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2014년도 제2학기 현대생활과 화학 제1장 화학1

화 학1

1.7 화학 : 물질과 그 변화에 관한 연구1.8 물질의 분류1.9 물질의 측정1.10 도1.11 에너지 : 열과 온도1.12 비판적인 사고

1.1 과학과 기술 : 지식의 근원1.2 인식의 변화와 관습의 변화1.3 과학은 시험할 수 있고,

재현 가능하고, 설명에 도움이 되어야 하고,예측할 수 있도록 해야 하며, 잠정적이다.

1.4 과학과 기술 : 위험과 이익1.5 화학의 중심 역할1.6 사회 문제의 해결 : 과학적 연구

과학이란 무엇인가? 과학(science)은 인간의 호기심(curiosity)에서 생겨나고, 이것을 실용화(utility)하려고 기술(technology)이 만들어지고, 대량생산과 원가절감을 위하여 공학(engineering)이 생겨났다. 여기서는 과학의 본질에 대하여 다루고자 한다.


모든 시기의 화학

화학(Chemistry) : 물질의 화학적 변화를 연구하는 분야 혹은 분자 크기의 물질을연구하는 분야로 정의한다.

- 건강과 의학의 발전

- 생물학기술의 놀라운 발전 ; 인간유전자의 해독, 신약의 개발, 영양학의 발전 등

- 환경문제의 이해 ; 지구온난화, 오존고갈

그림 유기농 식품은 화학물질이 없는 것이 아니다.실제로 유기농 식품은 완전히 화학물질로만

이루어져 있다.

그림 100년 전에는 오염된 식수가 콜레라의 발병원인이었다. 현대의 정수장에서는 고형 물질을 제거하고 병원성 박테리아를 죽이기 위해화학물질을 사용하여 물을 식수로 만든다.


1.1 과학과 기술 : 지식의 근원

과학의 2가지 면

(1) 기술적인 면(실제적인 면)

- 불의 사용

- 연금술

(2) 철학적인 면(이론적인 면)

- 2500년 전 그리스 철학자가 아마도 처음으로 화학이론

(물질의 거동에 대한 설명)을 만들어냈음

- 이론을 실험으로 시험해 보지는 않았음

- 아리스토텔레스의 의해 주로 만들어진 자연에 대한 관점은

2000년 동안 물질에 대한 서구사상을 지배해 왔음

그림 연금술사들은 화학과 삶에많은 긍정적인 기여를 하였다. 브른즈위(Hierony-mus Brunschwig)의 1512년판 『Liber de arte distil-landi(증류의 예술)』에 수록된 연금술사의 증류기

그림 아리스토텔레스(Aristotle, 384~322 B.C.E.) 그리스의 철학자이자 알렉산더 대왕의 스승이었다. 그는 논리를 통하여 자연을 이해할수 있다고 믿었다. 실험과학 사상은 C.E. 1500년까지 아리스토텔레스의 논리를 이기지 못했다.

모든 학문의 바탕은 철학이다. 즉 사고의 근원이 철학이다. 그리스 시대에는 철학이 발전하였다.


1.2 인식의 변화와 관습의 변화

(1) 베이컨(Francis Bacon, 1561~1626)

- 법률가이며 판사로 일했던 철학자

- 과학은 실험적이어야 한다고 주장

- 꿈 : 과학이 세상의 문제를 해결하고 새로운 발명으로

인간의 삶을 풍부하게 하여 인간의 행복과 번영을 증진시킴

(2) 갈릴레오 갈릴레이(Galileo Galilei, 1564~1642)

- 망원경을 발전시켰고 태양의 흑점, 목성의 달, 금성의 주기적

변화 같은 것을 관찰하여 천문학을 발전시켰음

- 현대 과학의 아버지라 불림

(3) 카슨(Rachel Carson. 1907~1964)

- 화학물질의 사용은 인간을 포함한 모든 생명에 위협

- 식량생산이 인구증가로 이어짐

그림 베이컨(1561~1626). 챈슬러 경부터 제임스 1세 시대 사이의영국 철학자

그림 카슨의『침묵의 봄』은 많은 심각한 환경문제를 지적한 첫 번째 출판물이었다(1962년)


1.3 과학은 재현 가능하고, 시험할 수 있고, 잠정적이고, 예측할 수 있도록 해야 하며, 설명에 도움이 되어야 한다.

