다만, 18족 비활성 기체는 논외로 두는데 이유는 반지름을 정의하는 기준이 다르기 때문이다. 그리고 같은 족에서 주기가 커질수록 직경이 늘어난다. 다만, 통제 변인이 아무것도 없을 때는 장담할 수 없다. 이온 반지름은 주로 16, 17, 1, 2 주기에서의 전자 변화를 통해 따지는 것을 목표로 한다. 가령 산소 중성 원자가 전자 2개를 얻고 가장 안정한 산소 이온(O2-)이 될 때 전자 사이의 반발력이 커져 반지름 직경이 늘어난다. 반대로 O2-와 등전자 이온인 Mg2+은 3주기에서 전자 2개를 잃어 유효 핵전하가 늘고, 전자 껍질수까지 넉다운 되어버렸기 때문에 이온 반지름이 확 줄어버린다.
이온화 에너지는 중성 기체 원자 1몰을 이온화하는 데 필요한 에너지를 일컫는데, 교육 과정이 개정되면서 이온화 에너지 그래프를 직접 그려보는 게 중요해졌다. 2~13족, 15~16족에서 예외 구간이 발생한다는 것이 포인트이다. 문제 풀어보면 허구헌날 나오는게 B, O, S, Al이다. 이온화 에너지와 관한 서술이 나오면 그냥 거의 무조건이라고 보면 될 정도로 2~13족, 15~16족 원소가 나온다.
원자 번호 순에 따른 제1차 이온화 에너지[15]
순차적 이온화 에너지[16]
- 전기 음성도 파트에서는 17족 2주기로 갈 수록 강해진다는 것만 캐치하면 된다. 여기서보다는 주로 3단원의 화학 결합 파트의 쌍극자 모멘트의 합 따지기나 4단원의 산화수 우위를 둘 때 주로 사용한다.
- 동소체는 탄소나노튜브, 풀러렌, 다이아몬드, 흑연, 그래핀과 같이 탄소를 중점적으로 다루고, 그 뒤에 DNA의 분자 구조가 나오지만 이 부분은 4단원 응용 파트에서 더 자세히 배우는 것이 좋다.
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원자들은 대부분 전자를 잃거나 얻어서
옥텟 규칙을 만족하려고 한다. 단, 수소나 리튬, 베릴륨이 헬륨(전자 2개)처럼 전자를 8개 이상 가질 수 없는 노릇이라 이럴 땐 옥텟 규칙이라고 명명하진 않는다. 가령,
알루미늄 중성 원자는 전자 3개를 쫓아내고 Al3+처럼 안정한 이온이 되고자 한다. 그럼 최외각 전자가 8개가 되면서 옥텟 규칙을 만족하게 된다. 이 때 당연히 전자배치 또한 달라지는데 위의 알루미늄 이온을 그대로 활용하면 아래와 같은 전자배치를 할 수 있다. 혼동 방지를 위해 중성원자 알루미늄의 전자 배치도 같이 적어본다.
[Al3+] = 1s22s22p6 = K(2)L(8)
[Al] = 1s22s22p63s23p1 = K(2)L(8)M(3)
자료 해석 과정에서 이온 결합의 형성과 에너지 관계가 교과서에 등장하긴 하나 열화학 지식이 없어서 그냥 교양적으로 공부해두고 넘어가는 것이 좋다. 여기서 4단원의 공포를 예고하는 밑밥을 까는데, 이온결합물질은 수용액 상태에서 이온 상태로 존재한다. - 공유 결합에서는 옥텟 규칙을 만족하고자 원자들이 서로 다른 원자(단, 같은 원소여도 상관 없음)와 전자를 공유하여 안정한 상태가 되길 원한다. 가령 플루오린은 최외각 전자를 7개 가지고 있어, 최외각 전자가 1개인 리튬, 수소, 나트륨 등과 같은 1족 원소와 결합하려는 성질이 있다. 이 때, 서로의 전자를 공유해서 2개가 된 전자를 공유 전자쌍이라 하고, 결합하지 않고 남아 있는 전자 2개 묶음을 비공유 전자쌍이라고 한다. 2주기 1족부터 4족 원소까지는 보통 비공유 전자쌍을 갖고 있지 않다는 것이 특징이며 2주기 5, 6, 7족 원소들은 비공유 전자쌍을 존치하는 형태가 많다. 심화적인 내용으로 배위 결합은 '삼플루오린화 붕소 암모늄'이나 '옥소늄 이온' 등에서 나타나는데, 한쪽에서 전자 2개를 모두 건네주어 안정한 상태에 이른다는 차이점이 있다.
