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Subjects · ⁨과목⁩

A-Level Chemistry · ⁨A-Level 화학⁩

Tips · ⁨팁⁩

A-Level Chemistry (9701) is really three subjects that must talk to each other: physical (energy, equilibrium, rates, electrochemistry), inorganic (periodicity, Group 2, Group 17, transition elements) and organic, which grows from alkanes into a long chain of mechanisms and ends with NMR and mass spectrometry.

Most lost marks here are not from hard chemistry. They come from missing conditions, unbalanced equations, no state symbols, and organic answers that give a product but not the mechanism arrows the scheme pays for.

Organic needs a different kind of revision: draw one reaction map by hand and keep adding to it. The exam asks you to get from one functional group to another, not to recite a single reaction.

  • 1

    Atomic structure

    Watch lesson · ⁨수업 보기⁩
    1.1

    What an atom is made of · ⁨원자의 구성⁩

    Syllabus
    English
    1. understand that atoms are mostly empty space surrounding a very small, dense nucleus that contains protons and neutrons; electrons are found in shells in the empty space around the nucleus
    2. identify and describe protons, neutrons and electrons in terms of their relative charges and relative masses
    3. understand the terms atomic and proton number; mass and nucleon number
    4. describe the distribution of mass and charge within an atom
    5. describe the behaviour of beams of protons, neutrons and electrons moving at the same velocity in an electric field
    6. determine the numbers of protons, neutrons and electrons present in both atoms and ions given atomic or proton number, mass or nucleon number and charge
    7. state and explain qualitatively the variations in atomic radius and ionic radius across a period and down a group
    한국어
    1. 원자는 매우 작고 밀도가 높은 핵을 중심으로 대부분 빈 공간으로 이루어져 있으며, 양성자와 중성자가contains; 전자는 핵 주위의 빈 공간에 있는 껍질에 존재함을 이해하시오
    2. 양성자, 중성자, 전자를 상대 전하 및 상대 질량 관점에서 식별하고 서술하시오
    3. 원자 번호 및 양성자 수; 질량 수 및 핵자 수의 용어를 이해하시오
    4. 원자 내 질량과 전하의 분포를 서술하시오
    5. 전기장에서 동일한 속도로 이동하는 양성자, 중성자, 전자 빔의 거동을 서술하시오
    6. 원자 번호 또는 양성자 수, 질량수 또는 핵자수, 전하를 주어 원자와 이온에 포함된 양성자, 중성자, 전자의 수를 구하시오
    7. 원자 반경 및 이온 반경이 주기 내에서와 족 내에서 변하는 경향을 서술하고 설명하시오

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

    English

    Everything is made of atoms 原子. An atom is mostly empty space. At its centre is a tiny, heavy nucleus 原子核. The nucleus holds two kinds of particle: protons 质子 and neutrons 中子. Around the nucleus, in the empty space, move the electrons 电子. The electrons stay in shells 壳层 — layers at set distances from the nucleus.

    The nucleus is very small but holds almost all the mass. The electrons take up almost all the space but have almost no mass.

    Relative charge and relative mass

    We compare the three particles using relative charge 相对电荷 and relative mass 相对质量. These are simple numbers, not real units.

    Particle Relative charge Relative mass
    proton $+1$ $1$
    neutron $0$ $1$
    electron $-1$ $\tfrac{1}{1836}$ (about $0$)

    A proton and a neutron have almost the same mass. An electron is about 1836 times lighter. The proton is positive, the electron is negative, and the neutron has no charge — it is neutral 中性.

    Proton number and nucleon number

    Two numbers describe the nucleus:

    • the proton number 质子数 (also called the atomic number 原子序数), symbol $Z$ — the number of protons.
    • the nucleon number 核子数 (also called the mass number 质量数), symbol $A$ — the total number of protons and neutrons. Protons and neutrons are both nucleons 核子.

    So the number of neutrons is $A - Z$.

    Counting particles in an atom or ion

    For a neutral atom, the number of electrons equals the number of protons, which equals $Z$.

    An ion 离子 is an atom that has lost or gained electrons, so it has a charge:

    • a positive ion has fewer electrons than protons.
    • a negative ion has more electrons than protons.

    Example: $^{27}_{13}\text{Al}^{3+}$ has $13$ protons, $27 - 13 = 14$ neutrons, and $13 - 3 = 10$ electrons (it lost 3 electrons to become $3+$).

    How mass and charge are spread out

    Almost all the mass sits in the nucleus, because protons and neutrons are heavy and electrons are very light. All the positive charge is in the nucleus (the protons). The negative charge is spread out in the shells (the electrons).

    Beams of particles in an electric field

    Imagine beams of protons, neutrons and electrons moving at the same speed into an electric field 电场 between two charged plates:

    • the proton beam bends towards the negative plate (protons are positive).
    • the electron beam bends the other way, towards the positive plate. It bends much more, because the electron is far lighter — the same force gives a bigger deflection 偏转 to a smaller mass.
    • the neutron beam goes straight through. It has no charge, so the field gives it no force.

    Atomic radius and ionic radius

    The atomic radius 原子半径 is the size of an atom. The ionic radius 离子半径 is the size of an ion.

    Across a period 周期 (left to right), the atomic radius gets smaller. The nuclear charge 核电荷 (the pull from the protons) rises, but the electrons go into the same outer shell, so the shielding 屏蔽 by inner shells stays about the same. The stronger pull draws the outer shell inwards.

    Down a group 族 (top to bottom), the atomic radius gets larger. Each step down adds a new shell, so the outer electrons are further out and feel more shielding from the nucleus.

    For ions:

    • a positive ion (cation 阳离子) is smaller than its atom. It has lost its outer shell, and the electrons that remain feel a stronger pull each.
    • a negative ion (anion 阴离子) is larger than its atom. It has gained electrons, so there is more repulsion 排斥 between the electrons.
    • among ions that have the same number of electrons, the one with more protons is smaller.
    한국어
    원자의 스캐닝 터널링 현미경 이미지
    스캐닝 터널링 현미경은 개별 원자를 이미징할 수 있습니다.

    모든 것은 원자로 구성되어 있습니다. 원자는 대부분 빈 공간입니다. 중심에는 작고 무거운 **핵(nucleus)**이 있습니다. 핵은 두 종류의 입자를 포함합니다: **양성자(protons)**와 중성자(neutrons). 핵 주변의 빈 공간에서는 **전자(electrons)**가 움직입니다. 전자는 껍질(shells) 안에 머무르는데, 이는 핵으로부터 특정 거리에 있는 층입니다.

    핵은 매우 작지만 질량의 거의 대부분을 차지합니다. 전자는 거의 모든 공간을 차지하지만 질량은 거의 없습니다.

    중앙에 양성자와 중성자로 이루어진 핵이 있고, 두 개의 껍질에 전자들이 둘러싸인 원자 도식도
    원자는 대부분 빈 공간입니다: 양성자와 중성자는 작은 중앙 핵에 위치하며, 전자는 주변을 돌며 껍질을 형성함

    상대 전하 및 상대 질량

    우리는 세 입자를 상대 전하와 상대 질량을 통해 비교합니다. 이들은 실제 단위라기보다는 단순한 숫자입니다.

    입자 상대 전하 상대 질량
    양성자 $+1$ $1$
    중성자 $0$ $1$
    전자 $-1$ $\tfrac{1}{1836}$ (약 $0$)

    양성자와 중성자는 거의 동일한 질량을 가집니다. 전자는 약 1836배 더 가볍습니다. 양성자는 양전하를, 전자는 음전하를 가지며, 중성자는 전하가 없어 **중성(neutral)**입니다.

    원자 번호 및 핵자 번호

    두 가지 숫자가 핵을 설명합니다:

    • 원자 번호(또는 원자番号), 기호 $Z$ — 양성자의 개수입니다.
    • 핵자 번호(또는 질량 번호), 기호 $A$ — 양성자와 중성자의 총개수입니다. 양성자와 중성자는 모두 **핵자(nucleons)**입니다.

    따라서 중성자의 개수는 $A - Z$입니다.

    원자 또는 이온의 입자 세기

    중성 원자의 경우, 전자 수는 양성자 수와 같으며, 이는 $Z$과 같습니다.

    **이온(ion)**은 전자를 잃거나 얻은 원자로, 전하를 띱니다:

    • 양이온은 양성자보다 전자가 적습니다.
    • 음이온은 양성자보다 전자가 많습니다.

    예시: $^{27}_{13}\text{Al}^{3+}$은 $13$개의 양성자, $27 - 13 = 14$개의 중성자, 그리고 $13 - 3 = 10$개의 전자를 가집니다(이것은 $3+$가 되기 위해 전자 3개를 잃었습니다).

    질량과 전하의 분포

    양성자와 중성자는 무겁고 전자는 매우 가벼우므로, 거의 모든 질량은 핵에 집중되어 있습니다. 모든 양전하는 핵(양성자)에 있으며, 음전하는 껍질(전자)에 퍼져 있습니다.

    전기장에서의 입자 빔

    두 개의 충전된 판 사이의 전기장으로 동일한 속도로 이동하는 양성자, 중성자, 전자의 빔을 상상해 보십시오:

    • 양성자 빔은 음전하 판 쪽으로 굽습니다(양성자는 양전하).
    • 전자 빔은 반대 방향, 즉 양전하 판 쪽으로 굽습니다. 훨씬 더 크게 굽는데, 전자가 훨씬 가벼우기 때문입니다. 동일한 힘은 더 작은 질량에 더 큰 **편향(deflection)**을 유발합니다.
    • 중성자 빔은 곧게 통과합니다. 전하가 없으므로 전기장에서 힘을 받지 않습니다.
    충전된 판 사이 세 개의 빔: 전자는 양전하 판으로 급격히 굽고, 양성자는 음전하 판으로 완만하게 굽으며, 중성자는 곧게 나감
    전기장에서 양성자는 $-$ 판 쪽으로 굽고, 전자는 반대 방향으로 훨씬 더 많이 습니다(훨씬 가벼우므로); 중성자는 곧게 통과함

    원자 반경 및 이온 반경

    원자 반경은 원자의 크기를 뜻합니다. 이온 반경은 이온의 크기를 뜻합니다.

    주期(period) 전체를 거칠 때(왼쪽에서 오른쪽으로), 원자 반경은 작아집니다. 핵전하(양성자에 의한 인력)는 증가하지만, 전자는 같은 바깥 껍질에 들어오므로 안쪽 껍질의 **차폐效应(shielding)**는 거의 일정합니다. 강한 인력은 바깥 껍질을 안쪽으로 당겨요.

    족 (위에서 아래로) 이동할수록 원자 반지름은 커집니다. 아래로 내려갈 때마다 새로운 전자껍질이 추가되어 가장바깥쪽 전자가 핵으로부터 더 멀어지고, 핵의 정전하에 의한 차폐 효과를 더 많이 받기 때문입니다.

    한 주기에 걸쳐 작아지는 원자의 줄, 그리고 한 족을 따라 커지는 원자의 열
    한 주기에서는 원자가 작아진다(같은 바깥껍질에 대한 핵의 인력이 강해지기 때문); 한 족에서는 원자가 커진다(매 단계마다 껍질이 하나씩 추가되기 때문)

    이온에 대해:

    • 양이온(양이온, cation)은 해당 원자보다 작다. 바깥껍질을 잃었으므로 남은 전자들은 각자 핵으로부터 더 강한 인력을 받는다.
    • 음이온(음이온, anion)은 해당 원자보다 크다. 전자를 얻었으므로 전자들 사이에서 반발력이 더 커진다.
    • 동일한 수의 전자를 가진 이온들 중에서는 양성자가 더 많은 쪽이 작다.
    Explore · ⁨탐색하기⁩

    Explore the atom · ⁨원자 탐구⁩

    Tap each part. A tiny dense nucleus of protons and neutrons holds the mass; light electrons orbit it in shells. · ⁨각 부분을 탭하십시오. 양성자와 중성자로 구성된 작고 밀도 높은 핵이 질량을 유지하며, 가벼운 전자들이 껍질에서 이를 돌고 있습니다.⁩

    Explore · ⁨탐색하기⁩

    Atomic and ionic radius trends · ⁨원자 반지름 및 이온 반지름의 경향⁩

    Atomic radius falls across a period (rising nuclear charge pulls the same shell in) and rises down a group (an extra shell each time). Step across Period 3 to see it. · ⁨주기에 걸쳐 원자 반지름은 감소한다(상승하는 핵전하가 같은 껍질을 안쪽으로 당기기 때문에)하고, 족을 따라 내려갈수록 증가한다(매번 추가된 껍질 때문이다). 주기 3을 가로지르며 확인해 보라.⁩

    Vocabulary · ⁨어휘⁩ Train · ⁨연습하기⁩
    English 한국어
    atom/ˈætəm/ 원자
    nucleus/ˈnjuːklɪəs/ 핵
    proton/ˈprəʊtɒn/ proton
    neutron/ˈnjuːtrɒn/ neutron
    electron/ɪˈlektrɒn/ 전자
    shell/ʃel/ 껍질
    relative charge/ˈrelətɪv tʃɑːdʒ/ 相対 charge
    relative mass/ˈrelətɪv mæs/ 相対質量
    neutral/ˈnjuːtrəl/ 중성
    proton number/ˈprəʊtɒn ˈnʌmbə/ 양자수
    atomic number/əˈtɒmɪk ˈnʌmbə/ 원자 번호
    nucleon number/ˈnjuːklɪən ˈnʌmbə/ 핵자 수
    mass number/mæs ˈnʌmbə/ 질량수
    nucleon/ˈnjuːklɪən/ 핵자(nucleon)
    ion/ˈaɪɒn/ 이온
    electric field/ɪˈlektrɪk fiːld/ 전기장
    deflection/dɪˈflekʃn/ 편향
    atomic radius/əˈtɒmɪk ˈreɪdɪəs/ 원자 반경
    ionic radius/aɪˈɒnɪk ˈreɪdɪəs/ 이온 반경
    period/ˈpɪərɪəd/ 주기
    nuclear charge/ˈnjuːklɪə tʃɑːdʒ/ 핵 전하
    shielding/ˈʃiːldɪŋ/ 차폐 효과
    group/ɡruːp/ 그룹
    cation/ˈkætaɪən/ 양이온
    anion/ˈænaɪən/ 음이온
    repulsion/rɪˈpʌlʃn/ 반발력
    1.2

    Isotopes · ⁨동위원소⁩

    Syllabus
    English
    1. define the term isotope in terms of numbers of protons and neutrons
    2. understand the notation $_y^x\text{A}$ for isotopes, where $x$ is the mass or nucleon number and $y$ is the atomic or proton number
    3. state that and explain why isotopes of the same element have the same chemical properties
    4. state that and explain why isotopes of the same element have different physical properties, limited to mass and density
    한국어
    1. 동위원소의 정의를 양성자 및 중성자의 수를 통해 제시하시오
    2. 동위원소의 표기 $_y^x\text{A}$를 이해하시오. 여기서 $x$는 질량수 또는 핵자수이며, $y$는 원자수 또는 양성자수이다
    3. 같은 원소의 동위원소가 동일한 화학적 성질을 가지는 이유를 서술하고 설명하시오
    4. 같은 원소의 동위원소가 질량과 밀도에 제한된 물리적 성질이 다른 이유를 서술하고 설명하시오

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

    English

    Isotopes 同位素 are atoms of the same element with the same number of protons but a different number of neutrons. So isotopes have the same proton number $Z$ but a different nucleon number $A$.

    We write an isotope as $^{A}_{Z}\text{X}$: the nucleon number $A$ on top, the proton number $Z$ below. For example, chlorine has two main isotopes, $^{35}_{17}\text{Cl}$ and $^{37}_{17}\text{Cl}$.

    Same chemical properties

    Chemical properties 化学性质 depend on the electrons, especially the outer electrons. Isotopes of one element have the same number of electrons arranged in the same way. So they react in exactly the same way — they have the same chemical properties.

    Different physical properties

    Some physical properties 物理性质 depend on mass, so they differ between isotopes. A heavier isotope has more neutrons, so more mass, and therefore a higher density 密度. (The syllabus limits this difference to mass and density.)

    한국어

    동위원소는 같은 원소이면서 양성자 수는 같지만 중성자 수가 다른 원자들이다. 따라서 동위원소는 동일한 양성자 번호 $Z$를 가지지만, 다른 질량수 $A$를 가진다.

    두 염소 동위원소 — 둘 다 양성자가 17개이지만, 하나는 중성자가 18개이고 다른 하나는 20개임
    두 개의 염소 동위원소: 양성자는 같지만 중성자는 다름

    동위원소를 $^{A}_{Z}\text{X}$: 형태로 표기한다. 위에는 질량수 $A$, 아래에는 양성자 번호 $Z$를 적는다. 예를 들어 염소에는 두 가지 주요 동위원소가 있으며,它们是 $^{35}_{17}\text{Cl}$와 $^{37}_{17}\text{Cl}$이다.

    동일한 화학적 성질

    화학적 성질은 전자, 특히 바깥전자에 의해 결정된다. 하나의 원소의 동위원소들은 동일한 수의 전자를 가지고same 방식으로 배열되어 있다. 따라서 그들은 정확히 동일한 방식으로 반응하며, 동일한 화학적 성질을 가진다.

    다른 물리적 성질

    일부 물리적 성질은 질량에 의존하므로 동위원소之间 differs. 무거운 동위원소는 중성자가 더 많아 질량이 크므로, 따라서 더 높은 밀도를 가진다. (교과과정은 이 차이를 질량과 밀도에만 한정한다.)

    Explore · ⁨탐색하기⁩

    Isotope lab · ⁨동위원소 실험실⁩

    Classify isotope facts by what changes and what stays the same. · ⁨무엇이 변하고 무엇이 그대로 유지되는지에 따라 동위원소 사실을 분류하시오.⁩

    Vocabulary · ⁨어휘⁩ Train · ⁨연습하기⁩
    English 한국어
    isotope/ˈaɪsətəʊp/ 동위 원소(isotope)
    chemical properties/ˈkemɪkl ˈprɒpətiz/ 화학적 성질
    physical properties/ˈfɪzɪkl ˈprɒpətiz/ 물리적 성질
    density/ˈdensɪti/ 밀도
    principal quantum number/ˈprɪnsɪpl ˈkwɒntəm ˈnʌmbə/ 주 양자수
    sub-shell/sʌb ʃel/ 서브壳(아래 껍질)
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    1.3

    Electrons, energy levels and orbitals · ⁨전자, 에너지 준위 및 오비탈⁩

    Syllabus
    English
    1. understand the terms: shells, sub-shells and orbitals; principal quantum number (n); ground state, limited to electronic configuration
    2. describe the number of orbitals making up s, p and d sub-shells, and the number of electrons that can fill s, p and d sub-shells
    3. describe the order of increasing energy of the sub-shells within the first three shells and the 4s and 4p sub-shells
    4. describe the electronic configurations to include the number of electrons in each shell, sub-shell and orbital
    5. explain the electronic configurations in terms of energy of the electrons and inter-electron repulsion
    6. determine the electronic configuration of atoms and ions given the atomic or proton number and charge, using either of the following conventions: e.g. for Fe: $1\text{s}^2 2\text{s}^2 2\text{p}^6 3\text{s}^2 3\text{p}^6 3\text{d}^6 4\text{s}^2$ (full electronic configuration) or [Ar] $3\text{d}^6 4\text{s}^2$ (shorthand electronic configuration)
    7. understand and use the electrons in boxes notation
    8. describe and sketch the shapes of s and p orbitals
    9. describe a free radical as a species with one or more unpaired electrons
    한국어
    1. 용어 이해: 껍질, 하위 껍질 및 궤도함; 주 양자수(n); 기저 상태(전자 배치에 한정)
    2. s, p, d 하위 껍질을 구성하는 궤도함의 수와 각 하위 껍질이 채울 수 있는 전자의 수를 설명
    3. 첫 세 개의 껍질 내 하위 껍질의 에너지 증가 순서 및 4s와 4p 하위 껍질의 에너지를 설명
    4. 각 껍질, 하위 껍질 및 궤도함에 있는 전자의 수를 포함하는 전자 배치를 서술
    5. 전자 에너지 및 전자-전자 반발에 근거하여 전자 배치를 설명
    6. 원자 번호 또는 양성자 번호와 전하를 주어 원자와 이온의 전자 배치를 결정. 다음 두 방식 중 하나 사용: 예시 Fe: $1\text{s}^2 2\text{s}^2 2\text{p}^6 3\text{s}^2 3\text{p}^6 3\text{d}^6 4\text{s}^2$ (전체 전자 배치) 또는 [Ar] $3\text{d}^6 4\text{s}^2$ (축약 전자 배치)
    7. 상자 속 전자 표기법을 이해하고 활용
    8. s 및 p 궤도함의 모양을 서술하고 도식화
    9. 자유 라디칼을 한 개 이상의 짝지워지지 않은 전자를 가진 입자로 정의

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

    English

    Electrons are arranged in shells, sub-shells and orbitals.

    Shells and the principal quantum number

    Each shell is labelled by the principal quantum number 主量子数 $n = 1, 2, 3, \dots$ A larger $n$ means a shell that is further from the nucleus and higher in energy.

    Sub-shells and orbitals

    Each shell is split into sub-shells 亚层, named s, p and d. Each sub-shell is built from orbitals 轨道. An orbital is a small region that can hold up to two electrons.

    Sub-shell Number of orbitals Maximum electrons
    s 1 2
    p 3 6
    d 5 10

    So an s sub-shell holds 2 electrons, a p sub-shell holds 6, and a d sub-shell holds 10.

    Order of increasing energy

    Electrons fill the lowest-energy sub-shell first. For the first three shells, plus 4s and 4p, the order of rising energy is:

    $$1\text{s} < 2\text{s} < 2\text{p} < 3\text{s} < 3\text{p} < 4\text{s} < 3\text{d} < 4\text{p}$$

    Notice the surprise: 4s is slightly lower in energy than 3d, so 4s fills first.

    Electronic configuration

    The electronic configuration 电子排布 lists how many electrons are in each sub-shell. The lowest-energy arrangement is the ground state 基态.

    For iron (Fe, $Z = 26$):

    $$1\text{s}^2\,2\text{s}^2\,2\text{p}^6\,3\text{s}^2\,3\text{p}^6\,3\text{d}^6\,4\text{s}^2$$

    You can write a shorthand using the nearest noble gas 稀有气体 in square brackets:

    $$[\text{Ar}]\,3\text{d}^6\,4\text{s}^2$$

    Here $[\text{Ar}]$ stands for the full configuration of argon.

    For ions, you add or remove electrons. One key rule: when a transition metal forms a positive ion, it loses its 4s electrons before its 3d electrons. So $\text{Fe}^{3+}$ is $[\text{Ar}]\,3\text{d}^5$.

    Electrons in boxes

    The electrons in boxes notation draws each orbital as a box and each electron as an arrow. Two electrons in the same orbital must point opposite ways, because each electron has a property called spin 自旋, and a shared orbital needs opposite spins.

    Within a sub-shell, electrons fill empty orbitals one at a time, with parallel arrows, before any orbital gets a second electron. Spreading out like this keeps the electrons apart and lowers the repulsion between them.

    Why the configuration takes this shape

    Electrons fill from low energy to high energy because that gives the most stable (lowest-energy) atom. Within a sub-shell they spread out singly first to reduce the repulsion between the negative electrons.

    Shapes of s and p orbitals

    • an s orbital is a sphere 球形 centred on the nucleus.
    • a p orbital has two lobes, like a dumbbell, pointing along one axis. The three p orbitals point along three directions at right angles (the $x$, $y$ and $z$ axes).

    Free radicals

    A free radical 自由基 is a species with one or more unpaired electrons 未成对电子. Free radicals are very reactive.

    한국어
    수소의 가시선 방출 스펙트럼: 검은 배경 위에 네 개의 밝은 선
    수소는 특정 파장에서만 빛을 방출한다 — 이를 선형 방출 스펙트럼이라 한다.

    전자들은 껍질, 서브껍질, 오비탈에 배열된다.

    껍질과 주양자수

    각 껍질은 주양자수 $n = 1, 2, 3, \dots$로 명명된다. 더 큰 $n$는 핵으로부터 더 멀고 에너지가 높은 껍질을 의미한다.