과학적 데이터는 재현 가능해야 한다

- 과학이란? : 관찰과 가정을 실험적으로 시험한 것에 기초

- 깊은 관찰을 통해 자료를 수집하고, 수집된 자료는 재현 가능해야 함

과학적 가정은 시험 가능해야 한다

- 관찰한 자료에 대한 임시적인 설명으로 시험 가능한 가정을 세우고

실험을 고안하고 수행하여 이 가정을 시험함

과학 법칙은 관찰을 요약한다

- 많은 양의 과학적 자료는 과학 법칙으로 요약될 수 있음

- 보편적이고 정해진 조건하에서 관측 가능한 우주 안에서는 어디서나 성립

과학이란 무엇인가에 대한 설명이다.


과학 이론은 잠정적이고 예측할 수 있어야 한다

- 자세한 설명의 뼈대 위에 지식을 체계화함

과학 모델은 설명에 도움이 되어야 한다

- 복잡한 현상을 설명하는 것을 돕기 위해 모델 사용

(ex. 분자동역학 이론 : 물의 증발을 통해 설명)

그림 1.1 물의 증발

(a) 용기에 담긴 물을 공기 중에 열린 채로 두면 물은 서서히 사라진다. (b) 과학자들은 증발을 분자의 운동으로 설명한다.

그림 다이아몬드의 분자모델은 단단하게 연결된고정된 구조를 보여준다. 이것은 왜 다이아몬드가 매우 단단한지설명해준다


과학의 한계

- 변수의 영향

ex) 적은 양의 특정한 오염물질이

사람들의 건강에 미치는 영향의 결정

⇒ 변수 : 음식물, 습관, 다른 화학물질들에 대한 노출


1.4 과학과 기술 : 위험과 이익

위험-이익 분석(risk-benefit analysis)

; 기대지수(desirability quotient, DQ) =

- 이익이 크고 위험이 작으면 ⇒ DQ는 큼

- 이익이 작고 위험이 크다면 ⇒ DQ는 작음

- 이익과 위험이 모두 크다면 ⇒ DQ는 불확실함

- 이익과 위험이 모두 작다면 ⇒ DQ는 불확실 함

ex) 북부 유럽 혈통의 사람들에게는 저온 살균 우유는 안전하고 깨끗하며 영양 있는

음료이다. 그러나 소수의 사람들은 우유 속 당분인 락토오스를 소화시키지 못한다.(a) 북부 유럽 사람들 : DQ 값이 큼

(b) 나머지 세계의 성인들 : DQ 값이 작음

이익

위험

모든 과학이 발견되는 시점에 인류에게 도움이 되다는 것은 아니다. 그러나 장래에 어떤 방향으로 발전할지에 대하여 논의하는 것은 유익하다.


예제 1.1 위험-이익 분석

어떤 의사들은 헤로인이 극심한 고통을 덜어주는 데 가장 효과적이라고 생각

한다. 그러나 헤로인은 매우 중독성이 강하고 종종 사용자가 사회생활을

못할 정도로 만든다. (a) 젊은 운동선수의 부러진 다리와

(b) 말기 암 환자의 고통을 치료하는 데 헤로인을 사용하는 것에 대한

위험-이익 분석을 하라

풀 이

a. 헤로인은 고통을 덜어주는 이익이 있다. 그러나 이러한 목적으로 헤로인을

사용하는 것은 너무 위험하다고 미국 식품의약국(U.S. Food and Drug Administration)은 판단하였다. DQ는 낮다.

b. 헤로인은 고통을 덜어주는 이익이 있다. 죽어가는 사람에게 중독의 위험은

무관하다. 영국에서는 이러한 목적으로 사용되나 미국에서는 어떤 목적으

로도 금지되었다. DQ는 불확실하다.(양쪽의 결론 모두가 명백히 과학적이지는 않기 때문이다. 사람들마다 평

가하는 것이 다르기 때문이다.)


사망 위험

- 위험에 대한 인식은 실제 위험과 종종 다름


1.5 화학의 중심 역할

- 과학 : 하나의 통합체

- 화학 : 다른 과학 분야의 기초가 됨

그림 1.2 화학은 과학에서 중심 역할을 한다.