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두 원자가 이루는 결합각, 결합 길이 등 전자쌍 반발 이론 관련에 대해 배운다. 이는 정전기적 반발력이 최소가 돠도록 가능한 한 멀리 떨어지려는 성질을 의미한다. 보통 아래처럼 직선형, 평면 삼각형, 정사면체형,굽은형 을 예로 둔다. 고등학생은 딱 세 가지 구조만 다루며 3주기 원소에 추가되는 구조는
일반화학에서 배우도록 한다.
공유 전자쌍의 개수에 따른 분자 구조의 변화[17]
- 2단원 주기율 파트에서 배웠던 전기 음성도를 이용해 분자와 결합의 극성 유무를 판단할 수 있다. 화학Ⅱ에서는 이 부분이 맨 처음 등장하는데, 여기서는 원자 간의 힘만 다룬다. 쌍극자 모멘트 합 값이 0이 되면 무극성 분자고, 0이 아니면 극성 분자다. 보통 힘의 합은 벡터의 합성때문에 방향를 고려하는데 이 때문에 전 챕터에서 분자 구조의 모형을 다뤘던 것이다. 벡터의 합에 대해서는 물리Ⅱ 1단원에서 집중적으로 다루니 같이 공부해두면 좋다. 극성 용질은 극성 용매에 잘 녹고, 무극성 용매에큰 녹지 않는다. 물과 기름이 잘 섞이지 않는 이유가 여기에서 비롯된다.
- 고등학교 과정에서는 복잡한 유도체는 다루지 않는다. 여기서는 1단원의 연소 반응과 관련 짓기 위하여 C와 H로만 이루어진 분자식 형태의 탄화 수소만을 주로 다룬다. 좀 더 자세한 내용은 유기화학이나 일반화학에서 접할 수 있다.
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알케인(CnH2n+2), 알켄(CnH2n), 알카인(CnH2n-2)과 같은 사슬 모양의 탄화수소의 일반식이 나온다. 우리가 익숙히 들어본
메탄가스도 탄화수소의 알케인에 속한다. 현재 대한화학회에 의하여 독일식 명칭이 다 영어식 명칭으로 바뀌었기 때문에 메탄의 명칭도
메테인(CH4)으로 바뀌었다. 언론에서는 이미 입에 익은 메탄을 더 많이 쓰지만 후세대에 가서 메탄이라고 말하고 다니면 역시나
아재 취급. 앞으로
우리의 혈세를 들여가며바뀐 명칭을 쓰도록 하자. 비슷한 이유로 에탄 대신 에테인, 프로판 대신 프로페인, 부탄 대신 뷰테인을 쓴다.
고리 모양의 탄화수소의 일반식엔 '사이클로-'라는 접두어가 붙는데, 종류에는 사이클로알케인(CnH2n), 사이클로알켄(CnH2n-2)이 있다. 각각 알켄과 알카인의 분자식과 동일하여 혼동할 수 있다. 이후에 나오는 벤젠(C6H6)은 특이하게 실험식 비가 1:1인데 1.5결합을 하고 있어서 그렇다. 다들 알겠지만 벤젠은 화학공업에서 자주 사용되는 물질이면서도 마시면 즉사하는 위험물질이다. 벤젠은 방향족 탄화수소에 속하는데 방향이라는 이름이 붙은 건 직접적으로 받아들이면 알 수 있듯이 냄새/향기가 나서 붙여진 명칭이다.그렇다고 직접 냄새를 맡으려고 했다간 골로 간다[18] 나프탈렌이나 안트라센같은 물질도 이에 속한다. - 전자에 의한 산화, 환원의 정의로 볼 때, 산화는 주로 전자를 잃는 반응이고, 환원은 그 반대로 전자를 얻는 반응을 일컫는다. 고등학교 과정에서는 이 반응의 동시성을 무조건 만능 산화수로 따지는 경향이 있다. 산화수를 꿰고 있으면 무엇이 산화되고 환원되는 지 알 수 있다. 각종 듣도보도 못한 화학 반응식이 판을 쳐도 어차피 산화수를 맞히는 것이 목적이라 쫄 필요는 없다. 다만, 산화수도 어떤 원소와 결합했느냐에 따라 달라진다. 대표적으로 과산화수소는 O가 -1의 산화수를 갖는데, 대체적으로 O는 -2의 산화수를 갖는다.