    서브껍질과 오비탈

    각 껍질은 s, p, d로 이름 붙여진 서브껍질로 나뉜다. 각 서브껍질은 오비탈로 구성된다. 오비탈은 최대 2개의 전자를 수용할 수 있는 작은 영역이다.

    서브껍질 오비탈 수 최대 전자 수
    s 1 2
    p 3 6
    d 5 10

    따라서 s 서브껍질은 전자 2개를, p 서브껍질은 6개를, d 서브껍질은 10개를 수용한다.

    에너지 증가 순서

    전자는 가장 낮은 에너지의 서브껍질부터 채워진다. 첫 세 개의 껍질과 4s, 4p에 대해 에너지가 상승하는 순서는 다음과 같다:

    $$1\text{s} < 2\text{s} < 2\text{p} < 3\text{s} < 3\text{p} < 4\text{s} < 3\text{d} < 4\text{p}$$

    놀라운 점은 4s가 3d보다 에너지가 약간 낮아, 4s가 먼저 채워진다는 점이다.

    1s부터 4p까지의 서브껍질 에너지 준위 도표로, 4s가 3d 바로 아래에 그려짐
    에너지 증가 순서의 서브껍질. 4s가 3d 바로 아래에 있으므로 4s가 먼저 채워진다

    전자배치

    전자배치는 각 서브껍질에 전자가 몇 개 있는지 나열한 것이다. 가장 낮은 에너지 배치는 기저 상태이다.

    철(Fe, $Z = 26$)의 경우:

    $$1\text{s}^2\,2\text{s}^2\,2\text{p}^6\,3\text{s}^2\,3\text{p}^6\,3\text{d}^6\,4\text{s}^2$$

    가까운 무활성 기체를 대괄호 안에 사용하여 약식 표기를 할 수 있다:

    $$[\text{Ar}]\,3\text{d}^6\,4\text{s}^2$$

    여기서 $[\text{Ar}]$는 아르곤의 완전한 전자배치를 나타낸다.

    이온의 경우 전자를 추가하거나 제거한다. 중요한 규칙 하나: 전이금속이 양이온을 형성할 때, 4s 전자를 3d 전자 앞에 잃는다. 따라서 $\text{Fe}^{3+}$은 $[\text{Ar}]\,3\text{d}^5$이다.

    상자 속 전자

    상자 속 전자 표기는 각 오비탈을 상자로, 각 전자를 화살표로 그린다. 같은 오비탈의 두 전자는 서로 반대 방향을 향해야 하는데, 이는 각 전자가 스핀이라는 성질을 가지며, 하나의 오비탈은 서로 다른 스핀을 가져야 하기 때문이다.

    서브껍질 내에서 전자는 어떤 오비탈에도 두 번째 전자가 들어가기 전에 비어 있는 오비탈을 하나씩 채우며, 이때 평행 화살표를 사용한다. 이렇게 퍼져 있음으로써 전자들이 서로 멀리 떨어져 있고, 전자 간의 반발력을 낮춘다.

    질소의 상자 도표: 채워진 1s와 2s 상자에 짝을 이루는 반대 방향 화살표, 그리고 각각 한 개의 위쪽 화살표가 들어간 세 개의 2p 상자
    질소에 대한 상자 속 전자($1\text{s}^2\,2\text{s}^2\,2\text{p}^3$): 짝을 이루는 전자는 반대 방향을 향하고, 2p 오비탈은 단일 전자를 채우며 평행 스핀을 가진다

    전자배치가 이러한 형태를 띠는 이유

    전자는 가장 안정된(최저 에너지) 원자가 되려면 낮은 에너지에서 높은 에너지로 채워진다. 서브껍질 내에서는 음전하를 가진 전자 간의 반발력을 줄이기 위해 먼저 단일 전자로 퍼져 배치된다.

    s 및 p 오비탈의 모양

    • s 오비탈은 핵을 중심으로 하는 구체이다.
    • p 오비탈은 한 축을 따라 향하는 아령 모양으로 두 개의 엽(lobe)을 가진다. 세 개의 p 오비탈은 서로 직각인 세 방향($x$, $y$ 및 $z$ 축)을 따라 향한다.
    왼쪽은 핵이 중심에 있는 구형 s 오비탈; 오른쪽은 x, y, z축을 따라 향하는 아령 모양의 세 개의 p 오비탈
    s 오비탈은 구체이며, 각 p 오비탈은 아령 모양이고, 세 개의 p 오비탈은 $x$, $y$ 및 $z$ 축을 따라 향한다

    자유 라디칼

    자유 라디칼은 하나 이상의 **짝을 이루지 않은 전자(unpaired electrons)**를 가진 종이다. 자유 라디칼은 매우 반응성이 크다.

    Explore · ⁨탐색하기⁩

    Filling the electron shells · ⁨전자 껍질 채우기⁩

    Change the atomic number Z and watch the electrons fill the shells (2, 8, 8, …) — the pattern that builds the Periodic Table. · ⁨원자 번호 Z를 변경하면 전자들이 껍질을 채우는 과정(2, 8, 8, …)을 볼 수 있습니다—이는 주기율표를 구성하는 패턴입니다.⁩

    Vocabulary · ⁨어휘⁩ Train · ⁨연습하기⁩
    English 한국어
    orbital/ˈɔːbɪtl/ 오비탈
    electronic configuration/ɪlekˈtrɒnɪk kənˌfɪɡjəˈreɪʃn/ 전자 배치
    ground state/ɡraʊnd steɪt/ 기저 상태
    noble gas/ˈnəʊbl ɡæs/ 비활성 기체
    spin/spɪn/ 스핀
    sphere/sfɪə/ 구(球)
    free radical/friː ˈrædɪkl/ 자유 라디칼
    unpaired electrons/ʌnˈpeəd ɪˈlektrɒnz/ 비 짝 전자
    first ionisation energy/fɜːst ˌaɪənaɪˈzeɪʃn ˈenədʒi/ 첫 전離能
    successive ionisation energies/səkˈsesɪv ˌaɪənaɪˈzeɪʃn ˈenədʒiz/ 연속 전離能
    spin-pair repulsion/spɪn peə rɪˈpʌlʃn/ 스핀 쌍 반발력
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    1.4

    Ionisation energy · ⁨이화 에너지⁩

    Syllabus
    English
    1. define and use the term first ionisation energy, IE
    2. construct equations to represent first, second and subsequent ionisation energies
    3. identify and explain the trends in ionisation energies across a period and down a group of the Periodic Table
    4. identify and explain the variation in successive ionisation energies of an element
    5. understand that ionisation energies are due to the attraction between the nucleus and the outer electron
    6. explain the factors influencing the ionisation energies of elements in terms of nuclear charge, atomic/ionic radius, shielding by inner shells and sub-shells and spin-pair repulsion
    7. deduce the electronic configurations of elements using successive ionisation energy data
    8. deduce the position of an element in the Periodic Table using successive ionisation energy data
    한국어
    1. 용어 첫 번째 이온화 에너지, IE를 정의하고 활용
    2. 첫 번째, 두 번째 및 이후 이온화 에너지를 나타내는 화학 방정식을 작성
    3. 주기율표에서 주기와 족에 따른 이온화 에너지의 경향을 식별하고 설명
    4. 특정 원소의 연속적인 이온화 에너지 변화가 나타나는 이유를 식별하고 설명
    5. 이온화 에너지는 핵과 바깥쪽 전자 사이의 인력에 기인함을 이해
    6. 핵 전하, 원자/이온 반지름, 내부 껍질 및 하위 껍질의 차폐 효과 및 스핀 쌍 반발에 영향을 미치는 요인을 고려하여 원소들의 이온화 에너지를 설명
    7. 연속적인 이온화 에너지 데이터를 사용하여 원소의 전자 배치를 유추
    8. 연속적인 이온화 에너지 데이터를 사용하여 원소가 주기율표에 위치하는 곳을 유추

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

    English

    First ionisation energy

    The first ionisation energy 第一电离能 (IE) is the energy needed to remove one electron from each atom in one mole of gaseous atoms, forming one mole of gaseous $+1$ ions.

    We use gaseous atoms so there are no forces between the particles. The unit is $\text{kJ mol}^{-1}$. As an equation, for an element X:

    $$\text{X}(\text{g}) \rightarrow \text{X}^{+}(\text{g}) + \text{e}^{-}$$

    The $(\text{g})$ shows the species is a gas.

    Successive ionisation energies

    After removing one electron, you can remove another. The second ionisation energy removes one electron from each $+1$ ion:

    $$\text{X}^{+}(\text{g}) \rightarrow \text{X}^{2+}(\text{g}) + \text{e}^{-}$$

    You can keep going. These are the successive ionisation energies 逐级电离能. Each is larger than the one before, because every electron is pulled away from a more positive ion.

    What ionisation energy depends on

    Ionisation energy comes from the attraction between the positive nucleus and the outer electron. Three main factors set how strong that attraction is:

    • nuclear charge: more protons pull the electrons more strongly, so the ionisation energy is higher.
    • atomic radius: the further the outer electron sits from the nucleus, the weaker the pull, so the ionisation energy is lower.
    • shielding: inner shells block some of the pull on the outer electron. More inner shells mean more shielding and a lower ionisation energy.

    There is a smaller effect too — spin-pair repulsion 自旋成对排斥. When two electrons share one orbital, they push each other a little, so one is easier to remove.

    Trends in first ionisation energy

    Across a period, the first ionisation energy generally rises. The nuclear charge grows while shielding stays about the same, so the outer electrons are held more tightly.

    Down a group, the first ionisation energy falls. Lower elements have more shells, so more shielding and a larger radius, and the outer electron is easier to remove.

    The dips are evidence for sub-shells

    The rise across a period is not smooth. Two small dips appear, and you should be able to explain both:

    • Group 2 to Group 13 (for example Mg to Al): the electron removed from Al comes from a 3p sub-shell, which is higher in energy than the full 3s sub-shell in Mg. A 3p electron is easier to remove, so the value dips.
    • Group 15 to Group 16 (for example P to S): in S, one 3p orbital now holds a pair of electrons. Spin-pair repulsion makes one of them easier to remove, so the value dips.

    These dips are evidence that sub-shells exist.

    Successive ionisation energies are evidence for shells

    If you plot the successive ionisation energies of one element, the values rise, with big jumps at certain points. A big jump happens when the next electron must come from a shell closer to the nucleus.

    Count how many electrons come off easily before the first big jump — that is the number of electrons in the outer shell, which tells you the group the element is in. You can also use the pattern to work out the electronic configuration and the position of the element in the Periodic Table.

    Electrons removed before the first big jump Group
    1 Group 1
    2 Group 2
    3 Group 13

    Worked example. The first five successive ionisation energies of an element are $590$, $1150$, $4940$, $6480$ and $8120\ \text{kJ}\,\text{mol}^{-1}$. Which group is it in? Look for the big jump, not the biggest number. From the 1st to the 2nd the value roughly doubles, which is a normal rise. From the 2nd ($1150$) to the 3rd ($4940$) it more than quadruples: that is the jump. So two electrons come off easily before it, the outer shell holds 2 electrons, and the element is in Group 2. Count the electrons removed before the jump, and explain the jump properly: the next electron is being pulled from a shell closer to the nucleus, not from a different element.

    한국어

    첫 전이 에너지

    제1이온화 에너지(IE)는 기체 원자 1몰의 각 원자에서 전자 하나를 제거하여 기체 $+1$ 이온 1몰을 생성하는 데 필요한 에너지입니다.

    기체 원자를 사용하므로 입자 간에는 힘 작용이 없습니다. 단위는 $\text{kJ mol}^{-1}$입니다. 수식으로 표현하면, 원소 X에 대해 다음과 같습니다:

    $$\text{X}(\text{g}) \rightarrow \text{X}^{+}(\text{g}) + \text{e}^{-}$$

    $(\text{g})$은 해당 종이 기체 상태임을 나타냅니다.

    연속 이온화 에너지

    전자 하나를 제거한 후, 다시 다른 전자 하나를 제거할 수 있습니다. 두 번째 이온화 에너지는 각 $+1$ 이온에서 전자 하나를 제거합니다:

    $$\text{X}^{+}(\text{g}) \rightarrow \text{X}^{2+}(\text{g}) + \text{e}^{-}$$

    계속 진행할 수 있습니다. 이것이 바로 연속 이온화 에너지입니다. 모든 전자가 더 양전하가 많은 이온으로부터 끌어당겨지므로, 값은 매번 이전보다 커집니다.

    이온화 에너지를 결정하는 요인

    이온화 에너지는 양의 핵과 바깥쪽 전자 사이의 인력에서 비롯됩니다. 그 인력의 세기를 결정하는 주요 요인은 다음 세 가지입니다:

    • 원자핵의 전하: 양성자가 많을수록 전자를 더 강하게 끌어당기므로 이온화 에너지가 높습니다.
    • 원자 반경: 바깥쪽 전자가 핵에서 멀어질수록 인력이 약해지므로 이온화 에너지는 낮아집니다.
    • 차폐 효과: 안쪽 껍질이 바깥쪽 전자로 가는 인력을 일부 차단합니다. 안쪽 껍질의 수가 많아질수록 차폐 효과가 커지고, 이는 이온화 에너지를 낮춥니다.

    더 작은 영향도 존재하는데, 그것이 바로 스핀 짝 반발입니다. 두 전자가 하나의 오비탈을 공유할 때 서로 약간 밀어내므로,其中一个 전자는 쉽게 제거됩니다.

    첫 번째 이온화 에너지의 경향

    주기가横跨(横: across)할 때, 첫 번째 이온화 에너지는 일반적으로 상승합니다. 원자핵의 전하가 증가하지만 차폐 효과는 거의 변하지 않으므로 바깥쪽 전자가 더 단단히 묶여 있습니다.

    족이 아래로 내려갈 때, 첫 번째 이온화 에너지는 하락합니다. 아래쪽 원소는 껍질의 수가 많아 차폐 효과가 커지고 원자 반경이 커지며, 바깥쪽 전자가 더 쉽게 제거됩니다.

    물결 모양의 감소는 아오비탈 존재의 증거입니다

    주기에 따른 상승은 매끄럽게 이루어지지 않습니다. 두 개의 작은 감소가 나타나며, 이를 모두 설명할 수 있어야 합니다:

    • 2족에서 13족으로 (예: Mg에서 Al): Al에서 제거되는 전자는 3p 아오비탈에서 come(나옴), 이는 Mg의 채워진 3s 아오비탈보다 에너지가 높습니다. 3p 전자는 제거하기 쉬우므로 값이 떨어집니다.
    • 15족에서 16족으로 (예: P에서 S): S에서는 한 개의 3p 오비탈에 이제 전자 쌍이 들어갑니다. 스핀 짝 반발로 인해其中一个 전자는 제거하기 쉬워지므로 값이 떨어집니다.

    이러한 감소는 아오비탈이 존재한다는 증거입니다.

    제3주기 전체적으로 상승하지만 알루미늄과 황에서 감소를 보이는 첫 번째 이온화 에너지 그래프
    첫 번째 이온화 에너지는 제3주기에 걸쳐 상승하지만 Al과 S에서 감소함 — 아오비탈 존재의 증거

    연속 이온화 에너지는 껍질 존재의 증거입니다

    한 원소의 연속 이온화 에너리를 그래프로 그려보면, 값은 상승하며 특정 지점에서 큰 점프가 발생합니다. 큰 점프는 다음 전자가 핵에 더 가까운 껍질에서要来(나옴)해야 할 때 발생합니다.

    첫 번째 큰 점프 전에 쉽게 제거되는 전자의 개수를 세면, 그것은 바깥 껍질의 전자 수이며, 이는 해당 원소가 속한 족을 알려줍니다. 또한 이 패턴을 통해 전자 배치를 구하고 주기율표에서의 위치를 파악할 수도 있습니다.

    나트륨의 열 번 연속 이온화 에너지를 나타내는 로그 스케일 그래프로, 두 개의 큰 점프가 1, 8, 2로 그룹을 나눈다
    나트륨의 연속 이온화 에너지(로그 스케일): 큰 점프가 $2,8,1$ 껍질 구조를 드러낸다
    첫 번째 큰 점프 전에 제거된 전자 수 족
    1 1족
    2 2족
    3 13족

    풀이 예시. 한 원소의 첫 다섯 번 연속 이온화 에너지가 $590$, $1150$, $4940$, $6480$, $8120\ \text{kJ}\,\text{mol}^{-1}$일 때, 이 원소는 어떤族에 속합니까? 가장 큰 숫자가 아니라 큰 점프를 찾으십시오. 1번째에서 2번째로 넘어갈 때 값이 대략 두 배가 되는데, 이는 정상적인 상승입니다. 그러나 2번째($1150$)에서 3번째($4940$)로 넘어갈 때는 네 배 이상 증가합니다: 이것이 점프입니다. 따라서 점프 전에 두 전자가 쉽게 제거되고, 바깥 질에는 2개의 전자가 있으며, 해당 원소는 2족에 속합니다. 점프 before에 제거된 전자를 세고, 점프를 적절히 설명하십시오: 다음 전자는 다른 원소에서가 아니라 핵에 더 가까운 껍질에서 끌어당겨지는 것입니다.

    Explore · ⁨탐색하기⁩

    The ionisation-energy trend — and its dips · ⁨이온화 에너지의 경향과 그 감소점⁩

    First ionisation energy generally rises across a period, but DIPS where a new p sub-shell starts and where a p-orbital pair first forms. Step across to find the two tell-tale dips. · ⁨첫 번째 이온화 에너지는 일반적으로 주기에 걸쳐 증가하지만, 새로운 p 아날트가 시작되고 p 오비탈 쌍이 처음 형성되는 지점에서 감소를 보입니다. 두 가지 특징적인 감소점을 찾아보려면 주기를 넘어가십시오.⁩

    1.4

    Exam tips · ⁨시험 팁⁩

    English
    • Define isotopes in full: atoms of the same element with the same number of protons but a different number of neutrons — the mark scheme wants both halves.
    • 4s fills before 3d, but electrons are removed from 4s first when forming ions, so $\text{Fe}^{3+}$ is $[\text{Ar}]3\text{d}^5$ (not $[\text{Ar}]3\text{d}^3 4\text{s}^2$).
    • In successive ionisation energies, a big jump marks the start of a new (inner) shell — use the jumps to place the element in its group.
    • Explain every ionisation-energy trend with the same three factors: nuclear charge, distance and shielding, plus sub-shell effects for the small dips.
    • Learn the exact reason first ionisation energy of oxygen is below nitrogen: oxygen's paired 2p electrons repel, so one is easier to remove.
    한국어
    • 동위원소를 정확히 정의하시오: 같은 원소이지만 양성자 수는 같으나 중성자 수가 다른 원자 — 평가 기준은 두 부분 모두 포함합니다.
    • 4은 3보다 먼저 채워지지만, 이온 형성 시 전자는 4s에서 먼저 제거되므로 $\text{Fe}^{3+}$은 $[\text{Ar}]3\text{d}^5$($[\text{Ar}]3\text{d}^3 4\text{s}^2$가 아님)입니다.
    • 연속 이온화 에너지에서 큰 점프는 새로운(안쪽) 껍질의 시작을 표시하므로, 점프를 활용하여 원소를 족에 배치하십시오.
    • 모든 이온화 에너지 경향을 동일한 세 가지 요인인 원자핵의 전하, 거리, 차폐 효과로 설명하되, 작은 감소에 대해서는 아오비탈 효과를 추가하십시오.
    • 산소의 첫 번째 이온화 에너지가 질소보다 낮은 정확한 이유를 먼저 암기하십시오: 산소의 짝지어진 2p 전자들이 반발하므로其中一个 전자는 제거하기 쉽습니다.
  • 2

    Atoms, molecules and stoichiometry

    Watch lesson · ⁨수업 보기⁩
    2.1

    Relative masses of atoms and molecules

    Syllabus
    1. define the unified atomic mass unit as one twelfth of the mass of a carbon-12 atom
    2. define relative atomic mass, $A_r$, relative isotopic mass, relative molecular mass, $M_r$, and relative formula mass in terms of the unified atomic mass unit

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

    Atoms 原子 are far too light to weigh in grams, so we compare every mass to one standard. The standard is the unified atomic mass unit 统一原子质量单位 (symbol u), defined as exactly one twelfth of the mass of one carbon-12 atom.

    Using this unit, we state masses as simple numbers:

    • the relative atomic mass 相对原子质量 $A_r$ of an element is the average mass of its atoms compared with $\tfrac{1}{12}$ of a carbon-12 atom. It is an average over all the isotopes 同位素, weighted by how common each one is.
    • the relative isotopic mass 相对同位素质量 is the mass of one atom of a single isotope, compared with $\tfrac{1}{12}$ of a carbon-12 atom.
    • the relative molecular mass 相对分子质量 $M_r$ of a molecule 分子 is the sum of the relative atomic masses of all its atoms.
    • the relative formula mass 相对式量 is the same idea for a substance that is not made of molecules (such as an ionic compound). Add up the relative atomic masses shown in the formula.
    A bar showing chlorine is 75% chlorine-35 and 25% chlorine-37, with the weighted-average calculation giving a relative atomic mass of 35.5
    Relative atomic mass is a weighted average: chlorine's two isotopes (75% ³⁵Cl, 25% ³⁷Cl) average to Aᵣ = 35.5

    To find $A_r$ from isotope data, multiply each isotope mass by its percentage, add these up, and divide by 100.

    Worked example. Chlorine is $75\%$ ${}^{35}\text{Cl}$ and $25\%$ ${}^{37}\text{Cl}$. Find its relative atomic mass.

    $$A_r = \frac{(75 \times 35) + (25 \times 37)}{100} = \frac{2625 + 925}{100} = 35.5.$$

    Worked example. A mass spectrometer shows copper is $69.2\%$ ${}^{63}\text{Cu}$ and $30.8\%$ ${}^{65}\text{Cu}$. Find its relative atomic mass.

    $$A_r = \frac{(69.2 \times 63) + (30.8 \times 65)}{100} = \frac{4359.6 + 2002.0}{100} = 63.6.$$
    Explore · ⁨탐색하기⁩

    Relative mass lab · ⁨상대 질량 실험실⁩

    relative atomic mass = weighted mean · ⁨상대 원자 질량 = 가중 평균⁩

    Change isotope abundance and see the weighted mean move. · ⁨동위원소 존재 비율을 변경하고 가중 평균이 어떻게 움직이는지 확인하십시오.⁩

    Vocabulary · ⁨어휘⁩ Train · ⁨연습하기⁩
    English 한국어
    atom/ˈætəm/ 원자
    unified atomic mass unit/ˈjuːnɪfaɪd əˈtɒmɪk mæs ˈjuːnɪt/ 통일 원자 질량 단위
    relative atomic mass/ˈrelətɪv əˈtɒmɪk mæs/ 상대 원자 질량
    isotope/ˈaɪsətəʊp/ 동위 원소(isotope)
    relative isotopic mass/ˈrelətɪv ˌaɪsəˈtɒpɪk mæs/ 상대 동위원소 질량
    relative molecular mass/ˈrelətɪv məˈlekjʊlə mæs/ 상대 분자 질량
    molecule/ˈmɒlɪkjuːl/ 분자
    relative formula mass/ˈrelətɪv ˈfɔːmjʊlə mæs/ 상대 식 질량
    2.2

    The mole and the Avogadro constant

    Syllabus
    English
    1. define and use the term mole in terms of the Avogadro constant
    한국어
    1. 몰이라는 용어를 아보가드로 상수를 기준으로 정의하고 사용하시오.

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

    A modern electronic laboratory balance
    A modern electronic balance measures mass — the basis of mole calculations.

    Chemists count particles in groups called moles, just as we count eggs in dozens.

    One mole 摩尔 (symbol mol) is the amount of substance that contains the same number of particles as there are atoms in exactly 12 g of carbon-12. That number is the Avogadro constant 阿伏伽德罗常量:

    $$N_A = 6.02 \times 10^{23}\ \text{mol}^{-1}$$

    So one mole of anything contains $6.02 \times 10^{23}$ particles. The particles may be atoms, molecules or ions 离子 — always say which.

