CHEMITOPIA | 현직 화학 교사의 고등학교 화학 공부

공기의 약 78%는 질소 기체 N₂이다. 그런데 식물은 공기 중의 질소를 그대로 이용하기 어렵다. 생명체가 단백질과 핵산을 만들려면 질소가 암모니아나 질산염 같은 사용 가능한 질소 화합물로 바뀌어야 한다. 19세기 말에는 자연적인 질소 고정만으로 늘어나는 인구의 식량을 공급하는 데 한계가 나타났고, 공기 중 질소로부터 암모니아를 만드는 기술이 중요한 과학적 과제가 되었다. 그 해결책이 바로 하버-보슈법(Haber-Bosch process)이다. 암모니아 합성 반응은 다음과 같다.N2(g) + 3H2(g) ⇌ 2NH3(g) 겉보기에는 매우 간단하다. 질소와 수소를 섞으면 암모니아가 만들어질 것 같다.하지만 실제로는 쉽지 않다.하버-보슈법의 핵심은 바로 '평형에는 낮은 온도가 좋지만, 반응속도에는 높은 온도..

붉은 루비와 초록색 에메랄드를 나란히 놓으면 누구나 전혀 다른 물질이라고 생각하기 쉽다.그런데 두 보석의 색에는 놀라운 공통점이 있다.루비를 붉게 만드는 핵심 원소도 크로뮴이고, 에메랄드를 초록색으로 만드는 중요한 원소도 크로뮴이다.같은 원소가 들어 있는데 어떻게 하나는 빨갛고 다른 하나는 초록색일까?이 질문의 답을 찾는 과정에는 원소의 발견, 빛의 흡수, 전이금속, 전자배치, 양자역학으로 이어지는 화학의 역사가 숨어 있다.보석은 처음부터 과학의 대상이 아니었다오늘날 우리는 루비를 Al₂O₃, 에메랄드를 베릴륨·알루미늄 규산염으로 설명하지만 옛사람들에게 보석의 색은 과학보다 신비에 가까웠다.고대 인도에서는 루비를 귀중한 보석의 왕으로 여겼으며, 에메랄드 역시 고대 이집트에서 오래전부터 채굴되고 사용되었다..

고등학교 과학축제나 화학 실험 부스에서 짧은 시간 안에 강한 시각적 효과를 보여 주고 싶다면 우유 마블링 실험을 추천할 수 있다. 우유가 담긴 접시에 여러 가지 식용색소를 떨어뜨린 뒤 주방세제를 묻힌 면봉을 살짝 접촉시키면 색소가 사방으로 빠르게 움직이면서 아름다운 마블링 무늬가 만들어진다.실험 자체는 3~5분이면 충분하지만, 그 속에는 표면장력, 계면활성제, 분자 간 상호작용과 같은 화학 개념이 숨어 있다. 준비물이 간단하고 위험한 시약을 거의 사용하지 않는다는 점에서도 고등학교 과학 체험 부스에 활용하기 좋다.1. 우유 마블링 실험이란?우유 마블링 실험은 접시에 우유를 넣고 식용색소를 떨어뜨린 다음, 주방세제를 소량 접촉시켜 색소가 움직이는 모습을 관찰하는 실험이다.처음 식용색소를 떨어뜨렸을 때에는 ..

철이 녹슬고, 나무가 타고, 건전지에서 전기가 만들어지고, 우리 몸이 영양소로부터 에너지를 얻는 과정에는 공통점이 있다.바로 산화 환원 반응(redox reaction)​이 일어난다는 것이다. 그런데 화학을 배우다 보면 산화와 환원의 정의가 여러 가지라 혼란스러울 수 있다. 처음에는 산소를 얻으면 산화, 산소를 잃으면 환원이라고 배우는데, 나중에는 수소를 잃으면 산화, 수소를 얻으면 환원이라고도 한다. 또 조금 더 배우면 전자를 잃으면 산화, 전자를 얻으면 환원이라고 하고, 산화수를 이용해서 산화수가 증가하면 산화, 감소하면 환원 이라고도 한다. 이 네 가지 설명은 서로 다른 현상을 말하는 것이 아니다. 같은 산화 환원 반응을 서로 다른 관점에서 설명한 것이다.1. 산소를 얻으면 산화, 산소를 잃으면 환..

산화수 구하는 법: 기본 규칙만 알면 쉽게 계산할 수 있다화학에서 산화·환원 반응을 배우기 시작하면 가장 먼저 등장하는 개념이 산화수이다.예를 들어 다음 반응을 보자.Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu이 반응에서 아연은 산화되고 구리 이온은 환원된다.왜 그렇게 판단할 수 있을까?전자 이동을 직접 확인할 수도 있지만, 더 편리한 방법은 반응 전후의 산화수(oxidation number)를 비교하는 것이다.Zn의 산화수는0 → +2로 증가하고,Cu의 산화수는+2 → 0으로 감소한다.따라서 산화수가 증가한 Zn은 산화되고, 산화수가 감소한 Cu²⁺는 환원된다.그렇다면 화합물 속 원자의 산화수는 어떻게 구할까?처음에는 복잡해 보이지만 몇 가지 산화수 규칙만 알고 있으면 대부분의 고등학교 화학 문제를 쉽게 해..