1.6 사회 문제의 해결 : 과학적 연구

응용 연구

- 카버(George Washington Carver)의 업적

: 땅콩으로부터 300가지가 넘는 제품 개발, 손 세제, 과일음료, 단열판 등을 개발

기초 연구:지식의 추구

- 원자나 분자구조의 세 한 부분의 해석

- 복잡한 화학반응에 수반되는 복잡한 에너지 변화를 측정

- 주로 대학이나 연구기관에서 수행됨

- 엘리언(Gertrude Elion, 1918~1999)과 히칭스(George Hitchings, 1905~1998): 세포화학에서 퓨린의 역할을 이해하기 위한 목적으로 퓨린을 연구함

⇒ 이들의 기초연구는 성공적으로

장기이식을 수행하기 위한 새로운 약의 발견을 가져왔고

통풍, 말라리아, 포진, 암 같은 다양한 병을 치료하는 약의 발견으로 이끌었음

그림 터스키기 공대의 실험실에있는 카버(1864~1943)


1.7 화학 : 물질과 그 변화에 관한 연구

물질(matter) : 모든 유형의 것을 만드는 재료

질량(mass) : 물체가 가진 물질의 양을 측정

무게(weight) : 힘의 측정 ⇒ 중력에 따라 변함

예제 1.2 질량과 무게

수성의 중력은 지구의 0.376배이다.

(a) 지구에서 62.5 kg의 질량을 가진 사람의 수성에서의 질량은 얼마인가?

(b) 지구에서 무게가 124 lb인 사람의 수성에서의 무게는 얼마인가?

풀 이

a. 이 사람의 수성에서의 질량은 지구에서의 질량(62.5 kg)과 같을 것이다. 물질의 양은 변하지 않는다.

b. 이 사람의 수성에서의 무게는 0.376 × 124 lb = 46.6 lb이다. 수성과 이 사람의 인력은 지구와 이 사람의 인력의 0.376배 이다.

그림 1.3 우주인 영(John W. Young)이 지구 중력의 1/6인 달표면에서 점프를 하고 있다.


물리적 성질과 화학적 성질

- 물리적 성질

: 색, 냄새, 경도 같은 물리적 특성이나 거동

그림 1.4 두 원소의 물리적 성질비교구리(왼쪽)는 망치로 펴서 얇은 박 형태로 만들거나 동선으로 뽑거나 작은알갱이 형태로 만들 수 있다. 요오드(오른쪽)는 망치로 치면 미세한가루로 부서진다.


- 화학적 성질 : 한 물질이 다른 종류의 물질과 어떻게 반응하는지를 기술


예제 1.3 화학적 변화와 물리적 변화

다음의 변화는 물리적 변화인가? 또는 화학적 변화인가?a. 손톱을 자른다.b. 레몬주스가 우유를 응유와 유장으로 만들었다.c. 녹은 알루미늄을 주형에 부어 고체로 만든다.d. 소금을 나트륨 금속과 염소 기체로 분해한다.

풀 이

변화를 조사하고 조성과 구조의 변화가 있는지 결정한다. 즉, 화학적으로 다른

물질이 만들어졌는지를 묻는다. 그렇다면 변화는 화학적 변화이다. 그렇지 않다

면 변화는 물리적 변화이다.

a. 물리적 변화 : 손톱을 잘라도 손톱의 조성은 변하지 않는다.

b. 화학적 변화 : 응유와 유장의 조성은 우유의 조성과 다르다.

c. 물리적 변화 : 고체이건 액체이건 알루미늄은 같은 조성을 가진

같은 물질이다.

d. 화학적 변화 : 새로운 물질인 나트륨과 염소가 생성되었다.


1.8 물질의 분류

물질의 상태

- 고체(solid) : 물체는 보통 위치에 상관없이

모양과 부피를 유지

- 액체(liquid) : 한정된 부피를 갖지만

용기의 모양을 가짐

- 기체(gas) : 모양도 없고 부피도 없음

순물질과 혼합물

- 순물질(substance) : 시료마다 변하지 않는

뚜렷하게 정해진 조성을 가짐

- 혼합물(mixture) : 2개 또는 그 이상의 순물질,

물리적 방법에 의해 분리 가능

균일 혼합물(=용액) , 불균일 혼합물

그림 1.5 분자동력학은 고체, 액체, 기체의 총괄 성질을 설명하기 위해 사용됨

그림 1.6 물질을 분류하는 도표


원소와 화합물

- 원소(element) : 모든 물질이 만들어지는 기본적인 순물질

- 화합물(compound) : 2개 이상의 원소가 화학적 결합에 의해 만들어진 순물질

원자와 분자

- 원자(atom) : 원소의 특징을 가진 가장 작은 원소의 일부분

- 분자(molecule) : 원자들이 서로 결합하여 하나의 단위를 이룸


예제 1.4 원소와 화합물

다음 중 원소를 나타내는 것은 어느 것이고 화합물을 나타내는 것은 어느 것인가?