    The mass of one mole in grams equals the relative mass ($A_r$ or $M_r$). This is the molar mass 摩尔质量, with units $\text{g mol}^{-1}$. The key equation is:

    $$n = \frac{m}{M}$$

    where $n$ is the amount in moles, $m$ is the mass in grams, and $M$ is the molar mass.

    Worked example. How many moles are in $8.0\ \text{g}$ of methane, $\text{CH}_4$? ($A_r$: C $= 12$, H $= 1$.)

    The molar mass is $M = 12 + 4(1) = 16\ \text{g mol}^{-1}$, so

    $$n = \frac{m}{M} = \frac{8.0}{16} = 0.50\ \text{mol}.$$
    A central moles box linked by double arrows to mass, number of particles, gas volume and solution concentration, each arrow labelled with its conversion
    The mole is the hub of every amount calculation: convert to mass ($n=m/M$), particles ($\times N_A$), gas volume ($n=V/24$) or solution ($n=cV$)
    Explore · ⁨탐색하기⁩

    Mole mass lab · ⁨몰 질량 실험실⁩

    n = m / M

    Change mass and see moles scale through molar mass. · ⁨질량을 변경하고 몰 질량을 통해 몰 수의 비례 관계를 확인합니다.⁩

    Vocabulary · ⁨어휘⁩ Train · ⁨연습하기⁩
    English 한국어
    mole/məʊl/ 몰
    Avogadro constant/ˌævəˈɡædrəʊ ˈkɒnstənt/ 아보가드로 상수
    ion/ˈaɪɒn/ 이온
    molar mass/ˈməʊlə mæs/ 몰 질량
    2.3

    Formulas

    Syllabus
    English
    1. write formulas of ionic compounds from ionic charges and oxidation numbers (shown by a Roman numeral), including: (a) the prediction of ionic charge from the position of an element in the Periodic Table (b) recall of the names and formulas for the following ions: $\text{NO}_3^-$, $\text{CO}_3^{2-}$, $\text{SO}_4^{2-}$, $\text{OH}^-$, $\text{NH}_4^+$, $\text{Zn}^{2+}$, $\text{Ag}^+$, $\text{HCO}_3^-$, $\text{PO}_4^{3-}$
    2. (a) write and construct equations (which should be balanced), including ionic equations (which should not include spectator ions) (b) use appropriate state symbols in equations
    3. define and use the terms empirical and molecular formula
    4. understand and use the terms anhydrous, hydrated and water of crystallisation
    5. calculate empirical and molecular formulas, using given data
    한국어
    1. 이온 전하와 산화수(로마 숫자로 표시됨)로부터 이온성 화합물의 화학식을 쓰되, 다음을 포함할 것: (a) 주기율표에서의 원소 위치로부터 이온 전하 예측 (b) 다음 이온들의 이름과 화학식에 대한 암기: $\text{NO}_3^-$, $\text{CO}_3^{2-}$, $\text{SO}_4^{2-}$, $\text{OH}^-$, $\text{NH}_4^+$, $\text{Zn}^{2+}$, $\text{Ag}^+$, $\text{HCO}_3^-$, $\text{PO}_4^{3-}$
    2. (a) 평형 equation(이온 equation은 관관 이온을 포함하지 않아야 함)를 쓰고 구성하시오 (b) equation에 적절한 상태 기호를 사용하시오.
    3. ** empirical formula(간소화 화학식)** 및 **molecular formula(분자식)**라는 용어를 정의하고 사용하시오.
    4. 무수물(anhydrous), 수화물(hydrated) 및 **결정수(water of crystallisation)**라는 용어의 의미를 이해하고 사용하시오.
    5. 주어진 데이터를 사용하여 간소화 화학식과 분자식을 계산하시오.

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

    A compound 化合物 is a substance made of two or more elements chemically joined.

    Charges and formulas of ionic compounds

    In an ionic compound 离子化合物 the total positive charge balances the total negative charge, so the compound is neutral overall.

    You can predict the charge of many ions from the element's position in the Periodic Table:

    Group 1 2 13 15 16 17
    Usual ion charge $+1$ $+2$ $+3$ $-3$ $-2$ $-1$

    Hydrogen forms $\text{H}^+$, and the Group 18 noble gases do not normally form ions.

    Some ions you must know by name and formula:

    Name Formula
    nitrate $\text{NO}_3^{-}$
    carbonate $\text{CO}_3^{2-}$
    sulfate $\text{SO}_4^{2-}$
    hydroxide $\text{OH}^{-}$
    ammonium $\text{NH}_4^{+}$
    zinc $\text{Zn}^{2+}$
    silver $\text{Ag}^{+}$
    hydrogencarbonate $\text{HCO}_3^{-}$
    phosphate $\text{PO}_4^{3-}$

    For a metal that can have more than one charge, a Roman numeral shows the oxidation number 氧化数. For example, iron(II) is $\text{Fe}^{2+}$ and iron(III) is $\text{Fe}^{3+}$. To write a formula, balance the charges: iron(III) oxide is $\text{Fe}_2\text{O}_3$, because two $\text{Fe}^{3+}$ balance three $\text{O}^{2-}$.

    Equations and state symbols

    A chemical equation must be balanced 配平 — the same number of each kind of atom on both sides. Add state symbols 状态符号 to show the state of each species: (s) solid, (l) liquid, (g) gas, and (aq) aqueous 水溶液 (dissolved in water).

    An ionic equation 离子方程式 shows only the ions and molecules that actually change. The ions that do not change are spectator ions 旁观离子, and you leave them out. For example, the reaction that forms silver chloride is:

    $$\text{Ag}^{+}(\text{aq}) + \text{Cl}^{-}(\text{aq}) \rightarrow \text{AgCl}(\text{s})$$

    Empirical and molecular formulas

    The empirical formula 实验式 is the simplest whole-number ratio of the atoms of each element in a compound. The molecular formula 分子式 shows the actual number of atoms of each element in one molecule.

    For example, ethane has empirical formula $\text{CH}_3$ but molecular formula $\text{C}_2\text{H}_6$.

    Hydrated and anhydrous solids

    Some solids hold water inside their crystals. This water is the water of crystallisation 结晶水. A solid that contains it is hydrated 水合的; the same solid with the water removed is anhydrous 无水的.

    For example, hydrated copper(II) sulfate is $\text{CuSO}_4 \cdot 5\text{H}_2\text{O}$. Heating it drives off the water to leave anhydrous $\text{CuSO}_4$.

    Calculating empirical and molecular formulas

    To find the empirical formula from masses (or percentages by mass):

    1. divide each element's mass by its $A_r$ to get the moles.
    2. divide all the mole values by the smallest one.
    3. round to the nearest whole numbers — that ratio is the empirical formula.

    To get the molecular formula, you also need $M_r$. Find how many times the empirical formula mass fits into $M_r$, then multiply the formula by that number.

    Worked example. A compound is $40.0\%$ carbon, $6.7\%$ hydrogen and $53.3\%$ oxygen by mass. Find its empirical formula. ($A_r$: C $= 12$, H $= 1$, O $= 16$.)

    Take $100\ \text{g}$ and divide each mass by its $A_r$ to get moles: C $= 40.0/12 = 3.33$, H $= 6.7/1 = 6.7$, O $= 53.3/16 = 3.33$. Dividing through by the smallest ($3.33$) gives a ratio C : H : O $= 1 : 2 : 1$, so the empirical formula is $\text{CH}_2\text{O}$.

    The worked example laid out as a table: percentage by mass divided by Ar gives moles, dividing by the smallest gives the ratio 1 to 2 to 1, so the empirical formula is CH2O
    The empirical-formula recipe: divide by Ar, divide by the smallest, read off the ratio
    Explore · ⁨탐색하기⁩

    Equation balancing route · ⁨방정식 평형 맞추기 방법⁩

    Follow atoms through a chemical equation so both sides match. · ⁨화학 방정식을 통해 원자를 추적하여 양변이 일치하도록 합니다.⁩

    Vocabulary · ⁨어휘⁩ Train · ⁨연습하기⁩
    English 한국어
    compound/ˈkɒmpaʊnd/ 화합물
    ionic compound/aɪˈɒnɪk ˈkɒmpaʊnd/ 이온 화합물
    oxidation number/ˌɒksɪˈdeɪʃn ˈnʌmbə/ 산화수
    balanced/ˈbælənst/ 균형 잡힌
    state symbols/steɪt ˈsɪmblz/ 상태 기호
    aqueous/ˈeɪkwɪəs/ 수용액 상태의
    ionic equation/aɪˈɒnɪk ɪˈkweɪʒn/ 이온 반응식
    spectator ions/spekˈteɪtə ˈaɪɒnz/ 시작 이온(spectator ions)
    empirical formula/emˈpɪrɪkl ˈfɔːmjʊlə/ 간소화 식
    molecular formula/məˈlekjʊlə ˈfɔːmjʊlə/ 분자 식
    water of crystallisation/ˈwɔːtə ɒv ˌkrɪstəlaɪˈzeɪʃn/ 결정수
    hydrated/haɪˈdreɪtɪd/ 수화염
    anhydrous/ænˈhaɪdrəs/ 무수염
    2.4

    Reacting masses and volumes

    Syllabus
    English
    1. perform calculations including use of the mole concept, involving: (a) reacting masses (from formulas and equations) including percentage yield calculations (b) volumes of gases (e.g. in the burning of hydrocarbons) (c) volumes and concentrations of solutions (d) limiting reagent and excess reagent (When performing calculations, candidates’ answers should reflect the number of significant figures given or asked for in the question. When rounding up or down, candidates should ensure that significant figures are neither lost unnecessarily nor used beyond what is justified (see also Mathematical requirements section).) (e) deduce stoichiometric relationships from calculations such as those in 2.4.1(a)–(d)
    한국어
    1. 몰 개념을 포함한 계산을 수행할 것: (a) 반응하는 질량(화학식 및 equation으로부터), 수율 계산 포함 (b) 기체의 부피(예: 탄화수소의 연소) (c) 용액의 부피와 농도 (d) 한계 시약(limiting reagent) 및 여유 시액(excess reagent) (계산 시, 답안은 문제에서 제시하거나 요구된 유효숫자의 개수를 반영해야 함. 반올림 시, 유효숫자가 불필요하게 손실되거나 정당화되지 않은 범위까지 사용되지 않도록 유의할 것(또한 수학적 요구 사항 섹션 참고).) (e) 2.4.1(a)–(d)의 계산과 같은 것들로부터 storesichiometric(양론적) 관계를 추론하시오.

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

    A titration being carried out
    A titration finds reacting volumes precisely.

    Reacting masses and percentage yield

    The numbers in front of each species in a balanced equation give the mole ratio — this is the stoichiometry 化学计量. To find a reacting mass: change the known mass to moles, use the mole ratio to find the moles you want, then change back to mass.

    Worked example. What mass of magnesium oxide forms when $4.8\ \text{g}$ of magnesium burns completely? $2\text{Mg} + \text{O}_2 \rightarrow 2\text{MgO}$. ($A_r$: Mg $= 24$, O $= 16$.)

    Moles of Mg $= 4.8/24 = 0.20\ \text{mol}$. The ratio Mg : MgO is $1 : 1$, so $0.20\ \text{mol}$ of MgO forms. Its molar mass is $24 + 16 = 40\ \text{g mol}^{-1}$, so

    $$m = nM = 0.20 \times 40 = 8.0\ \text{g}.$$
    The mole bridge for the magnesium example: 4.8 grams of magnesium divided by Ar gives 0.20 moles, the 1 to 1 ratio gives 0.20 moles of magnesium oxide, times Mr gives 8.0 grams
    The mole bridge: mass to moles, ratio, then back to mass

    In real reactions you usually get less product than the maximum. The percentage yield 产率 compares the amount you actually made with the most you could make:

    $$\text{percentage yield} = \frac{\text{actual amount of product}}{\text{maximum possible amount}} \times 100\%$$

    Limiting and excess reagent

    When two reactants are mixed, one usually runs out first. The limiting reagent 限量试剂 is the one that runs out — it decides how much product forms. The other is the excess reagent 过量试剂, because there is more than enough of it. Always base the calculation on the limiting reagent.

    To find it: work out the moles of each reactant, divide each by its number in the equation, and the smallest result is the limiting reagent.

    Burning 4 hydrogen molecules with 1 oxygen molecule makes 2 water molecules and leaves 2 hydrogen molecules unreacted
    The limiting reagent runs out first and decides how much product forms; the leftover reactant is in excess

    Volumes of gases

    At the same temperature and pressure, equal volumes of any gases contain equal numbers of molecules. At room temperature and pressure (r.t.p.), one mole of any gas takes up $24.0\ \text{dm}^3$, so:

    $$n = \frac{V}{24.0}\qquad (V \text{ in } \text{dm}^3 \text{ at r.t.p.})$$
    Two equal-sized boxes, one of hydrogen and one of carbon dioxide, each holding six molecules
    Equal volumes of gases at the same temperature and pressure hold equal numbers of molecules, whatever the gas

    This is used when burning hydrocarbons 碳氢化合物 (compounds of only carbon and hydrogen), where you compare gas volumes.

    Volumes and concentrations of solutions

    The concentration 浓度 of a solution is the amount of solute 溶质 in each cubic decimetre of solution 溶液, measured in $\text{mol dm}^{-3}$:

    $$n = c \times V$$

    where $c$ is the concentration and $V$ is the volume in $\text{dm}^3$. Remember that $1000\ \text{cm}^3 = 1\ \text{dm}^3$.

    Worked example. In a titration, $25.0\ \text{cm}^3$ of sodium hydroxide solution is exactly neutralised by $20.0\ \text{cm}^3$ of $0.100\ \text{mol dm}^{-3}$ hydrochloric acid: $\text{NaOH} + \text{HCl} \rightarrow \text{NaCl} + \text{H}_2\text{O}$. Find the concentration of the sodium hydroxide.

    Moles of HCl $= cV = 0.100 \times \dfrac{20.0}{1000} = 2.00 \times 10^{-3}\ \text{mol}$. The ratio is $1 : 1$, so there are $2.00 \times 10^{-3}\ \text{mol}$ of NaOH in $25.0\ \text{cm}^3$:

    $$c = \frac{n}{V} = \frac{2.00 \times 10^{-3}}{25.0/1000} = 0.0800\ \text{mol dm}^{-3}.$$

    This is the basis of a titration 滴定, where you find an unknown concentration by reacting it with a solution whose concentration you already know.

    A burette clamped on a stand above a conical flask on a white tile
    In a titration a burette adds a solution of known concentration to the unknown in the conical flask, until the indicator changes

    Significant figures

    Give your answer to a sensible number of significant figures 有效数字 — usually match the data in the question. Do not write more digits than the data supports, and do not round so early that you lose accuracy.

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    Reacting mass route · ⁨반응 질량 경로⁩

    Follow a balanced equation from known mass to predicted product mass. · ⁨ Known mass에서 predicted product mass까지 평형 방정식을 따르십시오.⁩

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    Gas volume lab · ⁨기체 부피 실험실⁩

    n = V / 24 dm3

    Change gas volume and see moles scale at room conditions. · ⁨상온 조건에서 기체 부피를 변경하여 몰의 비례 관계를 확인합니다.⁩

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    English 한국어
    stoichiometry/ˌstəʊɪkɪˈɒmətri/ 화학양론법
    percentage yield/pəˈsentɪdʒ jiːld/ 수율
    limiting reagent/ˈlɪmɪtɪŋ rɪˈeɪdʒənt/ 제한 시약
    excess reagent/ekˈses rɪˈeɪdʒənt/ 여분 시약
    hydrocarbons/ˈhaɪdrəkɑːbənz/ 탄화수소
    concentration/ˌkɒnsənˈtreɪʃn/ 농도
    solute/ˈsɒljuːt/ 용질
    solution/səˈluːʃn/ 용액
    titration/taɪˈtreɪʃn/ 적정 분석
    significant figures/sɪɡˈnɪfɪkənt ˈfɪɡəz/ 유효숫자
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    2.4

    Exam tips

    • Convert volumes to $\text{dm}^3$ before using concentration ($25.0\ \text{cm}^3 = 0.0250\ \text{dm}^3$); the missing $\div 1000$ is the most common titration error.
    • Use the balancing numbers as the mole ratio between species — never the $M_r$ values.
    • Empirical formula: divide each mass/percentage by $A_r$, then by the smallest, then scale to whole numbers; use $M_r$ to reach the molecular formula.
    • For gases at r.t.p. use $\text{volume} = \text{moles} \times 24\ \text{dm}^3$; quote the equation you use every time.
    • Give the answer to the same significant figures as the data (usually 3) and always include units.
  • 3

    Chemical bonding

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    3.1

    Electronegativity

    Syllabus
    English
    1. define electronegativity as the power of an atom to attract electrons to itself
    2. explain the factors influencing the electronegativities of the elements in terms of nuclear charge, atomic radius and shielding by inner shells and sub-shells
    3. state and explain the trends in electronegativity across a period and down a group of the Periodic Table
    4. use the differences in Pauling electronegativity values to predict the formation of ionic and covalent bonds (the presence of covalent character in some ionic compounds will not be assessed) (Pauling electronegativity values will be given where necessary)
    한국어
    1. 전기음성도를 원자가 전자 자신을 끌어당기는 힘으로 정의한다.
    2. 원자핵 전하, 원자 반경 및 내부 껍질 및 아껍질의 차폐 효과에 대해 설명하여 원소의 전기음성도에 영향을 미치는 요인을 설명한다.
    3. 주기표에서 주기에 걸쳐 및 족에 따라 내려가는 전기음성도의 경향을 서술하고 설명한다.
    4. 폴링 전기음성도 값의 차이를 사용하여 이온 결합 및 공유결합의 형성을 예측한다. (일부 이온 화합물에 공유결합 성분이 존재함은 평가 대상이 아님) (필요 시 폴링 전기음성도 값을 제공함)

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

    Electronegativity 电负性 is the power of an atom to attract the electrons 电子 in a bond towards itself.

    Three factors decide how electronegative an atom is:

    • nuclear charge 核电荷: more protons pull the bonding electrons more strongly.
    • atomic radius 原子半径: the closer the bond is to the nucleus, the stronger the pull.
    • shielding 屏蔽 by inner shells and sub-shells: more inner electrons weaken the pull on the bonding electrons.

    So electronegativity rises across a period (more nuclear charge, smaller radius) and falls down a group (larger radius, more shielding). Fluorine is the most electronegative element.

    A grid shaded from pale at the bottom-left to deep at the top-right, with fluorine marked in the top-right corner
    Electronegativity rises across a period and falls down a group, so fluorine is the most electronegative element

    You can use the difference in Pauling electronegativity 鲍林电负性 values to predict the bond type. A large difference gives an ionic bond; a small difference gives a covalent bond.

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    English 한국어
    electronegativity/ɪˌlektrəʊŋɡəˈtɪvɪti/ 전자 양성도
    electron/ɪˈlektrɒn/ 전자
    nuclear charge/ˈnjuːklɪə tʃɑːdʒ/ 핵 전하
    atomic radius/əˈtɒmɪk ˈreɪdɪəs/ 원자 반경
    shielding/ˈʃiːldɪŋ/ 차폐 효과
    Pauling electronegativity/ˈpɔːlɪŋ ɪˌlektrəʊŋɡəˈtɪvɪti/ 폴링 전기음성도
    3.2

    Ionic bonding

    Syllabus
    English
    1. define ionic bonding as the electrostatic attraction between oppositely charged ions (positively charged cations and negatively charged anions)
    2. describe ionic bonding including the examples of sodium chloride, magnesium oxide and calcium fluoride
    한국어
    1. 이온 결합을 서로 반대 전하를 띤 이온(양전하 양이온 및 음전하 음이온) 사이의 정전기적 인력으로 정의한다.
    2. 나트륨 염화물, 산화 마그네슘 및 불화 칼슘의 예를 포함하여 이온 결합을 서술한다.

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

    Ionic bonding: electron transfer

    Ionic bonding 离子键 is the electrostatic attraction 静电引力 between oppositely charged ions 离子 — positive cations 阳离子 and negative anions 阴离子.

    It forms when a metal gives electrons to a non-metal. Good examples are sodium chloride ($\text{NaCl}$), magnesium oxide ($\text{MgO}$) and calcium fluoride ($\text{CaF}_2$). The ions pack into a regular giant lattice 晶格, held together by the attraction in every direction.

    A dot-and-cross diagram showing a sodium atom with one cross transferring it to a chlorine atom, giving Na+ and Cl- ions in brackets
    Ionic bonding in NaCl: sodium transfers its single outer electron to chlorine, giving Na$^+$ and a full-octet Cl$^-$
    A clear-grey rock salt crystal on a black background, made of many small cube-shaped blocks with right-angled faces
    A real crystal of rock salt (halite, NaCl); the cubic shapes mirror the giant ionic lattice inside
    Explore · ⁨탐색하기⁩

    Forming an ionic bond (NaCl) · ⁨이온 결합 형성 (NaCl)⁩

    Step through it. A metal hands its outer electron to a non-metal; the oppositely charged ions then attract in a giant lattice. · ⁨단계별 설명: 금속이 바깥쪽 전자를 비금속에 건네주고, 서로 다른 전하를 띤 이온들이 거대 격자 내에서 서로 끌어당깁니다.⁩

    Vocabulary · ⁨어휘⁩ Train · ⁨연습하기⁩
    English 한국어
    ionic bonding/aɪˈɒnɪk ˈbɒndɪŋ/ 이온 결합
    electrostatic attraction/ɪˌlektrəʊˈstætɪk əˈtrækʃn/ 정전기적 인력
    ion/ˈaɪɒn/ 이온
    cation/ˈkætaɪən/ 양이온
    anion/ˈænaɪən/ 음이온
    lattice/ˈlætɪs/ 격자
    3.3

    Metallic bonding

    Syllabus
    English
    1. define metallic bonding as the electrostatic attraction between positive metal ions and delocalised electrons
    한국어
    1. 금속 결합을 양전하 금속 이온과 비국소화된 전자 사이의 정전기적 인력으로 정의한다.

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

    Metallic bonding 金属键 is the electrostatic attraction between positive metal ions and a "sea" of delocalised electrons 离域电子.

    The outer electrons are free to move through the whole metal. This explains why metals conduct electricity and are strong.