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금속의 반응성은 '칼카나마알아철니주납수구수은백금' 같은 경향을 통째로 외우는 것이 예전 교육과정엔 중요했는데 지금은 별로 중요하지 않다. 금속 A의 이온이 들어있는 수용액에 금속 B를 집어넣었을 때 반응이 일어난다면 금속의 반응성은 B>A라는 개념이 중요하다. 반응이 일어났다는 것은 B가 A보다 더 산화되기 쉽기 때문에 B가 자신은 산화되면서 A를 환원시켰기 때문이다. 이는 B의 환원력이 A보다 크다라고도 표현할 수 있다. 반대로 비금속의 반응성은 17족 원소만 알아두면 된다. 여기는 반대로 환원하려는 경향성(즉 전자를 얻어서 음이온이 되려는 경향)이 플루오린으로 갈수록 세진다..
[실전 스킬] 금속의 반응성은 중화 반응, 화학 반응식의 양적 관계와 더불어 양적 관계 킬러 3대장'으로 불릴 만큼 그 위상이 대단하다. 실전에서 사용되는 기본적인 팁들은 다음과 같다.
* 이온 수의 감소 → 산화수의 증가, 이온 수의 증가 → 산화수의 감소
* 기울기 급격함 → 산화수가 2씩 변화, 기울기 상대적 완만 → 산화수가 1씩 변화
* 반응 전과 후의 전하량은 항상 일정하다.[19] - 여러 가지 산과 염기가 등장하는데 이온가만 제대로 외워두면 된다. 대표적으로 등장하는 H+는 산, OH-는 염기이다. 본래 산-염기 반응은 이온화도(화학II 3단원 과정 용어)에 반응하는 양도 따라 다른데, 화학I에서는 무조건 이온화도가 1로만 인식한다. 이온화도는 0과 1 사이의 범위가 있는데, 이온화도가 높으면(1에 가까울 수록) 강산, 강염기라고 하고 낮으면(0에 가까울 수록) 약산, 약염기라고 한다. 이 때문에 심화 내용인 짝산, 짝염기에 대해서는 나오지 않는다. 교과서에서는 역시나 산업, 공업 등을 강조하면서 공대 교수님들의 짙은 애환이 담겨있다는 것을 눈치챌 수 있다.
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루이스, 브뢴스테드-로우리, 아레니우스가 정의한 산-염기에 대해서 배운다. 아레니우스는 수용액 속에서 이온화될 때의 산-염기를 주 타깃으로 두었고, 브뢴스테드와 로우리는 양성자(H+)를 주고 받는 기준에 따라 산-염기를 정의하였다.
하지만 전자성애자 끝판왕 루이스가 최우위에 오르게 되었는데확장된 정의에 따르면 산으로도 염기로도 작용하는 양쪽성 물질이 있다.(H2O, 아미노산, HCO3−, HSO4− 등) -
액성에 따라 색깔이 어떻게 변하는지 판별하는 것을 배운다. 대표적으로 페놀프탈레인용액은 염기성에서 빨갛게 변하며, 중성 혹은 산성에서 무색을 띤다. 참고로
리트머스 시험지는 초등학교때 배웠다고 언급을 안하지만 기억해둬야한다. pH는 그냥 7을 기준으로 낮으면 산성, 높으면 염기성이라는 것만 캐치한다. 자세히 배우려면 로그(log)를 쓰며 난장판을 쳐야 한다.
액성에 따른 용액의 색깔 변화
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중화 반응은 하이드로늄 이온과 수산화 이온의 반응을 일컫는 건데 화학I의 레벨에선 편의상 수소 이온과 수산화 이온의 반응으로만 주어진다.구경꾼 이온은 반응하지 않는다. 절대.
진짜 중요하다. 이것만 명심하고 있어도 중화 반응 문제의 반은 풀린다.