C Cu HI BN In HBr

풀 이

C, Cu, In은 원소를 나타낸다. (모두 단일 기호이다.)

HI, BN, HBr은 2개의 기호로 되어 있고 화합물을 나타낸다.


1.9 물질의 측정

국제단위체계(International System of Units) : 1960년부터 동의된 측정 체계

- 불어 ; Systeme Internationale ⇒ SI단위

그림 1.7 미터법 측정 단위와 관습적인측정 단위의 비교(1m=100cm, 1m=1.0936yd)


지수 : 십의 거듭제곱

- 물체의 크기를 표현하기 위해 보통 지수를 사용

ex) 전자의 지름 = 10-15 m, 전자의 질량 = 10-30 kg

은하의 지름 = 1023 m, 은하의 질량 = 1041 kg


예제 1.5 접두어와 십의 거듭제곱

십의 거듭제곱으로 표시된 다음 측정값을 접두어를 이용하여 전환하라.

a. 2.89 × 10-6 g b. 4.30 × 103 m

풀 이

표 1.6으로부터 적당한 접두어를 찾아 바꾼다.

a. 10-6은 접두어 마이크로에 해당한다. 그러므로 2.89 ㎍b. 103은 킬로에 해당한다. 그러므로 4.30 km


예제 1.6 접두어와 십의 거듭제곱

지수를 이용하여 다음 측정값을 SI 기본 단위로 나타내라.

a. 4.12 cm b. 947 ms c. 3.17 nm

풀 이

a. 4.12 cm = 4.12 × 10-2 mb. 947 ms = 9.47 × 102 × 10-3 s = 9.47 × 10-1 sc. 3.17 nm = 3.17 × 10-9 m


질량

- SI 기본양 : 킬로그램(kg)1 kg = 103 g = 1,000 g , 1 g = 0.001 kg = 10-3 kg

1 mg = 10-3 g = 0.001 g

길이, 면적, 부피

- SI 기본양 : 미터(m)- 길이 : 1 km = 1,000 m 1 cm = 0.01 m 1 mm = 0.001 m

- 면적 : 1 cm2 = (10-2 m)2 = 10-4 m2 1 mm2 = (10-3 m)2 = 10-6 m2

- 부피 : 1 cm3 = (10-2 m)3 = 10-6 m3 1 dm3 = (10-1 m)3 = 10-3 m3

1 L = 1 dm3 = 1,000 cm3 1 mL = 1 cm3

시간

- SI 기본양 : 초(s)1 ms = 10-3 s 1 μs = 10-6 s 1 ns = 10-9 s 1 ps = 10-12 s1 min = 60 s 1 h = 60 min 1 d = 24 h 1 y = 365 d

mm2와 cm2 같은 면적 단위는길이 단위로부터 유도됨


문제풀이 : 추정

- 자세한 계산을 필요로 하지 않고, 대강의 계산을 필요로 하거나 전혀 계산이

필요하지 않음

예제 1.7 질량, 길이, 면적, 부피

자세한 계산을 하지 말고 두 살짜리 어린아이의 합리적인

(a) 질량(무게), (b) 키를 다음 중에서 결정하라.

질량 : 10 mg 10 g 10 kg 100 g키 : 85 mm 85 cm 850 cm 8.5 m

풀 이

a. 관용적인 단위로는 두 살짜리 아기의 무게는 20~25 lb임. 1 kg은 약 2.2 lb이므로 ⇒ 답은 10 kg

b. 관용적인 단위로는 두 살짜리 아기의 키는 30~36 in임. 1 in은 약 2.54 cm이므로 ⇒ 답은 85 cm


문제풀이 : 단위 환산

예제 1.8 단위 환산

(a) 1.83 kg을 g 으로 (b) 729 μL를 mL로 환산하라

풀 이

a. 1 kg은 1,000 g이고 kg을 g으로 전환하는 전환인자를 사용

⇒

b. 103 mL = 1 L, 106 μL = 1 L이고 μL를 1 mL로 전환하는 전환 인자 사용

⇒

gkg

gkg 830,11000,183.1

mLLmL

LLL 729.0

1000,1

101729 6


1.10 도

- 도(density) : 한 물질의 단위 부피(V)당 질량(m)

- 적용 : 질량, 길이, 면적, 부피처럼 도를 포함한 문제

추정이 가능

ex) 물질들의 상대적인 부피결정, 한 물질이 물에 뜨거나 가라앉을지를 결정

Vmd

구리 1cm3는 8.94 g ⇒ 구리의 도는 8.94 g/cm3

그림 1.8 실온에서 물의도는 1.00 g/mL임.