    A regular grid of positive metal ions with small electrons scattered in the gaps between them
    Metallic bonding: positive metal ions sit in a sea of delocalised electrons that are free to move
    Explore · ⁨탐색하기⁩

    Inside a metal — and why it behaves that way · ⁨금속 내부 — 그리고 그것이 왜 그런 성질을 나타내는가⁩

    Step through it. Positive ions sit in a shared sea of delocalised electrons. That one picture explains conduction, malleability, and strength. · ⁨단계별 설명: 양이온들이 비국유화 전자의 바다 속에 자리 잡고 있습니다. 이 하나의 그림은 전기 전도성, 연성, 그리고 강도를 설명합니다.⁩

    Vocabulary · ⁨어휘⁩ Train · ⁨연습하기⁩
    English 한국어
    metallic bonding/məˈtælɪk ˈbɒndɪŋ/ 금속 결합
    delocalised electrons/dɪˈlɒkəlaɪzd ɪˈlektrɒnz/ 비국소화 전자
    3.4

    Covalent and coordinate bonding

    Syllabus
    English
    1. define covalent bonding as electrostatic attraction between the nuclei of two atoms and a shared pair of electrons (a) describe covalent bonding in molecules including: • hydrogen, $\text{H}_2$ • oxygen, $\text{O}_2$ • nitrogen, $\text{N}_2$ • chlorine, $\text{Cl}_2$ • hydrogen chloride, $\text{HCl}$ • carbon dioxide, $\text{CO}_2$ • ammonia, $\text{NH}_3$ • methane, $\text{CH}_4$ • ethane, $\text{C}_2\text{H}_6$ • ethene, $\text{C}_2\text{H}_4$ (b) understand that elements in period 3 can expand their octet including in the compounds sulfur dioxide, $\text{SO}_2$, phosphorus pentachloride, $\text{PCl}_5$, and sulfur hexafluoride, $\text{SF}_6$ (c) describe coordinate (dative covalent) bonding, including in the reaction between ammonia and hydrogen chloride gases to form the ammonium ion, $\text{NH}_4^+$, and in the $\text{Al}_2\text{Cl}_6$ molecule
    2. (a) describe covalent bonds in terms of orbital overlap giving $\sigma$ and $\pi$ bonds: • $\sigma$ bonds are formed by direct overlap of orbitals between the bonding atoms • $\pi$ bonds are formed by the sideways overlap of adjacent p orbitals above and below the $\sigma$ bond (b) describe how the $\sigma$ and $\pi$ bonds form in molecules including $\text{H}_2$, $\text{C}_2\text{H}_6$, $\text{C}_2\text{H}_4$, $\text{HCN}$ and $\text{N}_2$ (c) use the concept of hybridisation to describe $\text{sp}$, $\text{sp}^2$ and $\text{sp}^3$ orbitals
    3. (a) define the terms: • bond energy as the energy required to break one mole of a particular covalent bond in the gaseous state • bond length as the internuclear distance of two covalently bonded atoms (b) use bond energy values and the concept of bond length to compare the reactivity of covalent molecules
    한국어
    1. 공유결합을 두 원자의 핵과 공유된 전자 쌍 사이의 정전기적 인력으로 정의한다. (a) 수소, $\text{H}_2$, 산소, $\text{O}_2$, 질소, $\text{N}_2$, 염소, $\text{Cl}_2$, 염화 수소, $\text{HCl}$, 이산화탄소, $\text{CO}_2$, 암모니아, $\text{NH}_3$, 메테인, $\text{CH}_4$, 에탄, $\text{C}_2\text{H}_6$, 에텐, $\text{C}_2\text{H}_4$ 등 분자에서의 공유결합을 서술한다. (b) 3주기 원소가 옥테트를 확장할 수 있음을 이해한다. 예: 이산화 황, $\text{SO}_2$, 포스포러스 펜타클로라이드, $\text{PCl}_5$, 쉭사불화황, $\text{SF}_6$ (c) 암모니아와 염화 수소 기체 간의 반응으로 암모늄 이온, $\text{NH}_4^+$를 형성하는 과정 및 $\text{Al}_2\text{Cl}_6$ 분자에서의 좌위(배위 공유결합)를 서술한다.
    2. (a) 궤도 겹침에 의한 공유결합 설명으로 $\sigma$ 및 $\pi$ 결합 도출: • $\sigma$ 결합은 결합 원자 간 궤도의 직접적 겹침으로 형성됨 • $\pi$ 결합은 $\sigma$ 결합 위아래에 있는 인접 p 궤도의 옆면 겹침으로 형성됨 (b) $\sigma$ 및 $\pi$ 결합이 $\text{H}_2$, $\text{C}_2\text{H}_6$, $\text{C}_2\text{H}_4$, $\text{HCN}$ 및 $\text{N}_2$을 포함한 분자에서 어떻게 형성되는지 설명 (c) 혼성 개념을 사용하여 $\text{sp}$, $\text{sp}^2$ 및 $\text{sp}^3$ 궤도를 설명함
    3. (a) 다음 용어를 정의한다: • 결합 에너지: 기체 상태에서의 특정 공유 결합 1몰을 끊는 데 필요한 에너지 • 결합 길이: 두 공유 결합 원자 간의 핵 간 거리 (b) 결합 에너지 값과 결합 길이의 개념을 사용하여 공유 분자의 반응성을 비교한다

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

    Covalent bonding: a shared pair

    Covalent bonding 共价键 is the electrostatic attraction between the nuclei of two atoms and a shared pair of electrons.

    Simple molecules with covalent bonds include $\text{H}_2$, $\text{O}_2$, $\text{N}_2$, $\text{Cl}_2$, $\text{HCl}$, $\text{CO}_2$, $\text{NH}_3$, $\text{CH}_4$, $\text{C}_2\text{H}_6$ and $\text{C}_2\text{H}_4$. A double bond shares two pairs; a triple bond (as in $\text{N}_2$) shares three pairs.

    Atoms in Period 3 and below can expand the octet 扩展八隅体 — hold more than eight electrons in their outer shell. Examples are $\text{SO}_2$, $\text{PCl}_5$ and $\text{SF}_6$.

    A coordinate bond 配位键 (also called a dative covalent bond) is a covalent bond where both shared electrons come from the same atom. For example, when ammonia and hydrogen chloride gases meet, the lone pair on the nitrogen forms a coordinate bond to $\text{H}^+$, making the ammonium ion $\text{NH}_4^+$. Coordinate bonds also join the two halves of the $\text{Al}_2\text{Cl}_6$ molecule.

    Ammonia's lone pair forming a new bond to an incoming hydrogen ion, shown as an arrow, to make the ammonium ion in brackets with a plus charge
    A coordinate (dative) bond: nitrogen's lone pair forms the fourth N–H bond, both electrons coming from N

    Sigma and pi bonds

    Covalent bonds form when orbitals 轨道 overlap:

    • a sigma bond σ键 forms by the direct, head-on overlap 重叠 of orbitals between the two atoms.
    • a pi bond π键 forms by the sideways overlap of two p orbitals, above and below the sigma bond.

    A single bond is one sigma bond. A double bond (as in $\text{C}_2\text{H}_4$) is one sigma plus one pi bond. A triple bond (as in $\text{N}_2$ and $\text{HCN}$) is one sigma plus two pi bonds.

    On the left two orbitals overlapping head-on between the nuclei; on the right two vertical p orbitals overlapping sideways above and below the axis
    A $\sigma$ bond forms by direct head-on overlap; a $\pi$ bond forms by the sideways overlap of two p orbitals, above and below

    Hybridisation

    Hybridisation 杂化 mixes orbitals in the same shell to make new, equal orbitals for bonding:

    • $\text{sp}$: two equal orbitals, used in a linear molecule.
    • $\text{sp}^2$: three equal orbitals, used in a flat molecule like $\text{C}_2\text{H}_4$.
    • $\text{sp}^3$: four equal orbitals, used in $\text{CH}_4$.

    Bond energy and bond length

    • bond energy 键能 is the energy needed to break one mole of a particular covalent bond in the gas state.
    • bond length 键长 is the distance between the centres of the two bonded atoms.

    A shorter bond is usually stronger (higher bond energy). Triple bonds are shorter and stronger than double bonds, which are shorter and stronger than single bonds. Stronger bonds make a molecule harder to react.

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    Sharing a pair of electrons · ⁨전자 쌍 공유하기⁩

    Step through a covalent bond: two atoms overlap and share a pair so each reaches a full shell — when the two pull equally the bond is non-polar. · ⁨공유 결합 단계: 두 원자가 겹쳐 전자 쌍을 공유하여 각각 완전한 전자 껍질을 얻습니다. 두 원자가 동일한 세력으로 끌어당기면 비극성 결합이 됩니다.⁩

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    Covalent bonding (sharing) · ⁨공유 결합(공유)⁩

    Two non-metal atoms overlap and share a pair of electrons — counted for both — so each reaches a full outer shell. O₂ shares two pairs (a double bond). · ⁨두 비금속 원자가 오버랩하여 한 쌍의 전자를 공유한다 — 두 원자 모두에 포함되어 계산되므로 — 각 원자는 완전한 바깥 껍질을 얻는다. O₂는 두 쌍(이중 결합)을 공유한다.⁩

    Vocabulary · ⁨어휘⁩ Train · ⁨연습하기⁩
    English 한국어
    covalent bonding/ˈkəʊvələnt ˈbɒndɪŋ/ 공유 결합
    expand the octet/ekˈspænd ðɪ ɒkˈtet/ 옥텟 확장
    coordinate bond/kəʊˈɔːdɪnət bɒnd/ 배위 결합
    orbital/ˈɔːbɪtl/ 오비탈
    sigma bond/ˈsɪɡmə bɒnd/ 시그마 결합
    overlap/ˌəʊvəˈlæp/ 중첩
    pi bond/paɪ bɒnd/ π 결합
    hybridisation/ˌhaɪbrɪdaɪˈzeɪʃn/ 교잡(하이브리다이제이션)
    bond energy/bɒnd ˈenədʒi/ 결합 에너지
    bond length/bɒnd leŋθ/ 결합 길이
    3.5

    Shapes of molecules

    Syllabus
    English
    1. state and explain the shapes of, and bond angles in, molecules by using VSEPR theory, including as simple examples: • $\text{BF}_3$ (trigonal planar, 120°) • $\text{CO}_2$ (linear, 180°) • $\text{CH}_4$ (tetrahedral, 109.5°) • $\text{NH}_3$ (pyramidal, 107°) • $\text{H}_2\text{O}$ (non-linear, 104.5°) • $\text{SF}_6$ (octahedral, 90°) • $\text{PF}_5$ (trigonal bipyramidal, 120° and 90°)
    2. predict the shapes of, and bond angles in, molecules and ions analogous to those specified in 3.5.1
    한국어
    1. VSEPR 이론을 사용하여 분자의 형태와 결합 각도를 서술하고 설명하십시오. 간단한 예제로 다음을 포함: • $\text{BF}_3$ (삼각평면형, 120°) • $\text{CO}_2$ (선형, 180°) • $\text{CH}_4$ (사면체, 109.5°) • $\text{NH}_3$ (피라미드형, 107°) • $\text{H}_2\text{O}$ (비선형, 104.5°) • $\text{SF}_6$ (팔면체, 90°) • $\text{PF}_5$ (삼각 이중 피라미드형, 120° 및 90°)
    2. 3.5.1에서 지정한 분자 및 이온과 유사한 분자 및 이온의 형태와 결합각을 예측한다

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

    A ball-and-stick molecular model
    A molecular model shows the three-dimensional shape of a covalent molecule.

    To work out a shape, use VSEPR theory 价层电子对互斥理论: the pairs of electrons around the central atom push apart as far as possible, because like charges repel.

    A lone pair 孤对电子 (not in a bond) pushes more strongly than a bonding pair 成键电子对. Each lone pair squeezes the bond angle 键角 by about $2.5°$.

    Molecule Shape Bond angle
    $\text{CO}_2$ linear 直线形 $180°$
    $\text{BF}_3$ trigonal planar 平面三角形 $120°$
    $\text{CH}_4$ tetrahedral 四面体形 $109.5°$
    $\text{NH}_3$ pyramidal 三角锥形 $107°$
    $\text{H}_2\text{O}$ bent 角形 $104.5°$
    $\text{PF}_5$ trigonal bipyramidal 三角双锥形 $120°$ and $90°$
    $\text{SF}_6$ octahedral 八面体形 $90°$

    $\text{NH}_3$ has one lone pair and $\text{H}_2\text{O}$ has two, which is why their angles drop below the $109.5°$ of $\text{CH}_4$. You can predict the shapes of similar molecules and ions in the same way.

    Seven molecular shapes drawn with a central atom and bonded atoms: linear, trigonal planar, tetrahedral, pyramidal, bent, trigonal bipyramidal and octahedral, each with its bond angle
    The seven shapes from VSEPR theory; the lone pairs on NH$_3$ and H$_2$O push harder, squeezing the bond angle below $109.5°$

    Worked example. Predict the shape and bond angle of $\text{NH}_3$ and of $\text{H}_2\text{O}$. Nitrogen has 5 outer electrons and forms 3 bonds, leaving 3 bonding pairs and 1 lone pair - four pairs in total, so they start from the tetrahedral $109.5°$. The lone pair repels more strongly and squeezes the angle by about $2.5°$, giving a pyramidal shape at about $107°$. Oxygen forms 2 bonds and keeps 2 lone pairs: still four pairs, but now two squeezes, so the shape is bent at about $104.5°$. Count all the pairs to fix the basic geometry, subtract $2.5°$ for each lone pair, and name the shape from the atoms - $\text{NH}_3$ has four pairs but is pyramidal, not tetrahedral.

    Explore · ⁨탐색하기⁩

    Shape from bonding and lone pairs · ⁨결합 쌍과 비결합 쌍에 따른 형태⁩

    Count the bonding pairs and lone pairs around the central atom; they repel into the shape with least strain. Three bonds and one lone pair give a pyramid, like ammonia (NH3). · ⁨중심 원자 주변의 결합 쌍과 비결합 쌍의 수를 세십시오; 이들은 최소 응력 상태의 형태로 서로 밀어냅니다. 결합 3개와 비결합 쌍 1개는 암모니아(NH3)처럼 피라미드 형태를 만듭니다.⁩

    Explore · ⁨탐색하기⁩

    Predicting molecular shape · ⁨분자 구조 예측⁩

    Set the bonding and lone pairs. Electron pairs repel and spread out as far apart as possible — that fixes the shape and bond angle. · ⁨결합 쌍과 비결합 쌍을 설정하세요. 전자 쌍끼리 반발하여 최대한 멀리 퍼지므로, 이는 분자 구조와 결합 각도를 고정시킵니다.⁩

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    English 한국어
    VSEPR theory/ˈvespə ˈθɪəri/ VSEPR 이론
    lone pair/ləʊn peə/ 비공유 전자쌍
    bonding pair/ˈbɒndɪŋ peə/ 결합 전자쌍
    bond angle/bɒnd ˈæŋɡl/ 결합 각도
    linear/ˈlɪnɪə/ 선형임
    trigonal planar/ˈtrɪɡənl ˈpleɪnə/ 삼각평면형
    tetrahedral/ˌtetrəˈhiːdrəl/ 사면체
    pyramidal/pɪˈræmɪdl/ 피라미드형
    bent/bent/ 굽은 모양(bent)
    trigonal bipyramidal/ˈtrɪɡənl baɪˈpɪrəmɪdl/ 삼각 이중뿔형
    octahedral/ˌɒktəˈhiːdrəl/ 팔면체
    3.6

    Intermolecular forces

    Syllabus
    English
    1. (a) describe hydrogen bonding, limited to molecules containing N–H and O–H groups, including ammonia and water as simple examples (b) use the concept of hydrogen bonding to explain the anomalous properties of $\text{H}_2\text{O}$ (ice and water): • its relatively high melting and boiling points • its relatively high surface tension • the density of the solid ice compared with the liquid water
    2. use the concept of electronegativity to explain bond polarity and dipole moments of molecules
    3. (a) describe van der Waals’ forces as the intermolecular forces between molecular entities other than those due to bond formation, and use the term van der Waals’ forces as a generic term to describe all intermolecular forces (b) describe the types of van der Waals’ forces: • instantaneous dipole–induced dipole (id-id) forces, also called London dispersion forces • permanent dipole–permanent dipole (pd-pd) forces, including hydrogen bonding (c) describe hydrogen bonding and understand that hydrogen bonding is a special case of permanent dipole–permanent dipole forces between molecules where hydrogen is bonded to a highly electronegative atom
    4. state that, in general, ionic, covalent and metallic bonding are stronger than intermolecular forces
    한국어
    1. (a) 수소 결합을 서술하십시오. N–H 및 O–H 그룹을 포함하는 분자에 국한되며, 암모니아와 물을 간단한 예로 들십시오. (b) 수소 결합의 개념을 사용하여 $\text{H}_2\text{O}$(얼음과 물)의 이상적 성질을 설명하십시오: • 상대적으로 높은 융점과 끓는점 • 상대적으로 높은 표면 장력 • 고체 얼음의 밀도가 액체 물보다 낮은 점
    2. 전기음성도의 개념을 사용하여 결합 극성 및 분자의 이중극 모멘트를 설명한다
    3. (a) 반데르발스 힘을 화학 결합 형성에 의한 것이 아닌 분자 단위 간의 분자간 힘으로 서술하고, 반데르발스 힘을 모든 분자간 힘을 통칭하는 일반적 용어로 사용한다 (b) 반데르발스 힘의 종류를 서술한다: • 순간 이중극-유도 이중극(id-id) 힘, 또는 런던 산란 힘으로 불림 • 영구 이중극-영구 이중극(pd-pd) 힘, 수소 결합 포함 (c) 수소 결합을 서술하고, 수소 결합이 수소가 높은 전기음성도 원자와 결합된 분자 간의 영구 이중극-영구 이중극 힘의 특별한 경우임을 이해한다
    4. 일반적으로 이온 결합, 공유 결합 및 금속 결합이 분자간 힘보다 강함을 서술한다

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

    Intermolecular forces 分子间作用力 are the forces between molecules 分子. They are much weaker than the ionic, covalent and metallic bonding inside substances.

    Bond polarity and dipoles

    When two atoms with different electronegativity share a bond, the electrons sit closer to the more electronegative atom. The bond then has a polarity 极性: one end is slightly negative ($\delta-$) and the other slightly positive ($\delta+$). This separation of charge is a dipole 偶极.

    If the dipoles in a molecule do not cancel, the whole molecule has a dipole moment 偶极矩 and is polar. If they cancel by symmetry (as in $\text{CO}_2$), the molecule is non-polar.

    Van der Waals' forces

    Van der Waals' forces 范德华力 is the general name for all intermolecular forces. There are two main types.

    The first type is the instantaneous dipole–induced dipole force, also called the London dispersion force 伦敦色散力. Moving electrons make a brief instantaneous dipole 瞬时偶极, which then creates a matching induced dipole 诱导偶极 in a nearby molecule. These forces act between all molecules and get stronger when there are more electrons.

    Two molecules side by side: a brief instantaneous dipole in one induces a matching dipole in its neighbour, so the two attract
    A London force: a momentary dipole in one molecule induces a dipole in its neighbour, so they attract — this acts between all molecules

    The second type is the permanent dipole–permanent dipole force. It acts between molecules that are always polar, because each one has a permanent dipole 永久偶极.

    Hydrogen bonding

    Hydrogen bonding 氢键 is a strong, special case of permanent dipole forces. It forms when hydrogen is bonded to a very electronegative atom — nitrogen, oxygen or fluorine — and is attracted to a lone pair on an N, O or F atom in a neighbour. Look for N–H and O–H groups, as in ammonia and water.

    Three water molecules linked by dashed hydrogen bonds, each running from a slightly positive hydrogen to the slightly negative oxygen of a neighbour
    Hydrogen bonding in water: a $\delta+$ hydrogen is attracted to a lone pair on the $\delta-$ oxygen of a neighbouring molecule

    Hydrogen bonding explains the strange behaviour of water:

    • its high melting and boiling point 沸点, because many hydrogen bonds must be broken.
    • its high surface tension 表面张力.
    • ice is less dense than liquid water, because hydrogen bonds hold the molecules in an open, spread-out structure, so ice floats.
    Explore · ⁨탐색하기⁩

    Polarity and intermolecular forces lab · ⁨극성과 분자 간 힘 실험⁩

    Classify molecules by the feature that controls attractions. · ⁨분자를 상호 작용을 결정하는 특징에 따라 분류하십시오.⁩

    Explore · ⁨탐색하기⁩

    Why hydrogen bonds make water special · ⁨수소 결합이 물을 특별하게 만드는 이유⁩

    Step through it. One weak-but-strong force — the hydrogen bond — explains water's high boiling point, why ice floats, and why it dissolves so much. · ⁨단계별로 살펴봅시다. 하나 하나의 약하지만 강력한 힘 — 수소 결합 — 이 물의 높은 끓는점, 얼음이 뜨는 이유, 그리고 많은 것을 용해시키는 능력을 설명합니다.⁩

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    English 한국어
    intermolecular forces/ˌɪntəməˈlekjʊlə ˈfɔːsɪz/ 분자 간 힘
    molecule/ˈmɒlɪkjuːl/ 분자
    polarity/pəʊˈlærɪti/ 극성
    dipole/ˈdaɪpəʊl/ 쌍극자
    dipole moment/ˈdaɪpəʊl ˈməʊmənt/ 쌍극자 모멘트
    van der Waals' forces/ˈvændɜː wɑːlz ˈfɔːsɪz/ 반 데르 발스 힘
    London dispersion forces/ˈlʌndn dɪˈspɜːʃn ˈfɔːsɪz/ 런던 산란 힘
    instantaneous dipole/ˌɪnstənˈteɪnɪəs ˈdaɪpəʊl/ 즉시 쌍극자
    induced dipole/ɪnˈdjuːst ˈdaɪpəʊl/ 유도 쌍극자
    permanent dipole/ˈpɜːmənənt ˈdaɪpəʊl/ 영구 쌍극자
    hydrogen bonding/ˈhaɪdrədʒn ˈbɒndɪŋ/ 수소 결합
    boiling point/ˈbɔɪlɪŋ pɔɪnt/ 비점
    surface tension/ˈsɜːfɪs ˈtenʃn/ 표면 장력
    3.7

    Dot-and-cross diagrams

    Syllabus
    English
    1. use dot-and-cross diagrams to illustrate ionic, covalent and coordinate bonding including the representation of any compounds stated in 3.4 and 3.5 (dot-and-cross diagrams may include species with atoms which have an expanded octet or species with an odd number of electrons)
    한국어
    1. 점과 십자표 도식을 사용하여 이온 결합, 공유 결합 및 배위 결합을 나타내고, 3.4 및 3.5에서 언급된 모든 화합물의 표현을 포함한다(점과 십자표 도식은 팔배자 규칙을 초과하는 원자를 가진 종 또는 홀전자를 가진 종을 포함할 수 있음)

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

    A dot-and-cross diagram 点叉图 shows the outer electrons of each atom, using dots for one atom and crosses for the other. This makes it clear where each bonding electron came from. You can draw them for ionic, covalent and coordinate bonding, including molecules with an expanded octet or an odd number of electrons.

    Dot-and-cross diagrams for water and nitrogen: water shows two bonding pairs and two lone pairs on oxygen, nitrogen shows three shared pairs and a lone pair on each atom
    Covalent dot-and-cross: each shared pair is one electron from each atom. Water has two bonding pairs and two lone pairs; nitrogen shares three pairs (a triple bond)
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    English 한국어
    dot-and-cross diagram/dɒt ænd krɒs ˈdaɪəɡræm/ 점-교차 도표
    3.7

    Exam tips

    • For shapes, count bonding pairs and lone pairs, name the shape, then give the exact bond angle (e.g. $\text{NH}_3$: pyramidal, $107^\circ$) — each lone pair lowers the angle by about $2.5^\circ$.
    • A dative (coordinate) bond has both electrons from one atom (e.g. $\text{NH}_4^+$, $\text{H}_3\text{O}^+$); draw the arrow from the lone pair.
    • Name the intermolecular force precisely: hydrogen bonding needs H bonded to N, O or F; otherwise it is permanent-dipole or induced-dipole (van der Waals). Never call van der Waals forces "bonds".
    • Explain a physical property by stating which forces are broken, not just "strong bonds".
  • 4

    States of matter

    Watch lesson · ⁨수업 보기⁩
    4.1

    The gaseous state · ⁨기체 상태⁩

    Syllabus
    English
    1. explain the origin of pressure in a gas in terms of collisions between gas molecules and the wall of the container
    2. understand that ideal gases have zero particle volume and no intermolecular forces of attraction
    3. state and use the ideal gas equation $pV = nRT$ in calculations, including in the determination of $M_r$
    한국어
    1. 기체 압력의 기원을 기체 분자 간의 충돌 및 용기 벽과의 충돌로 설명한다
    2. 이상 기체는 입자 부피가 0이고 분자 간 힘이 존재하지 않음을 이해한다
    3. 계산에 이상 기체 방정식 $pV = nRT$을 stated하고 사용하며, 그중에서도 $M_r$ 결정에 포함한다

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

    English

    Where gas pressure comes from

    Gas molecules move fast in all directions. They keep hitting — colliding 碰撞 with — the walls of their container. Each hit gives the wall a tiny push. The pressure 压强 of the gas is the overall result of these many collisions on the walls.

    Ideal gases

    An ideal gas 理想气体 is a simple model. We assume two things:

    • the particles themselves take up zero volume.
    • there are no intermolecular forces 分子间作用力 of attraction between the particles.

    A real gas 实际气体 follows this model closely at low pressure and high temperature. It behaves least like an ideal gas at high pressure and low temperature, when the particles are squeezed close together and the forces between them start to matter.

    The ideal gas equation

    The ideal gas equation 理想气体方程 links pressure, volume, amount and temperature:

    $$pV = nRT$$

    where $p$ is the pressure in Pa, $V$ is the volume in $\text{m}^3$, $n$ is the amount in moles, $T$ is the temperature in kelvin 开尔文 (K), and $R$ is the gas constant 气体常量 ($8.31\ \text{J K}^{-1}\,\text{mol}^{-1}$).