햄버거를 만든다고 생각해 보자.햄버거 하나를 만드는 데 빵 2개와 패티 1개가 필요하다고 하자.그런데 빵은 10개 있는데 패티가 3개밖에 없다면 햄버거를 몇 개 만들 수 있을까?빵의 개수만 보면 5개를 만들 수 있지만 패티가 3개뿐이므로 실제로 만들 수 있는 햄버거는 3개이다.패티를 모두 사용하면 더 이상 햄버거를 만들 수 없고 빵은 남는다.이때 패티처럼 생성물의 최대 양을 결정하는 물질이 화학에서 말하는 한계 반응물(limiting reactant)이다.화학반응에서도 여러 반응물이 항상 화학 반응식의 계수비에 정확하게 맞추어 존재하는 것은 아니다.어떤 반응물은 먼저 모두 소모되고 다른 반응물은 남는다.먼저 모두 소모되어 더 이상의 반응을 막는 물질이 바로 한계 반응물이다.한계 반응물과 과량 반응물이란?..

화학 반응식의 양적 관계 문제를 처음 보면 숫자가 너무 많이 등장한다.몰수도 계산해야 하고, 질량도 구해야 하며, 어떤 문제에서는 분자 수나 기체의 부피까지 나온다.그래서 학생들은 각각의 경우에 새로운 공식을 외워야 한다고 생각하기 쉽다.하지만 화학 반응식의 양적 관계를 푸는 핵심 원리는 의외로 하나뿐이다.“화학 반응식의 계수비는 반응하는 물질들의 몰비를 나타낸다.”이 원리를 정확히 이해하면 복잡해 보이는 질량·입자 수·기체 부피 문제도 하나의 흐름으로 연결할 수 있다.화학 반응식의 계수는 무엇을 의미할까?수소와 산소가 반응하여 물이 만들어지는 반응을 생각해 보자.2H₂ + O₂ → 2H₂O이 반응식에서 숫자 2, 1, 2는 단순히 반응식을 맞추기 위해 붙인 숫자가 아니다.미시적인 입자 수준에서는H₂ 분..

오늘날 원자량은 탄소-12를 기준으로 정한다. 하지만 처음부터 탄소가 기준이었던 것은 아니다. 수소=1에서 산소=16을 거쳐 탄소-12=12가 되기까지 원자량 기준의 변화를 과학사로 알아보고자 한다.원자량의 기준은 왜 수소에서 탄소-12로 바뀌었을까?주기율표를 보면 탄소의 원자량은 약 12.01, 산소는 약 16.00이라고 적혀 있다.그런데 여기서 한 가지 질문을 해볼 수 있다.“도대체 무엇을 기준으로 탄소가 12이고 산소가 16이라고 정한 것일까?” 원자 한 개를 저울 위에 올려놓고 질량을 측정할 수는 없다. 원자는 너무 작기 때문이다.그래서 과학자들은 처음부터 원자의 절대적인 질량보다 한 원자를 기준으로 다른 원자가 몇 배 무거운지 비교하는 방법을 사용했다.문제는 하나였다.“그 기준 원자를 무엇으로 ..

화학을 공부하다 보면 이상한 숫자를 만나게 된다.탄소의 원자량은 약 12.01, 물 H₂O의 분자량은 약 18.02, 물의 몰질량은 약 18.02 g/mol이다.그런데 여기서 의문이 생긴다.분자량은 18.02인데 몰질량도 왜 18.02일까?같은 값이라면 분자량과 몰질량은 같은 개념일까?결론부터 말하면 숫자는 같을 수 있지만 의미와 단위는 다르다.이 차이를 이해하려면 먼저 원자량부터 살펴보아야 한다.원자량이란 무엇일까?원자는 너무 작기 때문에 한 원자의 질량을 g으로 나타내면 매우 작은 숫자가 된다. 그래서 화학에서는 원자의 질량을 직접 g으로 나타내기보다 탄소-12 원자를 기준으로 한 상대적인 값을 사용한다.원자 질량의 기준이 되는 원자 질량 단위 u는 탄소-12 원자 한 개 질량의 정확히 1/12을 기..

몰농도 계산이 어렵다면 M=n/V의 의미부터 이해해야 한다. 몰농도란 무엇인지, 몰수와 용액의 부피를 이용한 계산법, 질량에서 몰농도를 구하는 방법과 자주 틀리는 문제까지 쉽게 설명하고자 한다몰농도 계산법: M=n/V를 쉽게 이해하는 방법화학 문제를 풀다 보면 0.1 M NaCl 수용액, 0.5 M HCl, 1 M NaOH 같은 표현을 자주 만나게 된다.여기서 M은 무엇을 의미할까?학생들이 몰농도 계산을 어려워하는 가장 큰 이유는 M=n/V라는 공식을 먼저 외우기 때문이다. 하지만 몰농도의 의미를 이해하면 공식은 자연스럽게 따라온다.몰농도는 일정한 부피의 용액 속에 용질이 몇 몰 들어 있는지를 나타내는 농도이다.IUPAC에서는 이를 물질량 농도(amount concentration)라고 정의하며, 혼합물..