동전은 물에 가라앉음

코르크마개는 물에 뜸


예제 1.9 질량, 부피, 도

자세한 계산을 하지 말고 다음에 답하라. (a) 50.0 g 구리와 50.0 g의 금 중 부피가 더 큰 것은 어느 것인가? (b) 225 mL 에틸 알코올과 225 mL 헥산 중 질량이 더 큰 것은?

풀 이

a. 표 1.6에서 금의 도(19.3 g/cm3)가 구리의 도(8.94 g/cm3)보다 큼

⇒ ∴ 구리의 부피가 큼

b. 표 1.6에서 에틸알코올의 도(0.789 g/mL)가 헥산의 도(0.660 g/mL)

보다 큼 ⇒ ∴ 에틸알코올의 질량이 큼


예제 1.10 질량과 부피로부터 도 구하기

156 g의 철은 20.0 cm3의 부피를 차지한다. 도를 구하라.

풀 이


예제 1.11 도와 부피로부터 질량 구하기

도가 0.703 g/mL인 휘발유 1.00 L의 질량을 구하라.

풀 이

예제 1.12 질량과 도로부터 부피 구하기

461 g 수은의 부피를 구하라. (표 1.7 참조)

풀 이

gLmLL

mLgVdm 703

1000,11

1703.0

mLg

mLgV 1.34534.13

1461


1.11 에너지 : 열과 온도

- 에너지(energy) : 물질에 물리적이거나 화학적 변화를 생기게 하는 능력

• SI 기본단위 ; joule [J] ⇒ 1 cal = 4.184 J

- 열(heat) : 움직이는 에너지

- 온도(temperature) : 물체가 얼마나 뜨거운지 차가운지를 측정하는 단위

• 열이 흘러가는 방향을 알려줌

• SI 기본단위 ; kelvin [K]

K = ℃ + 273.15

그림 1.9 화씨온도, 섭씨온도, 켈빈온도의 비교


예제 1.13 온도 전환

디에틸 이써(diethyl ether)는 36℃에서 끓는다.

디에틸 이써가 끓는점을 켈빈온도로 써라.

풀 이

K = ℃ + 273.15 = 36 + 273.15 = 309 K


예제 1.14 에너지 전환

휘발유 1.00 g이 연소할 때 10.3 kcal의 에너지를 방출한다. 킬로주울(kJ)로이 에너지를 환산하라.

풀 이

kJJ

kJcal

Jkcal

calkcal 1.43000,11

1184.4

1000,13.10


1.12 비판적인 사고

어떤 주장을 시험하기 위한 4가지 규칙 ⇒ FLaReS

- 반증 가능성(falsifiability) : 주장이 가짜임을 보여주는 생각할 수 있는

증거가 있는가?

- 논리(logic) : 어떤 주장을 뒷받침하기 위하여 증거로 제시된 논거는 완전해야

한다.

- 재현가능성(replicability) : 어떤 주장에 대한 증거가 실험결과에 기초한다면

그 증거는 다음 실험이나 재시도에서 재현 가능해야 한다.

- 충분함(sufficiency) : 어떤 주장을 뒷받침하기 위해 제공된 증거는 주장을

진실로 확립시키기 위해 다음 조건들과 함께 충분해야 한다.

(1) 어떤 주장의 증거에 대한 책임은 주장하는 사람에게 있다.

(2) 특별한 주장은 특별한 증거를 필요로 한다.

(3) 권위나 증언에 기초한 증거는 결코 충분하지 않다


어떤 주장이 4가지 FLaReS 시험을 모두 통과한다면

⇒ 그 주장은 사실일 수도 있으나, 여전히 틀린 주장으로 판명될 수도 있다.

어떤 주장이 4가지 FLaReS 시험 중 하나라도 통과하지 못한다면

⇒ 그것은 틀린 주장일 확률이 높다.


1장 강의가 끝났습니다.

수고하셨습니다.

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