    Always change the units first: °C to K (add 273), and $\text{cm}^3$ or $\text{dm}^3$ to $\text{m}^3$.

    Worked example. Find the volume of $0.50\ \text{mol}$ of an ideal gas at $27\ ^{\circ}\text{C}$ and $100\ \text{kPa}$. ($R = 8.31\ \text{J K}^{-1}\,\text{mol}^{-1}$.)

    Convert first: $T = 300\ \text{K}$, $p = 1.00 \times 10^{5}\ \text{Pa}$. Then

    $$V = \frac{nRT}{p} = \frac{0.50 \times 8.31 \times 300}{1.00 \times 10^{5}} = 0.0125\ \text{m}^3\ (= 12.5\ \text{dm}^3).$$

    You can also use the equation to find a molar mass 摩尔质量. Since $n = m/M$:

    $$pV = \frac{m}{M}RT \qquad\Rightarrow\qquad M = \frac{mRT}{pV}$$

    This lets you work out $M_r$ from the mass (or the density) of a gas.

    Worked example. A flask holds $0.96\ \text{g}$ of a gas in $600\ \text{cm}^3$ at $100\ \text{kPa}$ and $27\ ^{\circ}\text{C}$. Find the molar mass of the gas. ($R = 8.31\ \text{J K}^{-1}\,\text{mol}^{-1}$.)

    Convert: $V = 6.00 \times 10^{-4}\ \text{m}^3$, $T = 300\ \text{K}$. Then

    $$M = \frac{mRT}{pV} = \frac{0.96 \times 8.31 \times 300}{(1.00 \times 10^{5})(6.00 \times 10^{-4})} \approx 40\ \text{g mol}^{-1}.$$
    한국어
    끓는 물에서 오르는 증기
    끓음은 액체 물을 증기로 바꾼 것 — 물질의 상태 변화입니다.

    기체 압력의 기원

    기체 분자들은 모든 방향으로 빠르게 이동합니다. 그들은 자신의 용기 벽에 계속 충돌——충돌(colliding)——합니다. 매번 충돌이 벽에 미세한 밀힘을 줍니다. 기체의 **압력(pressure)**은 이러한 수많은 충돌이 벽에 미치는 전체적인 결과입니다.

    상자에 들어가는 빠른 입자들, 각 입자마다 속도 화살표가 있으며 일부는 벽에 부딪혀 타격 별 표시로 강조됨
    기체 압력: 빠른 분자들이 모든 방향으로 이동하여 벽에 충돌하며, 수많은 미세한 밀힘이 합쳐져 압력이 됨

    이상 기체

    **이상 기体(ideal gas)**는 단순한 모델입니다. 우리는 다음 두 가지를 가정합니다:

    • 입자 자체의 부피는 0입니다.
    • 입자 사이에 분자간 인력은 없습니다.

    **실제 기체(real gas)**는 저압 및 고온에서 이 모델에 매우 가깝게 따릅니다. 고압 및 저온에서는 입자가 서로 밀집되고 입자 간의 힘의 영향이 중요해지기 때문에 이상 기체에最不似하게 행동합니다.

    두 상자: 왼쪽은 속력 화살표와 힘 없음, 작은 점 입자로 된 이상 기체; 오른쪽은 고압 및 저온, 더 큰 밀집된 입자들과 점선 인력선으로 연결된 실제 기체
    이상 기체는 모델입니다: 입자 사이에 힘이 없는 점 입자입니다. 실제 기체는 고압 및 저온에서 이 모델과最不似하게 행동하는데, 이때 입자가 밀집되어 실제 크기 및 인력이 중요해지기 때문입니다

    이상 기체 방정식

    **이상 기체 방정식(ideal gas equation)**은 압력, 부피, 몰 수 및 온도를 연결합니다:

    $$pV = nRT$$

    여기서 $p$는 Pa 단위의 압력, $V$는 $\text{m}^3$ 단위의 부피, $n$는 몰 단위의 물질량, $T$는 켈빈 (K) 단위의 온도, $R$은 기체 상수 ($8.31\ \text{J K}^{-1}\,\text{mol}^{-1}$)입니다.

    항상 단위를 먼저 변경하십시오: °C를 K로 (273 더하기), 그리고 $\text{cm}^3$ 또는 $\text{dm}^3$를 $\text{m}^3$로 변환하십시오.

    풀이 예제. $0.50\ \text{mol}$의 이상 기체의 부피를 $27\ ^{\circ}\text{C}$ 및 $100\ \text{kPa}$ 조건에서 구하십시오. ($R = 8.31\ \text{J K}^{-1}\,\text{mol}^{-1}$.)

    먼저 변환하십시오: $T = 300\ \text{K}$, $p = 1.00 \times 10^{5}\ \text{Pa}$. 그런 다음

    $$V = \frac{nRT}{p} = \frac{0.50 \times 8.31 \times 300}{1.00 \times 10^{5}} = 0.0125\ \text{m}^3\ (= 12.5\ \text{dm}^3).$$

    이 방정식을 사용하여 몰 질량을 구할 수도 있습니다. 기체 $n = m/M$에 대해:

    $$pV = \frac{m}{M}RT \qquad\Rightarrow\qquad M = \frac{mRT}{pV}$$

    이를 통해 기체의 질량(또는 밀도)에서 $M_r$를 계산할 수 있습니다.

    풀이 예제. 플라스크에 $0.96\ \text{g}$의 기체가 $600\ \text{cm}^3$, $100\ \text{kPa}$ 및 $27\ ^{\circ}\text{C}$ 조건으로 들어 있습니다. 이 기체의 몰 질량을 구하십시오. ($R = 8.31\ \text{J K}^{-1}\,\text{mol}^{-1}$.)

    단위 변환: $V = 6.00 \times 10^{-4}\ \text{m}^3$, $T = 300\ \text{K}$. 그 다음

    $$M = \frac{mRT}{pV} = \frac{0.96 \times 8.31 \times 300}{(1.00 \times 10^{5})(6.00 \times 10^{-4})} \approx 40\ \text{g mol}^{-1}.$$
    Explore · ⁨탐색하기⁩

    The gaseous state · ⁨기체 상태⁩

    p = k / V

    Boyle's law: at constant temperature pressure ∝ 1/volume. · ⁨보일의 법칙: 일정 온도에서 압력 ∝ 1/부피⁩

    Vocabulary · ⁨어휘⁩ Train · ⁨연습하기⁩
    English 한국어
    collide/kəˈlaɪd/ 충돌하다
    pressure/ˈpreʃə/ 압력
    ideal gas/aɪˈdɪəl ɡæs/ 이상 기체
    intermolecular forces/ˌɪntəməˈlekjʊlə ˈfɔːsɪz/ 분자 간 힘
    real gas/rɪəl ɡæs/ 실제 기체
    ideal gas equation/aɪˈdɪəl ɡæs ɪˈkweɪʒn/ 이상 기체 법칙
    kelvin/ˈkelvɪn/ 켈빈
    gas constant/ɡæs ˈkɒnstənt/ 기체 상수
    molar mass/ˈməʊlə mæs/ 몰 질량
    crystalline solid/ˈkrɪstəlaɪn ˈsɒlɪd/ 결정성 고체
    giant ionic/ˈdʒaɪənt aɪˈɒnɪk/ 거대 이온성
    lattice/ˈlætɪs/ 격자
    ion/ˈaɪɒn/ 이온
    simple molecular/ˈsɪmpl məˈlekjʊlə/ 간단 분자성
    molecule/ˈmɒlɪkjuːl/ 분자
    fullerene/ˈfʊləren/ 풀러렌
    giant molecular/ˈdʒaɪənt məˈlekjʊlə/ 거대 분자성
    covalent bonds/ˈkəʊvələnt bɒndz/ 공유 결합이 있기 때문입니다
    silicon(IV) oxide/ˈsɪlɪkən ˈɒksaɪd/ 실리콘(IV) 산化物
    4.2

    Bonding and structure · ⁨결합 및 구조⁩

    Syllabus
    English
    1. describe, in simple terms, the lattice structure of a crystalline solid which is: (a) giant ionic, including sodium chloride and magnesium oxide (b) simple molecular, including iodine, buckminsterfullerene $\text{C}_{60}$ and ice (c) giant molecular, including silicon(IV) oxide, graphite and diamond (d) giant metallic, including copper
    2. describe, interpret and predict the effect of different types of structure and bonding on the physical properties of substances, including melting point, boiling point, electrical conductivity and solubility
    3. deduce the type of structure and bonding present in a substance from given information
    한국어
    1. 다음 **결정 고체(crystalline solid)**의 **격자 구조(lattice structure)**를 간단한 용어로 설명한다: (a) 거대 이온 결합, 예: 염화 나트륨 및 산화 마그네슘, (b) 소분자 결합, 예: 요오드, 버크민스터 풀러렌 $\text{C}_{60}$ 및 얼음, (c) 거대 분자 결합, 예: 실리카(IV) 산화물, 석영 및 다이아몬드, (d) 거대 금속 결합, 예: 구리
    2. 다양한类型的의 구조 및 결합이 물질의 물리적 성질, 즉 녹는점, 끓는점, 전기 전도도 및 용해도에 미치는 영향을 설명, 해석 및 예측한다
    3. 주어진 정보를 바탕으로 물질에 있는 구조 및 결합 유형을 추론한다

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

    English

    How a substance behaves depends on how its particles are joined. There are four main structures of a crystalline solid 晶体.

    Giant ionic

    A giant ionic 离子晶体 structure is a huge regular lattice 晶格 of positive and negative ions 离子, held together by strong attraction in every direction. Examples are sodium chloride and magnesium oxide.

    Simple molecular

    A simple molecular 分子晶体 structure is made of small molecules 分子. The bonds inside each molecule are strong, but the intermolecular forces between the molecules are weak. Examples are iodine ($\text{I}_2$), fullerene 富勒烯 ($\text{C}_{60}$) and ice.

    Giant molecular

    A giant molecular 原子晶体 structure (also called giant covalent) is a huge network of atoms joined by strong covalent bonds 共价键. Examples are silicon(IV) oxide 二氧化硅, graphite 石墨 and diamond 金刚石.

    Giant metallic

    A giant metallic 金属晶体 structure is a lattice of positive metal ions in a "sea" of delocalised electrons 离域电子. An example is copper.

    Physical properties

    The structure decides the physical properties:

    Structure Melting/boiling point Conducts electricity? Solubility in water
    giant ionic high only when molten or dissolved usually soluble
    simple molecular low no usually low
    giant molecular very high no (except graphite) insoluble
    giant metallic high yes (solid and molten) insoluble
    • melting point 熔点 and boiling point 沸点 are high when strong forces (ionic, covalent or metallic) must be broken, and low when only weak intermolecular forces break.
    • electrical conductivity 导电性 needs charged particles that can move — ions that are free (when molten or dissolved) or delocalised electrons. Graphite conducts because some of its electrons are delocalised.
    • solubility 溶解度 in water is usually high for ionic solids and low for molecular and giant covalent solids.

    You can work backwards too: from the melting point, conductivity and solubility of an unknown substance, deduce the type of structure and bonding it has.

    한국어
    석영 결정 클러스터
    석영은 실리콘과 산소의 거대 공유 결합 구조입니다.

    물질의 성질은 입자가 어떻게 결합되어 있는지에 따라 결정됩니다. 결정성 고체에는 네 가지 주요 구조가 있습니다.

    네 개의 패널: 교대로 배열된 양·음이온의 거대 이온 격자, 분리된 작은 분자, 결합된 공유 결합 네트워크, 전자 바다 속의 금속 이온
    결정성 고체의 네 가지 구조 — 이 구조가 융점, 전도도 및 용해도를 결정합니다

    거대 이온성

    거대 이온성 구조는 모든 방향으로 강한 인력에 의해 묶인 양이온과 음이온의 거대 정렬 격자입니다. 염화나트륨과 산화마그네슘 등이 이에 해당합니다.

    단순 분자성

    단순 분자성 구조는 작은 분자들로 이루어져 있습니다. 각 분자 내부의 결합은 강하지만, 분자 간의 분자간 힘은 약합니다. 요드($\text{I}_2$), 풀러렌($\text{C}_{60}$), 얼음이 이에 해당합니다.

    거대 분자성

    거대 분자성 구조(또는 거대 공유 결합)는 강력한 공유 결합으로 연결된 원자의 거대한 네트워크입니다. 사일리카, 흑연, 다이아몬드 등이 이에 해당합니다.

    왼쪽은 각 탄소 원자가 4개의 다른 탄소 원자와 결합한 다이아몬드 노드; 오른쪽은 약한 힘에 의해 쌓인 육각형 층의 흑연
    탄소의 두 가지 거대 공유 결합 형태: 다이아몬드는 단단한 3D 네트워크(매우 단단); 흑연은 미끄러지는 층과 전도를 담당하는 비국재화 전자를 가짐
    거친 팔면체 다이아몬드 결정한 모습
    광물 속의 실제 다이아몬드. 전체 결정은 하나의 거대 분자이며, 각 탄소 원자가 4개의 다른 탄소 원자와 결합한 끊어지지 않은 단일 네트워크입니다. 이를 깨려면 무수히 많은 강력한 공유 결합을 끊어야 하므로 다이아몬드가 가장 단단한 천연 물질입니다

    거대 금속성

    거대 금속성 구조는 비국재화 전자의 '바다' 속에 있는 양의 금속 이온 격자입니다. 구리 등이 이에 해당합니다.

    반짝이는 붉은빛 금속 광택과 작은 녹슨 자국이 있는 둥근 구리 주괴
    순수 구리 금속의 한 조각. 반짝임과 금속이 전기를 전도하며 구부러지는 특성은 모두 비국재화 전자 바다 속에 위치한 구리 이온의 거대 격자에서 비롯됩니다

    물리적 성질

    구조가 물리적 성질을 결정합니다:

    구조 융점/비등점 전기 전도 여부 물에 대한 용해도
    거대 이온성 높음 용융 상태일 때만 또는 용해될 때 일반적으로 용해됨
    단순 분자성 낮음 아니오 일반적으로 낮음
    거대 분자성 매우 높음 아니오 (흑연 제외) 불용
    거대 금속성 높음 예 (고체 및 용융 상태) 불용
    • 융점과 비등점은 이온성, 공유 결합 또는 금속성 같은 강력한 힘을 끊어야 할 때 높고, 약한 분자간 힘만 끊어지면 낮습니다.
    • 전기 전도도는 이동 가능한 하전 입자(용융 상태이거나 용해될 때 자유로운 이온 또는 비국재화 전자)가 필요합니다. 흑연은 일부 전자가 비국재화되어 있어 전도가 가능합니다.
    • 물에 대한 용해도는 일반적으로 이온성 고체는 높고, 분자성 및 거대 공유 결합 고체는 낮습니다.

    역으로 풀 수도 있습니다: 알 수 없는 물질의 융점, 전도도, 용해도에서 그 물질이 가진 구조와 결합 유형을 추론할 수 있습니다.

    Explore · ⁨탐색하기⁩

    Giant structure lab · ⁨거대 구조 실험⁩

    Compare giant structures by particles and bonding. · ⁨입자와 결합으로 거대 구조를 비교하십시오.⁩

    Vocabulary · ⁨어휘⁩ Train · ⁨연습하기⁩
    English 한국어
    graphite/ˈɡræfaɪt/ 흑연
    diamond/ˈdaɪəmənd/ 다이아몬드
    giant metallic/ˈdʒaɪənt məˈtælɪk/ 거대 금속성
    delocalised electrons/dɪˈlɒkəlaɪzd ɪˈlektrɒnz/ 비국소화 전자
    melting point/ˈmeltɪŋ pɔɪnt/ 융점
    boiling point/ˈbɔɪlɪŋ pɔɪnt/ 비점
    electrical conductivity/ɪˈlektrɪkl kɒndəkˈtɪvɪti/ 전기 전도도
    solubility/ˌsɒljuːˈbɪlɪti/ 용해도
    4.2

    Exam tips · ⁨시험 팁⁩

    English
    • Use SI units in $pV = nRT$: pressure in Pa, volume in $\text{m}^3$ ($\text{cm}^3 \times 10^{-6}$), temperature in K ($^\circ\text{C} + 273$).
    • State the ideal-gas assumptions (negligible molecular volume, no intermolecular forces) and when real gases deviate (high pressure, low temperature).
    • Link each property to structure: giant ionic (high m.p., conducts molten), giant covalent (very high m.p.), simple molecular (low m.p.), giant metallic (conducts, malleable).
    • Graphite conducts because each carbon has a delocalised electron; diamond does not — a favourite comparison.
    한국어
    • $pV = nRT$에서는 SI 단위를 사용하십시오: 압력은 Pa, 부피는 $\text{m}^3$ ($\text{cm}^3 \times 10^{-6}$), 온도는 K ($^\circ\text{C} + 273$).
    • 이상 기체 가정(분자 부피 무시, 분자간 힘 없음)과 실제 기체가 이탈하는 경우(고압, 저온)를 명시하십시오.
    • 각 성질을 구조에 연결하십시오: 거대 이온성(높은 융점, 용융 상태 전도), 거대 공유 결합(매우 높은 융점), 단순 분자성(낮은 융점), 거대 금속성(전도, 연성).
    • 흑연은 각 탄소 원자가 비국재화된 전자를 가져 전도가 가능하지만, 다이아몬드는 그렇지 않습니다 — 자주 비교되는 내용입니다.
  • 5

    Chemical energetics

    Watch lesson · ⁨수업 보기⁩
    5.1

    Enthalpy change, ΔH

    Syllabus
    English
    1. understand that chemical reactions are accompanied by enthalpy changes and these changes can be exothermic ($\Delta H$ is negative) or endothermic ($\Delta H$ is positive)
    2. construct and interpret a reaction pathway diagram, in terms of the enthalpy change of the reaction and of the activation energy
    3. define and use the terms: (a) standard conditions (this syllabus assumes that these are $298\text{ K}$ and $101\text{ kPa}$) shown by $^{\ominus}$. (b) enthalpy change with particular reference to: reaction, $\Delta H_r$, formation, $\Delta H_f$, combustion, $\Delta H_c$, neutralisation, $\Delta H_{\text{neut}}$
    4. understand that energy transfers occur during chemical reactions because of the breaking and making of chemical bonds
    5. use bond energies ($\Delta H$ positive, i.e. bond breaking) to calculate enthalpy change of reaction, $\Delta H_r$
    6. understand that some bond energies are exact and some bond energies are averages
    7. calculate enthalpy changes from appropriate experimental results, including the use of the relationships $q = mc\Delta T$ and $\Delta H = -mc\Delta T/n$
    한국어
    1. 화학 반응은 엔탈피 변화를 동반하며, 이 변화는 발열 반응($\Delta H$이 음수) 또는 흡열 반응($\Delta H$이 양수)일 수 있음을 이해한다.
    2. 반응의 엔탈피 변화 및 활성화 에너지를 바탕으로 반응 경로 도표를 구성하고 해석한다
    3. 다음 용어의 정의 및 사용을 설명한다: (a) 표준 상태: 이 교육 과정에서는 이들이 $298\text{ K}$ 및 $101\text{ kPa}$라고 가정하며, $^{\ominus}$로 표시된다. (b) 특정 상황에 대한 엔탈피 변화: 반응, $\Delta H_r$, 생성, $\Delta H_f$, 연소, $\Delta H_c$, 중화, $\Delta H_{\text{neut}}$
    4. 화학 결합의 끊김과 형성에 의해 화학 반응 동안 에너지 전달이 일어나는 것을 이해한다
    5. 결합 에너지($\Delta H$: 양수, 즉 결합 분해)를 사용하여 반응의 엔탈피 변화를 계산하고, $\Delta H_r$을 적용한다.
    6. 일부 결합 에너지는 정확하고 일부는 평균값임을 이해한다
    7. 적절한 실험 결과로부터 엔탈피 변화를 계산하며, 그중 관계식 $q = mc\Delta T$과 $\Delta H = -mc\Delta T/n$의 활용을 포함한다.

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

    Reaction profile: activation energy and ΔH
    A blue Bunsen burner flame
    Burning fuel is exothermic, releasing energy to the surroundings.
    An instant cold pack
    An instant cold pack uses an endothermic reaction that takes in heat.

    Every chemical reaction takes in or gives out energy. This energy change, measured at constant pressure, is the enthalpy change 焓变, with symbol $\Delta H$.

    • in an exothermic 放热 reaction the system gives out heat, so the products have less energy than the reactants and $\Delta H$ is negative.
    • in an endothermic 吸热 reaction the system takes in heat, so the products have more energy than the reactants and $\Delta H$ is positive.

    Reaction pathway diagrams

    A reaction pathway diagram 反应路径图 shows the energy of the reactants and products, and the energy "hill" between them. The height of the hill is the activation energy 活化能 — the least energy the particles need before they can react.

    • exothermic: products sit lower than reactants ($\Delta H < 0$).
    • endothermic: products sit higher than reactants ($\Delta H > 0$).
    Two reaction pathway diagrams side by side: an exothermic one with products below the reactants, and an endothermic one with products above
    Exothermic reactions end lower than they start ($\Delta H<0$); endothermic reactions end higher ($\Delta H>0$)

    Standard conditions and types of enthalpy change

    Energy values are compared under standard conditions 标准条件: $298\ \text{K}$ and $101\ \text{kPa}$, shown by the symbol $^{\ominus}$. Each substance is in its normal physical state at those conditions.

    Symbol Name Definition (per mole, under standard conditions)
    $\Delta H_r^{\ominus}$ enthalpy change of reaction 反应焓变 for the amounts shown in the equation
    $\Delta H_f^{\ominus}$ enthalpy change of formation 生成焓变 one mole of a compound forms from its elements
    $\Delta H_c^{\ominus}$ enthalpy change of combustion 燃烧焓变 one mole of a substance burns completely in oxygen
    $\Delta H_{\text{neut}}^{\ominus}$ enthalpy change of neutralisation 中和焓变 one mole of water forms from an acid and an alkali
    Two processes: formation goes from elements to one mole of a compound; combustion goes from one mole of a substance plus oxygen to carbon dioxide and water
    Don't confuse them: formation builds 1 mol of a compound from its elements; combustion burns 1 mol of a substance in oxygen

    Energy from breaking and making bonds

    During a reaction, old bonds break and new bonds form. Breaking a bond needs energy (endothermic); making a bond releases energy (exothermic). The enthalpy change of the reaction is the difference between the two:

    $$\Delta H_r = \sum (\text{bond energies broken}) - \sum (\text{bond energies made})$$

    The bond energy 键能 is the energy needed to break one mole of a particular bond in the gas state, so it is always positive. Some bond energies are exact (for one specific molecule); others are averages taken over many different molecules, so calculations using them are only approximate.

    Worked example. Use bond energies to find $\Delta H$ for $\text{H}_2 + \text{Cl}_2 \rightarrow 2\text{HCl}$. Bond energies (kJ mol⁻¹): H–H $= 436$, Cl–Cl $= 242$, H–Cl $= 431$.

    $$\Delta H = \sum(\text{broken}) - \sum(\text{made}) = (436 + 242) - (2 \times 431) = 678 - 862 = -184\ \text{kJ mol}^{-1}.$$
    A stepped energy diagram: reactants rise to separate gaseous atoms as bonds break, then fall to products as bonds form
    Breaking bonds takes energy in; making bonds gives energy out. $\Delta H$ is the difference between the two

    Measuring enthalpy change in the lab

    When a reaction heats up (or cools down) a known mass of water or solution, the heat transferred is:

    $$q = mc\Delta T$$

    where $m$ is the mass, $c$ is the specific heat capacity 比热容 (how much energy raises 1 g by 1 K), and $\Delta T$ is the temperature change. The enthalpy change per mole is then:

    $$\Delta H = -\frac{mc\Delta T}{n}$$

    The minus sign makes $\Delta H$ negative when the temperature rises (an exothermic reaction).

    Worked example. Burning $0.50\ \text{g}$ of methanol ($M_r = 32$) raises the temperature of $100\ \text{g}$ of water by $18\ ^{\circ}\text{C}$. Find the enthalpy change of combustion per mole. ($c = 4.18\ \text{J g}^{-1}\,\text{K}^{-1}$.)