알짜이온 반응식: H+(aq) + OH-(aq) → H2O(l) -
아미노산,
단백질,
핵산
DNA의 구조[7]
모든 아미노산은 공통적으로 아미노기(-NH2)와 카복시기(-COOH)를 가지고 있으며 모두 중심 원자가 탄소이다. 대표적으로 글리신, 세린, 시스테인, 라이신, 알라닌, 글루타민, 발린, 페닐알라닌이 있다. 수용액 상태에서 아미노기는 수소 이온을 받아들일 수 있어 용액 입장에서는 염기성을 띠고, 카복시기가 수소 이온을 내놓으므로 산성을 띤다. 핵산은 뉴클레오타이드가 사슬처럼 결합되어 있는 구조이다. 뉴클레오타이드는 인산 이온(PO4H2)과 당(주로 5탄당), 염기로 구성되어 있다. 이 때 DNA의 분자식은 C5H10O4인데 실험식과 동일하다. 다만 5탄당은 여기에 O가 하나 더 붙기에 실험식과 일치하지 않는다. 또, 인산 이온에 적용되는 확장된 옥텟 규칙이 있다. 주의할 점은 확장된 옥텟은 옥텟으로 간주하지 않는다. 즉, 그냥 옥텟을 만족한다고 나오면 틀린 대답이 된다. 염기 짝 사이의 수소 결합은 생명과학Ⅱ에서도 나온다. 이 교과에서는 그냥 아데닌(A)과 티민(T)이 2개의 수소 결합을, 사이토신(C)과 구아닌(G)은 3개의 수소 결합을 한다는 것만 알아두면 된다.
[1]
화학에서는 이 흔적을 1단원의 인류 문명과 화학, 4단원의 DNA 나선 구조와 화학Ⅱ의 의약품과 녹색화학 정도에서 볼 수 있다.
[2]
예를 들어 할로젠 원소나 금속의 경쟁의 반응성, 탄화수소 파트는 옛날 같았으면 닥치고 암기해야 했지만 지금은 '너무 당연한 거 아니니?'하고 넘길 수 있게 되었기 때문에 이 부분을 쓸데없이 길게 가르치지 않는다. 이전 교육과정에서는 책에 원리 기반 없이 서술되었기 때문에 교과 외 내용을 동원하여 설명해야 '잘 가르치는 스타 강사'로 거듭날 수 있었고, 하이탑 같은 참고서가 인기 많을 수밖에 없었다. 그러나 지금은 교과서에 거의 대부분 서술되었기 때문에 의미가 없게 되었고 그들은 매출은 반토막이 나거나 2, 3타로 내려 앉게 된다. 문제 풀이 스킬을 잘 가르쳐주는 인터넷 강사나 책이 급부상하게 된다.
[3]
이게 어느 정도냐면 수능에서 화학Ⅰ을 응시한 수험생이 다른 과학탐구 과목(주로 물리학Ⅰ, 생명과학Ⅰ, 지구과학Ⅰ 등)으로 이탈하는 바람에
2018학년도 대학수학능력시험에서 응시자 수 10만 명 선이 붕괴되었고 급기야 7차까지만 해도 없었던 화포자라는 새로운 단어가 탄생했을 정도다.
[4]
물리학Ⅱ, 화학Ⅱ, 생명과학Ⅱ, 지구과학Ⅱ
[5]
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[6]
흔한 예로 이상기체상태방정식의 PV=nRT에서의 n은 몰 수를 의미한다. 물리II에서도 등장하지만 여기는 몰 수보다는 온도, 압력, 부피, 기체가 한 일을 따진다는 차이가 있다.
[7]
고등학교 과정에서는 생명 과학II에 일상적인 용어로 등장한다.
[8]
대략 물 36g에 해당한다.
[9]
특히 화학식량과 질량(g)이 주어졌을 때 입자 수를 구하거나 화학식량과 입자 수가 주어졌을 때 질량을 구할 수 있어야 한다. 질량/화학식량=입자 수임을 기억하자.
[10]
임의의 이원소 분자 [math( A_{m}B_{n} )]에도 적용 가능하다!
[11]
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[12]
예를 들어, 제시된 조건대로 [math( C_{2}H_{2}, C_{2}H_{6}, CH_{4} )]
[13]
아래 이미지에 대한 저작권은 SCCJ에 있다.
[14]
아래 이미지 저작권은 zum 백과사전에 있다.
[15]
아래 이미지 저작권은 CEOE에 있다.
[16]
아래 이미지 저작권은 zum 백과사전에 있다.
[17]
아래 이미지 저작권은 chemistry assignment에 있다.
[18]
벤젠이 1급 발암물질이기 때문이다. 비단 벤젠뿐 아니라 화학 물질의 냄새를 맡을 때는 직접 코를 갖다대서 맡지 말고 손으로 바람을 일으켜서 간접적으로 맡으라는 것은 초등학교 과학 시간부터 귀에 못이 박히도록 가르친다.
[19]
매우매우 중요하다. 특히 수용액에 금속을 첨가할 때 꼭 이용해주자!
물리학적인 센스가 있다면 물리학의 전하량 보존 법칙에서 바로 이끌어낼 수 있다.
[7]