    The heat released is $q = mc\Delta T = 100 \times 4.18 \times 18 = 7520\ \text{J}$. The amount burnt is $n = 0.50/32 = 0.0156\ \text{mol}$, so

    $$\Delta H_c = -\frac{q}{n} = -\frac{7520}{0.0156} \approx -480\ \text{kJ mol}^{-1}.$$
    An insulated cup of solution with a lid and a thermometer dipping in, used to measure the temperature change
    An insulated cup and a thermometer measure the temperature change of a known mass of solution
    Explore · ⁨탐색하기⁩

    Exothermic and endothermic reactions · ⁨발열 반응 및 흡열 반응⁩

    Drag ΔH. An exothermic reaction releases energy (products lower); an endothermic one takes it in (products higher). · ⁨ΔH를 드래그하세요. 발열 반응은 에너지를 방출(생성물이 낮음)하고, 흡열 반응은 에너지를 흡수(생성물이 높음)합니다.⁩

    Vocabulary · ⁨어휘⁩ Train · ⁨연습하기⁩
    English 한국어
    enthalpy change/enˈθælpi tʃeɪndʒ/ 엔탈피 변화
    exothermic/eɡzəˈðɜːmɪk/ 발열 반응(exothermic)
    endothermic/ˌendəʊˈθɜːmɪk/ 흡열 반응(endothermic)
    reaction pathway diagram/rɪˈækʃn ˈpæθweɪ ˈdaɪəɡræm/ 반응 경로 도표
    activation energy/ˌæktɪˈveɪʃn ˈenədʒi/ 활성화 에너지
    standard conditions/ˈstændəd kənˈdɪʃnz/ 표준 상태
    enthalpy change of reaction/enˈθælpi tʃeɪndʒ ɒv rɪˈækʃn/ 반응 엔탈피 변화
    enthalpy change of formation/enˈθælpi tʃeɪndʒ ɒv fɔːˈmeɪʃn/ 생성 엔탈피 변화
    enthalpy change of combustion/enˈθælpi tʃeɪndʒ ɒv kəmˈbʌstʃn/ 연소 엔탈피 변화
    enthalpy change of neutralisation/enˈθælpi tʃeɪndʒ ɒv ˌnjuːtrəlaɪˈzeɪʃn/ 중화 반응 엔탈피 변화
    bond energy/bɒnd ˈenədʒi/ 결합 에너지
    specific heat capacity/spəˈsɪfɪk hiːt kəˈpæsɪti/ 비열 (specific heat capacity)
    5.2

    Hess's law

    Syllabus
    English
    1. apply Hess’s law to construct simple energy cycles
    2. carry out calculations using cycles and relevant energy terms, including: (a) determining enthalpy changes that cannot be found by direct experiment (b) use of bond energy data
    한국어
    1. 헤스의 법칙을 적용하여 간단한 에너지 순환도를 구축한다
    2. 순환도와 관련된 에너지 항을 사용하여 계산을 수행한다: (a) 직접 실험으로는 알 수 없는 엔탈피 변화 결정, (b) 결합 에너지 데이터 사용

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

    Hess's law 盖斯定律 says that the total enthalpy change for a reaction is the same, no matter which route you take from reactants to products. This is because energy is conserved.

    This lets you draw an energy cycle 能量循环: link the reactants and products by a direct step and by an indirect route, then add the steps so that both routes give the same total.

    A triangular Hess cycle linking reactants and products directly and through an intermediate, with the three enthalpy changes labelled
    The direct route equals the indirect route, so $\Delta H_r = \Delta H_1 + \Delta H_2$

    Hess's law is useful in two ways:

    • it lets you find an enthalpy change that you cannot measure directly (for example, the formation of a compound that forms slowly or with side reactions).
    • it lets you calculate $\Delta H_r$ from bond energy data, or from formation or combustion data given in the question.
    Explore · ⁨탐색하기⁩

    Hess's law cycle · ⁨헤스 법칙 사이클⁩

    Enthalpy change is the same whichever route you take — so an unknown ΔH can be found by an alternative path. · ⁨경로와 상관없이 엔탈피 변화는 동일하므로, 대안적인 경로를 통해 알 수 없는 ΔH를 구할 수 있습니다.⁩

    Vocabulary · ⁨어휘⁩ Train · ⁨연습하기⁩
    English 한국어
    Hess's law/ˈhesɪz lɔː/ 헤스의 법칙
    energy cycle/ˈenədʒi ˈsaɪkl/ 에너지 사이클
    5.2

    Exam tips

    • Define each enthalpy change with its exact standard conditions (e.g. combustion = one mole burned completely in excess oxygen).
    • Use $\Delta H = \sum(\text{bonds broken}) - \sum(\text{bonds made})$; breaking is endothermic ($+$), making is exothermic ($-$) — getting the sign the wrong way round is the classic error.
    • In $q = mc\Delta T$ use the mass of the water/solution, then divide by moles and add the minus sign for an exothermic reaction.
    • Draw Hess cycles with arrows the same way round, follow the alternative route, and always give $\Delta H$ a sign and units ($\text{kJ mol}^{-1}$).
  • 6

    Electrochemistry

    Watch lesson · ⁨수업 보기⁩
    6.1

    Oxidation number

    Syllabus
    English
    1. calculate oxidation numbers of elements in compounds and ions
    2. use changes in oxidation numbers to help balance chemical equations
    3. explain and use the terms redox, oxidation, reduction and disproportionation in terms of electron transfer and changes in oxidation number
    4. explain and use the terms oxidising agent and reducing agent
    5. use a Roman numeral to indicate the magnitude of the oxidation number of an element
    한국어
    1. 화합물 및 이온 속 원소의 산화수를 계산한다
    2. 산화수의 변화를 활용하여 화학 방정식을 평형시킨다
    3. 전자 이동 및 산화수 변화 관점에서 산화 환원(redox), 산화, 환원 및 자기 산화 환원(disproportionation) 용어의 의미와 사용을 설명한다
    4. 산화제 및 환원제 용어의 의미와 사용을 설명한다
    5. 원소의 산화수 크기를 나타내기 위해 로마 숫자를 사용한다

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

    The oxidation number 氧化数 (also called the oxidation state) shows how many electrons 电子 an atom has lost or gained compared with the free element. You work it out using simple rules:

    • an uncombined element has an oxidation number of $0$.
    • a simple ion has an oxidation number equal to its charge (so $\text{Mg}^{2+}$ is $+2$).
    • Group 1 is always $+1$, Group 2 is always $+2$.
    • hydrogen is $+1$ (but $-1$ in metal hydrides).
    • oxygen is $-2$ (but $-1$ in peroxides).
    • fluorine is always $-1$.
    • the oxidation numbers in a neutral compound add up to $0$; in an ion they add up to the charge.

    A Roman numeral shows the size of the oxidation number of an element, for example iron(II) means $+2$ and manganese(VII) in $\text{KMnO}_4$ means $+7$.

    Working out the oxidation number of manganese in KMnO4: potassium is +1, the four oxygens give -8, and since they sum to zero, manganese must be +7
    Assigning an oxidation number: fix the known atoms (K = +1, O = −2 each), then use "they sum to zero" to find the unknown (Mn = +7)

    Worked example. Find the oxidation number of sulfur in the sulfate ion, $\text{SO}_4^{2-}$.

    Each oxygen is $-2$, so the four oxygens give $4 \times (-2) = -8$. In an ion the numbers add up to the charge, here $-2$. If sulfur is $x$:

    $$x + (-8) = -2 \quad\Rightarrow\quad x = +6.$$

    Worked example. Find the oxidation number of nitrogen in the nitrate ion, $\text{NO}_3^-$.

    $$x + 3 \times (-2) = -1 \quad\Rightarrow\quad x - 6 = -1 \quad\Rightarrow\quad x = +5.$$
    Vocabulary · ⁨어휘⁩ Train · ⁨연습하기⁩
    English 한국어
    oxidation number/ˌɒksɪˈdeɪʃn ˈnʌmbə/ 산화수
    electron/ɪˈlektrɒn/ 전자
    6.1

    Redox in terms of electrons

    Several AA batteries
    A battery uses redox reactions to push electrons round a circuit.

    A redox 氧化还原 reaction is one where electrons move from one species to another.

    • oxidation 氧化 is the loss of electrons. The oxidation number goes up.
    • reduction 还原 is the gain of electrons. The oxidation number goes down.

    A useful memory aid is OIL RIG: Oxidation Is Loss, Reduction Is Gain.

    Oxidation and reduction always happen together, because the electrons lost by one species are gained by another. This electron transfer 电子转移 is why we call it a redox reaction.

    Zinc losing two electrons to become Zn2+ while copper ions gain them to become copper, with an arrow showing the electron transfer
    Redox is electron transfer: the reducing agent loses electrons (oxidised, number up); the oxidising agent gains them (reduced, number down)
    Explore · ⁨탐색하기⁩

    Redox is electron transfer · ⁨산화-환원 반응은 전자 이동입니다⁩

    Step through it: the metal loses (is oxidised) and the non-metal gains (is reduced) — oxidation number rises for one, falls for the other. · ⁨단계별 분석: 금속은 전자를 잃고(산화되며), 비금속은 전자를 얻고(환원됩니다) — 한쪽은 산화수가 상승하고 다른 쪽은 하강합니다.⁩

    Vocabulary · ⁨어휘⁩ Train · ⁨연습하기⁩
    English 한국어
    redox/rɪˈdɒks/ 산화 환원
    oxidation/ˌɒksɪˈdeɪʃn/ 산화
    reduction/rɪˈdʌkʃn/ 환원
    electron transfer/ɪˈlektrɒn ˈtrænsfɜː/ 전자 이동
    6.1

    Using oxidation numbers to balance equations

    Changes in oxidation number help you balance a redox equation:

    1. find the element whose oxidation number rises (it is oxidised) and the one whose number falls (it is reduced).
    2. the total rise must equal the total fall, because every electron lost is gained somewhere.
    3. choose the ratio of the two species so the rise and fall match, then balance the rest of the equation.
    Iron rising from +2 to +3 by one and manganese falling from +7 to +2 by five, so five irons balance one permanganate
    Balancing a redox equation: the total rise in oxidation number must equal the total fall, which fixes the ratio

    Worked example. Balance the reaction of manganate(VII) with iron(II) in acid: $\text{MnO}_4^- + \text{Fe}^{2+} + \text{H}^+ \rightarrow \text{Mn}^{2+} + \text{Fe}^{3+} + \text{H}_2\text{O}$.

    Manganese falls from $+7$ to $+2$ (a fall of $5$); iron rises from $+2$ to $+3$ (a rise of $1$). To make the total fall equal the total rise, take $5$ iron ions for every $1$ manganate ion. Then balance oxygen with water ($4\,\text{H}_2\text{O}$) and hydrogen with $\text{H}^+$ ($8\,\text{H}^+$):

    $$\text{MnO}_4^- + 5\text{Fe}^{2+} + 8\text{H}^+ \rightarrow \text{Mn}^{2+} + 5\text{Fe}^{3+} + 4\text{H}_2\text{O}.$$
    6.1

    Disproportionation

    Disproportionation 歧化 is a special redox reaction in which the same element is both oxidised and reduced at the same time. For example, when chlorine reacts with cold water, some chlorine atoms are reduced (to $\text{Cl}^-$) and others are oxidised (to $\text{ClO}^-$).

    An oxidation-number line showing chlorine at 0 going up to +1 in ClO- and down to -1 in Cl-
    Disproportionation: chlorine ($0$) is both oxidised to ClO$^-$ ($+1$) and reduced to Cl$^-$ ($-1$) at once
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    English 한국어
    disproportionation/ˌdɪsprəˈpɔːʃəneɪʃn/ 이종화(분리 disproportionation)
    6.1

    Oxidising and reducing agents

    Rust on an iron surface
    Rusting is the oxidation of iron by oxygen.
    • an oxidising agent 氧化剂 takes electrons away from another species. In doing so, it is itself reduced.
    • a reducing agent 还原剂 gives electrons to another species. In doing so, it is itself oxidised.

    So in any redox reaction, the oxidising agent causes the oxidation of the other species, while the reducing agent causes the reduction.

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    English 한국어
    oxidising agent/ˈɒksɪdaɪzɪŋ ˈeɪdʒənt/ 산화제
    reducing agent/rɪˈdjuːsɪŋ ˈeɪdʒənt/ 환원제
    6.1

    Exam tips

    • Apply the oxidation-number rules in order: O is $-2$ except in peroxides ($-1$); H is $+1$ except in metal hydrides ($-1$).
    • In a redox equation the total increase equals the total decrease in oxidation number — use this to fix the ratio, then balance O with $\text{H}_2\text{O}$ and H with $\text{H}^+$.
    • An oxidising agent is itself reduced; name both what is oxidised/reduced and the agent for full marks.
    • Disproportionation is the same element both oxidised and reduced — show both oxidation-number changes.
  • 7

    Equilibria

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    7.1

    Reversible reactions and dynamic equilibrium

    Syllabus
    1. (a) understand what is meant by a reversible reaction (b) understand what is meant by dynamic equilibrium in terms of the rate of forward and reverse reactions being equal and the concentration of reactants and products remaining constant (c) understand the need for a closed system in order to establish dynamic equilibrium
    2. define Le Chatelier’s principle as: if a change is made to a system at dynamic equilibrium, the position of equilibrium moves to minimise this change
    3. use Le Chatelier’s principle to deduce qualitatively (from appropriate information) the effects of changes in temperature, concentration, pressure or presence of a catalyst on a system at equilibrium
    4. deduce expressions for equilibrium constants in terms of concentrations, $K_c$
    5. use the terms mole fraction and partial pressure
    6. deduce expressions for equilibrium constants in terms of partial pressures, $K_p$ (use of the relationship between $K_p$ and $K_c$ is not required)
    7. use the $K_c$ and $K_p$ expressions to carry out calculations (such calculations will not require the solving of quadratic equations)
    8. calculate the quantities present at equilibrium, given appropriate data
    9. state whether changes in temperature, concentration or pressure or the presence of a catalyst affect the value of the equilibrium constant for a reaction
    10. describe and explain the conditions used in the Haber process and the Contact process, as examples of the importance of an understanding of dynamic equilibrium in the chemical industry and the application of Le Chatelier’s principle

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

    Le Chatelier's principle
    Dynamic equilibrium: the rates converge
    Cobalt(II) chloride solutions of different colours
    Cobalt chloride changes colour as its equilibrium shifts.

    A reversible reaction 可逆反应 can go both ways. The forward reaction 正反应 makes products; the reverse reaction 逆反应 turns products back into reactants. We show this with the sign $\rightleftharpoons$.

    In a closed system 封闭系统 (nothing enters or leaves), the reaction reaches a dynamic equilibrium 动态平衡 when:

    • the rate of the forward reaction equals the rate of the reverse reaction.
    • the concentrations of reactants and products stay constant.

    It is called dynamic because both reactions are still happening — they just cancel out. A closed system is needed, or products would escape and equilibrium could never be reached.

    A graph where the forward rate falls and the reverse rate rises until the two meet and stay equal
    At dynamic equilibrium the forward and reverse rates have become equal, so the concentrations stay constant
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    Dynamic equilibrium

    forward rate = reverse rate

    At equilibrium the position can sit anywhere — change a condition and watch it shift.

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    English 한국어
    reversible reaction/rɪˈvɜːsɪbl rɪˈækʃn/ 가역 반응
    forward reaction/ˈfɔːwəd rɪˈækʃn/ 정반응
    reverse reaction/rɪˈvɜːs rɪˈækʃn/ 역반응
    closed system/kləʊzd ˈsɪstəm/ 밀폐된 시스템
    dynamic equilibrium/daɪˈnæmɪk ˌiːkwɪˈlɪbrɪəm/ 동적 평형
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    7.1

    Le Chatelier's principle

    Le Chatelier's principle 勒夏特列原理 says: if you change a system at equilibrium, the position of equilibrium 平衡 moves to oppose (reduce) that change.

    Change you make Which way the equilibrium moves
    increase concentration of a reactant towards the products
    increase pressure towards the side with fewer gas molecules
    increase temperature towards the endothermic direction
    add a catalyst 催化剂 no shift (it speeds up both ways equally)

    A catalyst lets equilibrium be reached faster, but it does not change the position of equilibrium.

    Three changes each with an arrow showing which way the equilibrium moves: add reactant towards products, raise pressure to the fewer-molecules side, raise temperature in the endothermic direction
    Le Chatelier's principle: the equilibrium always shifts to oppose the change you make
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    Shifting an equilibrium

    Change the temperature, pressure or concentration and watch the equilibrium shift to oppose your change — Le Chatelier's principle in action.

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    English 한국어
    Le Chatelier's principle/lə ˈtʃeɪtlɪəz ˈprɪnsɪpl/ 르 샤를리에의 원리
    equilibrium/ˌiːkwɪˈlɪbrɪəm/ 평형
    catalyst/ˈkætəlɪst/ 촉매
    7.1

    Equilibrium constants

    For a reaction at equilibrium, the equilibrium constant 平衡常数 links the amounts of products and reactants. For the reaction $a\text{A} + b\text{B} \rightleftharpoons c\text{C} + d\text{D}$:

    $$K_c = \frac{[\text{C}]^c\,[\text{D}]^d}{[\text{A}]^a\,[\text{B}]^b}$$

    where the square brackets mean concentration in $\text{mol dm}^{-3}$.

    Worked example. At equilibrium the mixture $\text{H}_2 + \text{I}_2 \rightleftharpoons 2\text{HI}$ has $[\text{H}_2] = 0.20$, $[\text{I}_2] = 0.20$ and $[\text{HI}] = 1.6\ \text{mol dm}^{-3}$. Find $K_c$.

    $$K_c = \frac{[\text{HI}]^2}{[\text{H}_2][\text{I}_2]} = \frac{1.6^2}{0.20 \times 0.20} = 64$$

    (no units here, because the concentration powers cancel top and bottom).

    Worked example (ICE table). $1.00\ \text{mol}$ each of $\text{H}_2$ and $\text{I}_2$ are sealed in a $1.00\ \text{dm}^3$ flask; at equilibrium $0.20\ \text{mol}$ of $\text{H}_2$ remains. Set out an ICE table (Initial, Change, Equilibrium):

    $\text{H}_2$ $\text{I}_2$ $2\text{HI}$
    Initial 1.00 1.00 0
    Change $-0.80$ $-0.80$ $+1.60$
    Equilibrium 0.20 0.20 1.60

    $0.80\ \text{mol}$ of $\text{H}_2$ reacted, so $2\times0.80 = 1.60\ \text{mol}$ HI formed. In the $1.00\ \text{dm}^3$ flask the concentrations equal the moles, so $K_c = \dfrac{1.60^2}{0.20\times0.20} = 64$.

    For reactions of gases, we use partial pressure 分压 instead of concentration. The partial pressure of a gas is the share of the total pressure that it provides. It is found from the mole fraction 摩尔分数 (the fraction of all the moles that are that gas):

    $$\text{partial pressure} = \text{mole fraction} \times \text{total pressure}$$

    The constant written with partial pressures is $K_p$.

    Worked example. A gas mixture holds $2.0\ \text{mol}$ of $\text{N}_2$ and $6.0\ \text{mol}$ of $\text{H}_2$ at a total pressure of $200\ \text{kPa}$. Find the partial pressure of each gas.

    There are $8.0\ \text{mol}$ in total, so

    $$p(\text{N}_2) = \frac{2.0}{8.0} \times 200 = 50\ \text{kPa}, \qquad p(\text{H}_2) = \frac{6.0}{8.0} \times 200 = 150\ \text{kPa}.$$

    Worked example (a numeric $K_p$). For $\text{N}_2 + 3\text{H}_2 \rightleftharpoons 2\text{NH}_3$ the equilibrium partial pressures are $p(\text{N}_2)=20$, $p(\text{H}_2)=40$ and $p(\text{NH}_3)=10\ \text{kPa}$. Then

    $$K_p = \frac{p(\text{NH}_3)^2}{p(\text{N}_2)\,p(\text{H}_2)^3} = \frac{10^2}{20\times40^3} = 7.8\times10^{-5}\ \text{kPa}^{-2},$$
    the units coming from $\dfrac{\text{kPa}^2}{\text{kPa}\times\text{kPa}^3}=\text{kPa}^{-2}$.

    Only temperature changes the value of $K_c$ or $K_p$. Changing concentration or pressure shifts the position of equilibrium but leaves the constant unchanged; adding a catalyst changes neither the constant nor the position — it only makes equilibrium arrive faster.

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    Le Chatelier and Kc

    Change temperature, pressure or concentration and watch the equilibrium shift to oppose it — Kc itself only changes with temperature.

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    English 한국어
    equilibrium constant/ˌiːkwɪˈlɪbrɪəm ˈkɒnstənt/ 평형 상수
    partial pressure/ˈpɑːʃl ˈpreʃə/ 분압
    mole fraction/məʊl ˈfrækʃn/ 몰 분율
    7.1

    The Haber and Contact processes

    A large industrial chemical complex
    Ammonia for fertiliser is made by the Haber process in large industrial plants like this one.

    These two industrial processes are chosen by balancing yield, rate and cost using Le Chatelier's principle.

    • the Haber process 哈伯法 makes ammonia: $\text{N}_2 + 3\text{H}_2 \rightleftharpoons 2\text{NH}_3$ (exothermic). It uses about $450\,°\text{C}$, $200\ \text{atm}$ and an iron catalyst. A low temperature would give more ammonia but too slowly, so a moderate temperature is a compromise.
    • the Contact process 接触法 makes sulfur trioxide: $2\text{SO}_2 + \text{O}_2 \rightleftharpoons 2\text{SO}_3$ (exothermic). It uses about $450\,°\text{C}$, near $1$–$2\ \text{atm}$ and a vanadium(V) oxide catalyst.
    A graph of ammonia yield against temperature for three pressures, yield falling with temperature and rising with pressure, with the operating point marked
    The Haber equilibrium gives more ammonia at lower temperature and higher pressure; about $450\,°$C and $200$ atm is the working compromise
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    The Haber & Contact processes

    compromise: yield vs rate

    High pressure boosts yield; high temperature speeds it up but lowers yield — a compromise.

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    English 한국어
    Haber process/ˈheɪbə ˈprəʊses/ 하버법
    Contact process/ˈkɒntækt ˈprəʊses/ 콘택트법
    7.2

    Acids and bases: the Brønsted–Lowry theory

    Syllabus
    English
    1. state the names and formulas of the common acids, limited to hydrochloric acid, $\text{HCl}$, sulfuric acid, $\text{H}_2\text{SO}_4$, nitric acid, $\text{HNO}_3$, ethanoic acid, $\text{CH}_3\text{COOH}$
    2. state the names and formulas of the common alkalis, limited to sodium hydroxide, $\text{NaOH}$, potassium hydroxide, $\text{KOH}$, ammonia, $\text{NH}_3$
    3. describe the Brønsted–Lowry theory of acids and bases
    4. describe strong acids and strong bases as fully dissociated in aqueous solution and weak acids and weak bases as partially dissociated in aqueous solution
    5. appreciate that water has pH of 7, acid solutions pH of below 7 and alkaline solutions pH of above 7
    6. explain qualitatively the differences in behaviour between strong and weak acids including the reaction with a reactive metal and difference in pH values by use of a pH meter, universal indicator or conductivity
    7. understand that neutralisation reactions occur when $\text{H}^+(\text{aq})$ and $\text{OH}^-(\text{aq})$ form $\text{H}_2\text{O}(\text{l})$
    8. understand that salts are formed in neutralisation reactions
    9. sketch the pH titration curves of titrations using combinations of strong and weak acids with strong and weak alkalis
    10. select suitable indicators for acid-alkali titrations, given appropriate data ($\text{p}K_a$ values will not be used)
    한국어
    1. 일반적인 산의 이름과 식을 나열함. 단, 염산, $\text{HCl}$, 황산, $\text{H}_2\text{SO}_4$, 질산, $\text{HNO}_3$, 아세트산, $\text{CH}_3\text{COOH}$까지로 제한함
    2. 일반적인 염기의 이름과 식을 나열함. 단, 수산화 나트륨, $\text{NaOH}$, 수산화 칼륨, $\text{KOH}$, 암모니아, $\text{NH}_3$까지로 제한함
    3. 브뢴스테드-로리 이론에 따른 산·염기의 개념을 서술함
    4. 강산과 강염기는 수용액 내에서 완전 해리되며, 약산과 약염기는 수용액 내에서 부분 해리됨을 서술함
    5. 물은 pH 7, 산성 용액은 pH 7 미만, 알칼리성 용액은 pH 7 이상임을 이해함
    6. 강산과 약산의 거동 차이를 pH 미터, 유보 indicator 또는 전도도를 사용하여 정성적으로 설명함. 여기에는 활성 금속과의 반응 및 pH 값 차이 포함
    7. 중화 반응이 $\text{H}^+(\text{aq})$와 $\text{OH}^-(\text{aq})$이 결합하여 $\text{H}_2\text{O}(\text{l})$을 형성할 때 일어난다는 것을 이해함
    8. 중화 반응에서 염이 생성됨을 이해함
    9. 강산·약산과 강염기·약염기의 조합으로 이루어지는 적정에서 사용되는 pH 적정 곡선을 스케치함
    10. 적정 실험에 적합한 지시제를 선택함. appropriate data 제공 시 ($\text{p}K_a$ 값은 사용하지 않음)

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

    A proton 质子 is simply an $\text{H}^+$ ion. The Brønsted–Lowry theory defines acids and bases by what they do with protons:

    • an acid 酸 is a proton donor 质子供体 (it gives away $\text{H}^+$).
    • a base 碱 is a proton acceptor 质子受体 (it takes $\text{H}^+$). A base that dissolves in water is called an alkali.
    Hydrogen chloride donating a proton to a water molecule, forming a hydroxonium ion and a chloride ion, with the two conjugate pairs marked
    Brønsted–Lowry: the acid donates a proton ($\text{H}^+$) to the base, making two conjugate acid–base pairs

    Common acids you must know: hydrochloric acid ($\text{HCl}$), sulfuric acid ($\text{H}_2\text{SO}_4$), nitric acid ($\text{HNO}_3$) and ethanoic acid ($\text{CH}_3\text{COOH}$). Common alkalis: sodium hydroxide ($\text{NaOH}$), potassium hydroxide ($\text{KOH}$) and ammonia ($\text{NH}_3$).

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    The pH scale

    Slide the pH or tap a substance — each step down in pH means ten times more H⁺ ions; acids are below 7, alkalis above.

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    English 한국어
    proton/ˈprəʊtɒn/ proton
    acid/ˈæsɪd/ 산성
    proton donor/ˈprəʊtɒn ˈdəʊnə/ 양성자 공여체
    base/beɪs/ 근본(베이스)
    proton acceptor/ˈprəʊtɒn əkˈseptə/ 양성자 수용체
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    7.2

    Strong and weak acids and bases

    This is about how fully an acid or base splits up in water — not how concentrated it is.

    • a strong acid 强酸 or strong base 强碱 is fully dissociated 解离 in water (almost every molecule splits into ions).
    • a weak acid 弱酸 or weak base 弱碱 is only partly dissociated (most molecules stay whole).
    Two beakers at the same concentration: the strong acid full of separate ions, the weak acid full of whole molecules with only a few ions
    Same concentration, different ionisation: a strong acid is fully dissociated into ions; a weak acid stays mostly as whole molecules

    The pH scale measures how acidic a solution is: pure water is pH 7, acids are below 7, and alkalis are above 7. A strong acid has a lower pH than a weak acid of the same concentration.

    You can tell strong and weak acids apart by:

    • reaction with a reactive metal: a strong acid fizzes faster.
    • pH: measured with a pH meter or universal indicator 通用指示剂.
    • electrical conductivity: a strong acid conducts better, because it has more ions.
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    Strong vs weak acids

    A strong acid fully ionises (low pH); a weak acid only partly ionises, so at the same concentration its pH is higher. Slide to compare.

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    English 한국어
    strong acid/strɒŋ ˈæsɪd/ 강산
    strong base/strɒŋ beɪs/ 강염기
    dissociated/dɪˈsəʊsɪeɪtɪd/ 해리된
    weak acid/wiːk ˈæsɪd/ 약산
    weak base/wiːk beɪs/ 약염기
    universal indicator/ˌjuːnɪˈvɜːsl ˈɪndɪkeɪtə/ 범지 지시약
    7.2

    Neutralisation, salts and titration curves

    Neutralisation 中和 happens when the hydrogen ions from an acid react with the hydroxide ions from an alkali:

    $$\text{H}^+(\text{aq}) + \text{OH}^-(\text{aq}) \rightarrow \text{H}_2\text{O}(\text{l})$$

    A salt 盐 is also formed, from the rest of the acid and base.

    In a titration 滴定 you add one solution to another and follow the pH. The titration curve 滴定曲线 has a steep, almost vertical jump near the end point. The exact shape depends on whether each reactant is strong or weak.

    To pick an indicator 指示剂, choose one whose colour change falls inside that steep jump. For a strong acid with a strong base most indicators work; for a weak acid with a strong base you need one that changes in the higher pH range.

    Two titration curves of pH against base added, each with a steep jump at the end point; the weak-acid curve jumps over a higher pH range, with an indicator band shaded
    Titration curves each have a steep pH jump at the end point. The weak-acid jump sits higher, so the indicator must change colour in that range
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    A titration curve

    Add alkali to acid and watch the pH climb. The steep jump is the equivalence point, where the acid is just neutralised.

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    English 한국어
    Neutralisation/ˌnjuːtrəlaɪˈzeɪʃn/ 중화 반응
    salt/sɒlt/ 염
    titration/taɪˈtreɪʃn/ 적정 분석
    titration curve/taɪˈtreɪʃn kɜːv/ 적정 곡선(titration curve)
    indicator/ˈɪndɪkeɪtə/ 지시약
    7.2

    Exam tips

    • Define dynamic equilibrium with all three points: forward and reverse rates equal, concentrations constant, closed system.
    • Answer Le Chatelier questions by stating the change, the direction of shift, and the reason; a catalyst does not shift the position (it speeds both rates).
    • Write $K_c$ as products over reactants, each raised to its balancing number; include state symbols to decide what appears.
    • Justify Haber/Contact conditions as a compromise between yield, rate and cost — do not just quote them.
    • Brønsted: acid = proton donor, base = proton acceptor; conjugate pairs differ by one $\text{H}^+$.
  • 8

    Reaction kinetics

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    8.1

    Rate of reaction

    Syllabus
    English
    1. explain and use the term rate of reaction, frequency of collisions, effective collisions and non-effective collisions
    2. explain qualitatively, in terms of frequency of effective collisions, the effect of concentration and pressure changes on the rate of a reaction
    3. use experimental data to calculate the rate of a reaction
    한국어
    1. 반응 속도, 충돌 빈도, 유효 충돌 및 비유효 충돌이라는 용어의 의미를 설명하고 사용함
    2. 유효 충돌 빈도에 대해, 농도 및 압력 변화가 반응 속도에 미치는 영향을 정성적으로 설명함
    3. 실험 데이터를 사용하여 반응 속도를 계산함

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

    Collision theory: energy and orientation

    The rate of reaction 反应速率 is how fast reactants turn into products. We measure it as the change in concentration (or amount) in each unit of time.

    To react, particles must collide 碰撞. The collision frequency 碰撞频率 is how often the particles hit each other. But not every collision leads to a reaction:

    • an effective collision 有效碰撞 has enough energy and the correct direction, so a reaction happens.
    • a non-effective collision 无效碰撞 does not have enough energy, or the particles hit at the wrong angle, so nothing happens.

    So the rate depends on the frequency of effective collisions — how many useful collisions happen each second.

    Two molecules colliding: when their reactive ends line up a reaction happens, but with the wrong orientation there is no reaction
    A collision only reacts with the right orientation and enough energy (coloured ends = the reactive part)

    Concentration and pressure

    If you increase the concentration of a solution (or the pressure of a gas), the particles are packed closer together. They collide more often, so there are more effective collisions each second, and the rate goes up.

    Two boxes of the same size, the second holding more particles, which therefore collide more often
    More particles in the same volume collide more often, so the rate rises

    You can calculate a rate from experimental data — for example, the volume of gas made divided by the time taken.

    Worked example. A reaction gives off carbon dioxide. In the first $30\ \text{s}$, $48\ \text{cm}^3$ of gas is collected. Find the average rate of reaction over this time.

    $$\text{average rate} = \frac{\text{volume of gas}}{\text{time}} = \frac{48}{30} = 1.6\ \text{cm}^3\,\text{s}^{-1}.$$

    The rate is fastest at the start (the graph is steepest there) because the reactants are most concentrated, then it slows as they are used up.

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    Rate of reaction · ⁨반응 속도⁩

    [A] = [A]₀·bᵗ

    Reactant concentration falls over time as it's used up. · ⁨시간이 지남에 따라 반응물이 소모되면서 농도가 감소합니다.⁩

    Vocabulary · ⁨어휘⁩ Train · ⁨연습하기⁩
    English 한국어
    rate of reaction/reɪt ɒv rɪˈækʃn/ 반응 속도
    collide/kəˈlaɪd/ 충돌하다
    collision frequency/kəˈlɪʒn ˈfriːkwənsi/ 충돌 빈도
    effective collision/ɪˈfektɪv kəˈlɪʒn/ 유효 충돌
    non-effective collision/nɒn ɪˈfektɪv kəˈlɪʒn/ 무효 충돌
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    8.2

    Temperature and activation energy

    Syllabus
    English
    1. define activation energy, $E_A$, as the minimum energy required for a collision to be effective
    2. sketch and use the Boltzmann distribution to explain the significance of activation energy
    3. explain qualitatively, in terms both of the Boltzmann distribution and of frequency of effective collisions, the effect of temperature change on the rate of a reaction
    한국어
    1. 활성화 에너지 $E_A$을 유효 충돌에 필요한 최소 에너지로 정의한다.
    2. 볼츠만 분포를 스케치하고 사용하여 활성화 에너지의 중요성을 설명한다.
    3. 볼츠만 분포와 유효 충돌 빈도两个方面로 temperature change에 따른 반응 속도 변화를 정성적으로 설명한다.

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

    Maxwell-Boltzmann distribution

    The activation energy 活化能 ($E_A$) is the minimum energy a collision needs in order to be effective.

    The Boltzmann distribution 玻尔兹曼分布 is a graph showing how the energies of the molecules are spread out at one temperature. The curve starts at the origin, rises to a peak, then falls away in a long tail. The total area under the curve is the total number of molecules. Only the molecules to the right of $E_A$ have enough energy to react.

    When you raise the temperature:

    • the curve flattens and spreads to the right, so a much larger fraction of molecules now have energy greater than $E_A$.
    • the molecules also move faster and collide more often.

    The first effect is the bigger one. This is why a small rise in temperature gives a large rise in rate.

    Boltzmann distribution curves at a lower and a higher temperature, with the activation energy marked and the reacting fraction shaded
    At higher temperature the curve spreads to the right, so a larger fraction of molecules can react
    Explore · ⁨탐색하기⁩

    Why heat speeds up reactions · ⁨열이 반응을 가속시키는 이유⁩

    Raise the temperature: the curve spreads right, so more molecules have at least the activation energy and can react. · ⁨온도를 높이면 곡선이 오른쪽으로 넓어져, 더 많은 분자가 활성화 에너지 이상의 에너지를 가져 반응할 수 있게 됩니다.⁩

    Vocabulary · ⁨어휘⁩ Train · ⁨연습하기⁩
    English 한국어
    activation energy/ˌæktɪˈveɪʃn ˈenədʒi/ 활성화 에너지
    Boltzmann distribution/ˈbɒltsmən ˌdɪstrɪˈbjuːʃn/ 볼츠만 분포
    Watch lesson · ⁨수업 보기⁩
    8.3

    Catalysts

    Syllabus
    English
    1. explain and use the terms catalyst and catalysis: (a) explain that, in the presence of a catalyst, a reaction has a different mechanism, i.e. one of lower activation energy (b) explain this catalytic effect in terms of the Boltzmann distribution (c) construct and interpret a reaction pathway diagram, for a reaction in the presence and absence of an effective catalyst
    한국어
    1. 촉매(catalyst) 및 촉매 작용(catalysis) 용어의 의미와 활용을 설명한다: (a) 촉매 존재 시 반응 기전이 다르며, 즉 활성화 에너지가 낮은 경로임을 설명함 (b) 볼츠만 분포를 통해 이 촉매 효과를 설명함 (c) 유효 촉매 존재 여부에 따른 반응 경로를 구성하고 해석하는 도표 작성

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

    Reaction profile: a catalyst's lower-energy route

    A catalyst 催化剂 speeds up a reaction but is not used up itself. Catalysis 催化作用 is the name for this action.

    A catalyst works by giving the reaction a different reaction mechanism 反应机理 — a new route with a lower activation energy. On the Boltzmann distribution, lowering $E_A$ moves the line to the left, so more molecules now have enough energy. This means more effective collisions each second, and a faster rate.

    On a reaction pathway diagram 反应路径图, the catalysed route has a lower energy "hill". The enthalpy change of the reaction, $\Delta H$, is not changed by the catalyst.

    Reaction pathway diagram comparing the catalysed and uncatalysed routes, with a lower activation energy hill for the catalysed route and the same enthalpy change
    A catalyst gives a route with lower activation energy; the enthalpy change is unchanged

    There are two types:

    • a homogeneous catalyst 均相催化剂 is in the same physical state as the reactants — for example, an acid catalyst dissolved in a solution of liquids.
    • a heterogeneous catalyst 多相催化剂 is in a different state from the reactants — for example, solid iron speeding up the reaction of gases in the Haber process.
    Two panels: a homogeneous catalyst mixed in with the reactant particles in the same state, and a heterogeneous catalyst as a separate solid surface with reactants above it
    A homogeneous catalyst is mixed in with the reactants (same state); a heterogeneous catalyst is a separate surface (different state), where reactants meet and react
    A cylindrical catalytic converter block with a fine honeycomb surface — a real heterogeneous catalyst
    A car's catalytic converter is a heterogeneous catalyst; its honeycomb gives a huge surface area
    Explore · ⁨탐색하기⁩

    Catalysts · ⁨촉매⁩

    a catalyst lowers Ea · ⁨촉매는 Ea를 낮춤⁩

    A catalyst lowers Ea, so a bigger fraction of molecules can react — without heating. · ⁨촉매는 Ea를 낮추므로 더 많은 비율의 분자가 가열 없이도 반응할 수 있게 합니다.⁩

    Explore · ⁨탐색하기⁩

    How a catalyst works · ⁨촉매의 작용 원리⁩

    Add a catalyst and watch the activation-energy barrier drop — it gives an easier route, without changing ΔH. · ⁨촉매를 추가하면 활성화 에너지 장벽이 낮아지는 것을 볼 수 있습니다—ΔH는 변하지 않지만 더 쉬운 경로를 제공합니다.⁩

    Vocabulary · ⁨어휘⁩ Train · ⁨연습하기⁩
    English 한국어
    catalyst/ˈkætəlɪst/ 촉매
    catalysis/kæˈtæləsɪs/ 촉매 작용
    reaction mechanism/rɪˈækʃn ˈmekənɪzəm/ 반응 기전
    reaction pathway diagram/rɪˈækʃn ˈpæθweɪ ˈdaɪəɡræm/ 반응 경로 도표
    homogeneous catalyst/həˈməʊdʒnɪəs ˈkætəlɪst/ 동종 촉매(homogeneous catalyst)
    heterogeneous catalyst/ˌhetrəˈdʒiːnɪəs ˈkætəlɪst/ 이종 촉매(heterogeneous catalyst)
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    8.3

    Exam tips

    • Explain rate changes with collision theory — more frequent and/or more energetic effective collisions.
    • On a Boltzmann distribution mark $E_A$, shade to its right, and show the curve flatten and shift right at higher temperature; it starts at the origin and never touches the axis.
    • A catalyst gives an alternative route with lower $E_A$ and does not change $\Delta H$.
    • Say why a small temperature rise gives a large rate rise: a much greater proportion of molecules now exceed $E_A$ (the main effect).
  • 9

    The Periodic Table: chemical periodicity

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    9.1

    Physical properties across Period 3

    Syllabus
    English
    1. describe qualitatively (and indicate the periodicity in) the variations in atomic radius, ionic radius, melting point and electrical conductivity of the elements
    2. explain the variation in melting point and electrical conductivity in terms of the structure and bonding of the elements
    한국어
    1. 원소들의 원자 반경, 이온 반경, 융점 및 전기 전도성의 변화를 정성적으로 서술하고(주기성을 나타냄)
    2. 원소들의 구조와 결합 특성에 따라 융점 및 전기 전도성이 변하는 이유를 설명한다.

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

    A periodic table display
    Properties repeat in a regular pattern across each period of the table.

    Periodicity 周期性 means that properties repeat in a regular pattern as you go across each period 周期 of the Periodic Table. Period 3 (Na to Ar) is the standard example.

    A row of atoms from sodium to chlorine shrinking from left to right, with nuclear charge rising from +11 to +17
    Atomic radius decreases across Period 3: the rising nuclear charge pulls the same outer shell inwards
    Property Trend across Period 3
    atomic radius 原子半径 gets smaller (more nuclear charge pulls the same shell in)
    ionic radius 离子半径 positive ions are small; from $\text{P}^{3-}$ onwards the negative ions are larger
    melting point 熔点 rises to a peak at silicon, then falls sharply
    electrical conductivity 导电性 high for Na, Mg, Al; almost zero from Si onwards

    The melting point and conductivity follow from the structure and bonding:

    • Na, Mg, Al are giant metallic 金属晶体. Melting points rise (Na → Al) because each atom gives more delocalised electrons and the ions get smaller, so the bonding is stronger. They conduct well.
    • Si is giant molecular 原子晶体 (giant covalent). It has the highest melting point, because strong covalent bonds must be broken. It barely conducts.
    • P, S, Cl, Ar are simple molecular 分子晶体 (or single atoms). Their melting points are low, because the only forces that break are the weak van der Waals' forces 范德华力 between the molecules - the strong covalent bonds inside each molecule are never broken at all. They do not conduct.

    Name van der Waals' forces when you explain that drop: it is the marking point, and "the covalent bonds are weak" is the error that loses it. Melting $\text{S}_8$ pulls whole molecules apart from each other; it does not touch a single $\text{S–S}$ bond. Their sizes still follow the molecule: $\text{S}_8$ melts higher than $\text{P}_4$ because it is bigger, with more electrons and so stronger van der Waals' forces, while $\text{Ar}$ (a single atom) is lowest of all.

    A graph of melting point across Period 3 rising through the metals to a sharp peak at silicon, then dropping to the simple molecular elements
    Melting point across Period 3 peaks at silicon (giant covalent); it is high for the metals and low for the simple molecular elements
    Explore · ⁨탐색하기⁩

    Trends across Period 3 · ⁨3주기 전반의 경향⁩

    Switch between atomic radius, ionisation energy and melting point, and step across Period 3 to see each periodic trend. · ⁨원자 반지름, 이온화 에너지, 융점을 전환하며 3주기에 걸쳐 이동하면 각 주기적 경향을 확인할 수 있습니다.⁩

    Vocabulary · ⁨어휘⁩ Train · ⁨연습하기⁩
    English 한국어
    periodicity/ˌpɪərɪˌɒˈdɪsɪti/ 주기적 성질
    period/ˈpɪərɪəd/ 주기
    atomic radius/əˈtɒmɪk ˈreɪdɪəs/ 원자 반경
    ionic radius/aɪˈɒnɪk ˈreɪdɪəs/ 이온 반경
    melting point/ˈmeltɪŋ pɔɪnt/ 융점
    electrical conductivity/ɪˈlektrɪkl kɒndəkˈtɪvɪti/ 전기 전도도
    giant metallic/ˈdʒaɪənt məˈtælɪk/ 거대 금속성
    giant molecular/ˈdʒaɪənt məˈlekjʊlə/ 거대 분자성
    simple molecular/ˈsɪmpl məˈlekjʊlə/ 간단 분자성
    van der Waals' forces/ˈvændɜː wɑːlz ˈfɔːsɪz/ 반 데르 발스 힘
    9.2

    Chemical properties across Period 3

    Syllabus
    English
    1. describe, and write equations for, the reactions of the elements with oxygen (to give $\text{Na}_2\text{O}$, $\text{MgO}$, $\text{Al}_2\text{O}_3$, $\text{P}_4\text{O}_{10}$, $\text{SO}_2$), chlorine (to give $\text{NaCl}$, $\text{MgCl}_2$, $\text{AlCl}_3$, $\text{SiCl}_4$, $\text{PCl}_5$) and water ($\text{Na}$ and $\text{Mg}$ only)
    2. state and explain the variation in the oxidation number of the oxides ($\text{Na}_2\text{O}$, $\text{MgO}$, $\text{Al}_2\text{O}_3$, $\text{P}_4\text{O}_{10}$, $\text{SO}_2$ and $\text{SO}_3$ only) and chlorides ($\text{NaCl}$, $\text{MgCl}_2$, $\text{AlCl}_3$, $\text{SiCl}_4$, $\text{PCl}_5$ only) in terms of their outer shell (valence shell) electrons
    3. describe, and write equations for, the reactions, if any, of the oxides $\text{Na}_2\text{O}$, $\text{MgO}$, $\text{Al}_2\text{O}_3$, $\text{SiO}_2$, $\text{P}_4\text{O}_{10}$, $\text{SO}_2$ and $\text{SO}_3$ with water including the likely pHs of the solutions obtained
    4. describe, explain, and write equations for, the acid/base behaviour of the oxides $\text{Na}_2\text{O}$, $\text{MgO}$, $\text{Al}_2\text{O}_3$, $\text{P}_4\text{O}_{10}$, $\text{SO}_2$ and $\text{SO}_3$ and the hydroxides $\text{NaOH}$, $\text{Mg(OH)}_2$ and $\text{Al(OH)}_3$ including, where relevant, amphoteric behaviour in reactions with acids and bases (sodium hydroxide only)
    5. describe, explain, and write equations for, the reactions of the chlorides $\text{NaCl}$, $\text{MgCl}_2$, $\text{AlCl}_3$, $\text{SiCl}_4$, $\text{PCl}_5$ with water including the likely pHs of the solutions obtained
    6. explain the variations and trends in 9.2.2, 9.2.3, 9.2.4 and 9.2.5 in terms of bonding and electronegativity
    7. suggest the types of chemical bonding present in the chlorides and oxides from observations of their chemical and physical properties
    한국어
    1. 산소(생성물: $\text{Na}_2\text{O}$, $\text{MgO}$, $\text{Al}_2\text{O}_3$, $\text{P}_4\text{O}_{10}$, $\text{SO}_2$), 염소(생성물: $\text{NaCl}$, $\text{MgCl}_2$, $\text{AlCl}_3$, $\text{SiCl}_4$, $\text{PCl}_5$), 그리고 물($\text{Na}$과 $\text{Mg}$만)과의 반응을 서술하고 화학 방정식을 기입한다.
    2. 산化物($\text{Na}_2\text{O}$, $\text{MgO}$, $\text{Al}_2\text{O}_3$, $\text{P}_4\text{O}_{10}$, $\text{SO}_2$ 및 $\text{SO}_3$만) 및 염化物($\text{NaCl}$, $\text{MgCl}_2$, $\text{AlCl}_3$, $\text{SiCl}_4$ 및 $\text{PCl}_5$만)의 산화수 변화를 서술하고 외궤도(valence shell) 전자에 기반하여 설명한다.
    3. 산化物 $\text{Na}_2\text{O}$, $\text{MgO}$, $\text{Al}_2\text{O}_3$, $\text{SiO}_2$, $\text{P}_4\text{O}_{10}$, $\text{SO}_2$ 및 $\text{SO}_3$과 물의 반응(있을 경우)을 서술하고 화학 방정식을 기입하며, 얻어지는 용액의 예상 pH를 명시한다.
    4. 산化物 $\text{Na}_2\text{O}$, $\text{MgO}$, $\text{Al}_2\text{O}_3$, $\text{P}_4\text{O}_{10}$, $\text{SO}_2$ 및 $\text{SO}_3$ 및 수산화물 $\text{NaOH}$, $\text{Mg(OH)}_2$, $\text{Al(OH)}_3$의 산/염기 거동을 서술, 설명하고 화학 방정식을 기입한다. 해당되는 경우, 산과 염기(수산화나트륨만)와의 반응에서 나타나는 양성(amphoteric) 거동도 포함한다.
    5. 염화물 $\text{NaCl}$, $\text{MgCl}_2$, $\text{AlCl}_3$, $\text{SiCl}_4$, $\text{PCl}_5$의 물과의 반응에 대해 서술하고 설명하며, 해당 반응의 화학 방정식을 쓰고, 얻어지는 용액의 예상 pH를 제시할 수 있다
    6. 결합과 전기음성도의 관점에서 9.2.2, 9.2.3, 9.2.4 및 9.2.5의 변화와 경향을 설명할 수 있다
    7. 염화물과 산화물의 화학적·물리적 성질 관찰을 바탕으로 존재하는 화학 결합의 유형을 제안할 수 있다

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

    Reactions with oxygen, chlorine and water

    With oxygen:

    $$4\text{Na} + \text{O}_2 \rightarrow 2\text{Na}_2\text{O} \qquad 2\text{Mg} + \text{O}_2 \rightarrow 2\text{MgO} \qquad 4\text{Al} + 3\text{O}_2 \rightarrow 2\text{Al}_2\text{O}_3$$
    $$\text{P}_4 + 5\text{O}_2 \rightarrow \text{P}_4\text{O}_{10} \qquad \text{S} + \text{O}_2 \rightarrow \text{SO}_2$$

    With chlorine:

    $$2\text{Na} + \text{Cl}_2 \rightarrow 2\text{NaCl} \qquad \text{Mg} + \text{Cl}_2 \rightarrow \text{MgCl}_2 \qquad 2\text{Al} + 3\text{Cl}_2 \rightarrow 2\text{AlCl}_3$$
    $$\text{Si} + 2\text{Cl}_2 \rightarrow \text{SiCl}_4 \qquad 2\text{P} + 5\text{Cl}_2 \rightarrow 2\text{PCl}_5$$

    With water (only Na and Mg react):

    $$2\text{Na} + 2\text{H}_2\text{O} \rightarrow 2\text{NaOH} + \text{H}_2 \qquad \text{Mg} + 2\text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{Mg(OH)}_2 + \text{H}_2$$

    Sodium reacts fast; magnesium reacts only very slowly with cold water.

    Oxidation number of the oxides and chlorides

    The oxidation number 氧化数 of the Period 3 element in its oxide or chloride rises across the period, because it equals the number of outer-shell (valence shell 价层) electrons 电子 the atom uses in bonding:

    Oxides $\text{Na}_2\text{O}$ $\text{MgO}$ $\text{Al}_2\text{O}_3$ $\text{P}_4\text{O}_{10}$ $\text{SO}_2$ / $\text{SO}_3$
    oxidation number $+1$ $+2$ $+3$ $+5$ $+4$ / $+6$

    The chlorides $\text{NaCl}$, $\text{MgCl}_2$, $\text{AlCl}_3$, $\text{SiCl}_4$, $\text{PCl}_5$ show oxidation numbers $+1$ to $+5$ in the same way.

    Oxides with water, and acid–base behaviour

    Across the period the oxides 氧化物 change from basic to acidic:

    A coloured bar split into basic, amphoteric and acidic regions, with the Period 3 oxides placed along it from Na2O to SO3 and approximate pH values
    The Period 3 oxides change from basic (the metals) through amphoteric (Al$_2$O$_3$) to acidic (the non-metals)
    Oxide With water Acid–base nature Approximate pH
    $\text{Na}_2\text{O}$ $\text{Na}_2\text{O} + \text{H}_2\text{O} \rightarrow 2\text{NaOH}$ basic 13–14
    $\text{MgO}$ $\text{MgO} + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{Mg(OH)}_2$ basic 9–10
    $\text{Al}_2\text{O}_3$ insoluble amphoteric 两性 7
    $\text{SiO}_2$ insoluble weakly acidic 7
    $\text{P}_4\text{O}_{10}$ $\text{P}_4\text{O}_{10} + 6\text{H}_2\text{O} \rightarrow 4\text{H}_3\text{PO}_4$ acidic 1–2
    $\text{SO}_3$ $\text{SO}_3 + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{H}_2\text{SO}_4$ strongly acidic 0–1

    Metal oxides (left) are basic; non-metal oxides (right) are acidic. $\text{Al}_2\text{O}_3$ and its hydroxide 氢氧化物 $\text{Al(OH)}_3$ are amphoteric — they react with both acids and bases:

    $$\text{Al}_2\text{O}_3 + 6\text{HCl} \rightarrow 2\text{AlCl}_3 + 3\text{H}_2\text{O}$$
    $$\text{Al}_2\text{O}_3 + 2\text{NaOH} + 3\text{H}_2\text{O} \rightarrow 2\text{NaAl(OH)}_4$$
    Aluminium oxide in the centre reacting to the left with acid and to the right with base
    Aluminium oxide is amphoteric — it reacts with acids (behaving as a base) and with bases (behaving as an acid)

    Chlorides with water

    • $\text{NaCl}$ and $\text{MgCl}_2$ are ionic. They simply dissolve, giving a near-neutral solution.
    • $\text{SiCl}_4$ and $\text{PCl}_5$ are covalent. They undergo hydrolysis 水解 (react with water) to make acidic solutions and fumes of $\text{HCl}$:
    $$\text{SiCl}_4 + 2\text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{SiO}_2 + 4\text{HCl} \qquad \text{PCl}_5 + 4\text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{H}_3\text{PO}_4 + 5\text{HCl}$$
    Two routes: the ionic chlorides dissolve to a neutral solution, while the covalent chlorides hydrolyse to an acidic solution and HCl fumes
    The ionic chlorides just dissolve (neutral); the covalent chlorides react with water (hydrolyse) to give an acidic solution and HCl fumes

    Explaining the trends

    These trends follow from the change in bonding and electronegativity 电负性. On the left, the elements are metals with low electronegativity, so their oxides and chlorides are ionic and basic (or neutral). On the right, the elements are non-metals with high electronegativity, so their oxides and chlorides are covalent and acidic. You can use a chloride's or oxide's properties (melting point, conductivity, effect on water) to suggest whether its bonding is ionic or covalent.

    Worked example. Predict the pH when $\text{Na}_2\text{O}$, $\text{Al}_2\text{O}_3$ and $\text{SO}_3$ are each added to water. Acid-base character follows the metal to non-metal change across Period 3. $\text{Na}_2\text{O}$ is ionic and basic: it dissolves to give $\text{NaOH}$, so the pH is about 13. $\text{SO}_3$ is covalent and acidic: it reacts to give $\text{H}_2\text{SO}_4$, so the pH is about 1. $\text{Al}_2\text{O}_3$ sits at the changeover - it is amphoteric and essentially insoluble in water, so the pH stays about 7. The trap is that last one: amphoteric does not mean neutral, it means the oxide reacts with acids and with alkalis - it simply does not react with water.

    Explore · ⁨탐색하기⁩

    Period 3 reaction lab · ⁨3주기 반응 실험⁩

    Classify Period 3 reactions by what they reveal about bonding and acidity. · ⁨결합 및 산염기 특성에 대해 알려주는 것을 기준으로 3주기의 반응을 분류하십시오.⁩

    Explore · ⁨탐색하기⁩

    Oxide and chloride hydrolysis route · ⁨산化物 및 염化物 가수분해 경로⁩

    Follow how Period 3 oxides and chlorides change pH in water. · ⁨3주기 산化物 및 염化物이 물에서 pH가 어떻게 변하는지 확인하세요.⁩

    Vocabulary · ⁨어휘⁩ Train · ⁨연습하기⁩
    English 한국어
    oxidation number/ˌɒksɪˈdeɪʃn ˈnʌmbə/ 산화수
    valence shell/ˈveɪləns ʃel/ 가전 질
    electron/ɪˈlektrɒn/ 전자
    oxide/ˈɒksaɪd/ 산化物
    amphoteric/ˌæmfəʊˈterɪk/ 양성성입니다
    hydroxide/haɪˈdrɒksaɪd/ 수산화
    hydrolysis/haɪˈdrɒləsɪs/ 가수분해(hydrolysis)
    electronegativity/ɪˌlektrəʊŋɡəˈtɪvɪti/ 전자 양성도
    9.3

    Periodicity of other elements

    Syllabus
    English
    1. predict the characteristic properties of an element in a given group by using knowledge of chemical periodicity
    2. deduce the nature, possible position in the Periodic Table and identity of unknown elements from given information about physical and chemical properties
    한국어
    1. 화학 주기율에 대한 지식을 활용하여 주어진 족에 속한 원소의 특징적인 성질을 예측할 수 있다
    2. 주어진 물리적·화학적 성질에 대한 정보를 바탕으로 미지의 원소의 성격, 주기율표에서 Possible인 위치, 그리고 정체를 추론할 수 있다

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

    The same idea works for any group. If you know the pattern down a group and across a period, you can:

    • predict the properties of an element from its position (for example, a Group 1 element will be a reactive metal forming a $+1$ ion).
    • deduce the likely position and identity of an unknown element from its physical and chemical properties.
    Explore · ⁨탐색하기⁩

    Periodic trends · ⁨주기적 경향⁩

    Step across Period 3 to see a property rise or fall, then repeat in the next period — that recurring pattern is periodicity. · ⁨第 3 周期を横断して性質が上昇するか下降するかを確認し、次の周期でも繰り返す — この繰り返されるパターンを 周期性 という。⁩

    9.3

    Exam tips

    • Always pair the trend with its reason: atomic radius falls across Period 3 (rising nuclear charge, similar shielding).
    • Explain the melting-point pattern by structure: giant metallic (Na→Al), giant covalent (Si, highest), then simple molecular ($\text{P}_4$, $\text{S}_8$, $\text{Cl}_2$) and monatomic (Ar).
    • Oxides go basic → amphoteric ($\text{Al}_2\text{O}_3$) → acidic across the period; link to ionic-to-covalent bonding.
    • For reactions of oxides/chlorides with water, give the products and the resulting pH.
  • 10

    Group 2

    Watch lesson · ⁨수업 보기⁩
    10.1

    The Group 2 metals · ⁨2족 금속⁩

    Syllabus
    English
    1. describe, and write equations for, the reactions of the elements with oxygen, water and dilute hydrochloric and sulfuric acids
    2. describe, and write equations for, the reactions of the oxides, hydroxides and carbonates with water and dilute hydrochloric and sulfuric acids
    3. describe, and write equations for, the thermal decomposition of the nitrates and carbonates, to include the trend in thermal stabilities
    4. describe, and make predictions from, the trends in physical and chemical properties of the elements involved in the reactions in 10.1.1 and the compounds involved in 10.1.2, 10.1.3 and 10.1.5
    5. state the variation in the solubilities of the hydroxides and sulfates
    한국어
    1. 산소, 물, 희석 염산 및 황산과의 원소 반응 서술 및 화학 방정식 작성
    2. 산化物, 수산화물 및 탄산염이 물, 희석 염산 및 황산과 반응하는 것 서술 및 화학 방정식 작성
    3. 질산염 및 탄산염의 열분해 서술 및 화학 방정식 작성. 열적 안정성의 경향 포함
    4. 10.1.1의 반응에 관여한 원소 및 10.1.2, 10.1.3, 10.1.5의 화합물에 대한 물리적·화학적 성질 경향 서술 및 예측
    5. 수산화물 및 황산염의 용해도 변화를 서술

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

    English

    Group 族 2 holds the metals magnesium, calcium, strontium and barium. They all have two outer electrons, which they lose to form $2+$ ions. Going down the group, the atoms get larger and the outer electrons are easier to lose, so the metals get more reactive — their reactivity 反应活性 increases down the group.

    Reactions of the elements

    With oxygen, they burn to form an oxide:

    $$2\text{Mg} + \text{O}_2 \rightarrow 2\text{MgO}$$

    With water, they form a hydroxide and hydrogen. The reaction gets faster down the group:

    $$\text{Ca} + 2\text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{Ca(OH)}_2 + \text{H}_2$$

    Magnesium is slow with cold water but reacts fast with steam, giving $\text{MgO}$ and $\text{H}_2$.

    With dilute hydrochloric or sulfuric acid, they form a salt and hydrogen:

    $$\text{Mg} + 2\text{HCl} \rightarrow \text{MgCl}_2 + \text{H}_2 \qquad \text{Mg} + \text{H}_2\text{SO}_4 \rightarrow \text{MgSO}_4 + \text{H}_2$$

    With sulfuric acid the reaction slows down the group, because the sulfates 硫酸盐 formed (such as $\text{BaSO}_4$) are insoluble and coat the metal.

    Reactions of the compounds

    The oxides 氧化物 and hydroxides 氢氧化物 are basic. They react with water and with dilute acids:

    $$\text{MgO} + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{Mg(OH)}_2 \qquad \text{Mg(OH)}_2 + 2\text{HCl} \rightarrow \text{MgCl}_2 + 2\text{H}_2\text{O}$$

    The carbonates 碳酸盐 react with dilute acids to give a salt, water and carbon dioxide:

    $$\text{CaCO}_3 + 2\text{HCl} \rightarrow \text{CaCl}_2 + \text{H}_2\text{O} + \text{CO}_2$$

    Thermal decomposition

    Thermal decomposition 热分解 means breaking a compound apart by heating it.

    • the carbonates break into the oxide and carbon dioxide:
    $$\text{CaCO}_3 \rightarrow \text{CaO} + \text{CO}_2$$
    • the nitrates 硝酸盐 break into the oxide, brown nitrogen dioxide gas and oxygen:
    $$2\text{Ca(NO}_3)_2 \rightarrow 2\text{CaO} + 4\text{NO}_2 + \text{O}_2$$

    The thermal stability 热稳定性 of both the carbonates and the nitrates increases down the group. A larger metal ion pulls less on the carbonate or nitrate ion, so the compound is harder to break apart — it needs a higher temperature. So magnesium carbonate decomposes most easily, and barium carbonate is the hardest.

    Trends in solubility

    Compound Trend in solubility 溶解度 down the group
    hydroxides increase (Mg(OH)$_2$ almost insoluble; Ba(OH)$_2$ soluble)
    sulfates decrease (MgSO$_4$ soluble; BaSO$_4$ insoluble)

    From these trends you can predict the properties of the next element down, radium, and of its compounds.

    Worked example. $\text{MgCO}_3$ decomposes at about $540\ °\text{C}$ and $\text{BaCO}_3$ at about $1360\ °\text{C}$. Explain the trend and predict where $\text{CaCO}_3$ sits. Going down Group 2 the cation gets larger, so its charge is spread over a bigger surface and its polarising power falls. A less polarising cation distorts the carbonate ion less, so the $\text{C-O}$ bond is weakened less and more heat is needed to break it. Thermal stability therefore increases down the group, and $\text{CaCO}_3$, lying between Mg and Ba, decomposes at an intermediate temperature of about $900\ °\text{C}$. Argue the whole chain - cation size, then polarising power, then distortion of the anion; "it is more reactive" explains nothing here.

    한국어
    탄산칼슘의 해안 석회암 절벽
    석회암은 탄산칼슘이다 - 2족 금속 칼슘의 화합물.

    그룹 2에는 마그네슘, 칼슘, 스트론티움 및 바륨의 금속들이 포함됩니다. 이들은 모두 바깥 껍질 전자 2개를 가지고 있으며, 이를 잃어 $2+$ 이온을 형성합니다. 아래로 내려갈수록 원자는 커지고 바깥 껍질 전자를 잃기 쉬워지므로 금속들은 더 반응성이 높아집니다—즉, 그룹 아래로 갈수록 반응성이 증가합니다.

    마그네슘부터 바륨까지 크기가 커지는 2족 원子和一个标有反应性增加的向下箭头
    2족을 내려갈수록 반응성이 증가한다: 더 큰 원자는 두 개의 최외전자를 덜 강하게 묶어 놓으므로 더 쉽게 잃어진다

    원소들의 반응

    산소와 반응하면 산소를 만들어 연소한다:

    $$2\text{Mg} + \text{O}_2 \rightarrow 2\text{MgO}$$
    플라이어에 잡힌 마그네슘 줄기가 눈부신 흰빛과 함께 타오르며 산화마그네슘의 흰 연기를 내보냅니다
    마그네슘은 공기 중에서 밝은 흰색 불꽃으로 타오르며 흰색 산화마그네슘을 형성함

    물과 반응하면 수산화물과 수소 가스를 만든다. 반응은 족을 내려갈수록 빨라진다:

    $$\text{Ca} + 2\text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{Ca(OH)}_2 + \text{H}_2$$

    마그네슘은 찬물에서는 느리지만 증기에서는 빠르게 반응하여 $\text{MgO}$과 $\text{H}_2$을 생성한다.

    희석 염산 또는 황산과 반응하면 염과 수소를 만든다:

    $$\text{Mg} + 2\text{HCl} \rightarrow \text{MgCl}_2 + \text{H}_2 \qquad \text{Mg} + \text{H}_2\text{SO}_4 \rightarrow \text{MgSO}_4 + \text{H}_2$$

    황산과의 반응은 족을 내려갈수록 느려지는데,-formed sulfates (such as $\text{BaSO}_4$) are insoluble and coat the metal.

    화합물들의 반응

    산화물과 수산화물은 염기성이다. 그들은 물과 희석 산과 반응한다:

    $$\text{MgO} + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{Mg(OH)}_2 \qquad \text{Mg(OH)}_2 + 2\text{HCl} \rightarrow \text{MgCl}_2 + 2\text{H}_2\text{O}$$

    탄산염은 희석 산과 반응하여 염, 물 및 이산화탄소를 생성한다:

    $$\text{CaCO}_3 + 2\text{HCl} \rightarrow \text{CaCl}_2 + \text{H}_2\text{O} + \text{CO}_2$$

    열분해

    열분해는 화합물을 가열하여 분리시키는 것을 의미한다.

    • 탄산염은 산화와 이산화탄소로 쪼개진다:
    $$\text{CaCO}_3 \rightarrow \text{CaO} + \text{CO}_2$$
    • 질산염은 산화물, 갈색 질소 산화물 가스 및 산소로 쪼개진다:
    $$2\text{Ca(NO}_3)_2 \rightarrow 2\text{CaO} + 4\text{NO}_2 + \text{O}_2$$

    탄산염과 질산염의 열 안정성은 모두 을 내려갈수록 증가한다. 더 큰 금속 이온은 탄산염이나 질산염 이온을 덜 끌어당하므로 화합물이 쪼개지기 어렵다 - 더 높은 온도가 필요하다. 따라서 탄산마그네슘이 가장 쉽게 분해되고, 탄산바륨이 가장难分解。

    작은 마그네슘 이온이 탄산염 이온을 심하게 왜곡하고 큰 바륨 이온은 거의 왜곡하지 않음
    열 안정성은 족을 내려갈수록 상승한다: 작은 양이온은 탄산염 이온을 더 극화(왜곡)시켜 약화시키므로 더 쉽게 분해됨

    용해도의 경향

    화합물 족을 내려가는 용해도의 경향
    수산화물 증가 (Mg(OH)$_2$ 거의 불용; Ba(OH)$_2$ 용용)
    황산염 감소 (MgSO$_4$ 용용; BaSO$_4$ 불용)
    두 로그 스케일 선이 교차: 수산화물 용해도는 Mg에서 Ba로 상승하고 황산염 용해도는 하락함
    2족을 내려갈수록 수산화물은 더 잘 녹고 황산염은 더 잘 녹지 않는다(로그 스케일 참고)

    이러한 경향으로부터 다음 원소인 라듐과 그 화합물의 성질을 예측할 수 있다.

    작은 예제. $\text{MgCO}_3$는 약 $540\ °\text{C}$에서 분해되고, $\text{BaCO}_3$는 약 $1360\ °\text{C}$에서 분해됩니다. 이 경향을 설명하고, $\text{CaCO}_3$가 어디에 위치하는지 예측하십시오. 2족 원소를 아래로 내려갈수록 양이온의 크기는 커지고, 전하가 더 넓은 면적에 퍼지므로 극화력은 감소합니다. 극화력이 작은 양이온은 탄산 이온을 덜 왜곡시키므로, $\text{C-O}$ 결합은 덜 약화되며 이를 끊기 위해 더 많은 열이 필요합니다. 따라서 열 안정성은 족을 따라 아래로 갈수록 증가하며, Mg와 Ba 사이에 위치한 $\text{CaCO}_3$는 중간 온도인 약 $900\ °\text{C}$에서 분해됩니다. 전체 인과사슬을 논증하십시오: 양이온 크기 → 극화력 → 음이온의 왜곡; "더 반응성이 크다"는 설명은 여기서 아무런 의미가 없습니다.

    Explore · ⁨탐색하기⁩

    Group 2 reactivity ladder · ⁨2족 반응성 계단⁩

    Move down Group 2 and see why reactions become more vigorous. · ⁨2족을 내려가면 왜 반응이 격렬해지는지 확인하세요.⁩

    Explore · ⁨탐색하기⁩

    Group 2 trend lab · ⁨2족 경향 실험실⁩

    Compare thermal stability and solubility trends down Group 2. · ⁨2족을 내려가는 열안정성과 용해도 경향을 비교하세요.⁩

    Vocabulary · ⁨어휘⁩ Train · ⁨연습하기⁩
    English 한국어
    group/ɡruːp/ 그룹
    reactivity/rɪəkˈtɪvɪti/ 활성도
    sulfate/ˈsʌlfeɪt/ 황산염
    oxide/ˈɒksaɪd/ 산化物
    hydroxide/haɪˈdrɒksaɪd/ 수산화
    carbonate/ˈkɑːbəneɪt/ 탄산염
    thermal decomposition/ˈθɜːml ˌdiːkɒmpəˈzɪʃn/ 열분해 반응
    nitrate/ˈnaɪtreɪt/ 질산
    thermal stability/ˈθɜːml stəˈbɪlɪti/ 열안정성
    solubility/ˌsɒljuːˈbɪlɪti/ 용해도
    10.1

    Exam tips · ⁨시험 팁⁩

    English
    • Reactivity increases down Group 2: ionisation energy falls as atoms get larger, so electrons are lost more easily.
    • Reactions with water become more vigorous down the group; Mg reacts slowly with cold water but fast with steam (→ MgO).
    • Hydroxides get more soluble down the group; sulfates get less soluble ($\text{BaSO}_4$ insoluble — the basis of the sulfate test).
    • Write equations with the correct $+2$ ion and state the observations (fizzing, dissolving).
    한국어
    • 2족 원소의 반응성은 족을 따라 아래로 갈수록 증가합니다. 원자가 커짐에 따라 이온화 에너지가 낮아져 전자를 잃기 쉬워집니다.
    • 물과의 반응은 족을 따라 아래로 갈수록 더 격렬해집니다. Mg는 찬물에서는 느리게 반응하지만 증기와는 빠르게 반응합니다 (→ MgO).
    • 수산화물은 족을 따라 아래로 갈수록 용해도가 높아지고, 황산염은 용해도가 낮아집니다 ($\text{BaSO}_4$는 불용성 — 황산염 검출법의 기초).
    • 올바른 $+2$ 이온을 사용하여 방정식을 쓰고, 관찰 사항(거품 발생, 용해)을 서술하십시오.
  • 11

    Group 17

    Watch lesson · ⁨수업 보기⁩
    11.1

    Physical properties of the halogens · ⁨할로겐의 물리적 성질⁩

    Syllabus
    English
    1. describe the colours and the trend in volatility of chlorine, bromine and iodine
    2. describe and explain the trend in the bond strength of the halogen molecules
    3. interpret the volatility of the elements in terms of instantaneous dipole–induced dipole forces
    한국어
    1. 염소, 브로민, 요오드의 색채 및 휘발성의 경향 서술
    2. 할로겐 분자의 결합 강도 경향 서술 및 설명
    3. 순간的双극자–유도双极자 힘으로 원소들의 휘발성을 해석

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

    English

    The halogens 卤素 are the Group 族 17 elements. They exist as diatomic molecules ($\text{Cl}_2$, $\text{Br}_2$, $\text{I}_2$). Going down the group:

    Element Colour and state at room temperature
    chlorine pale green gas
    bromine red-brown liquid
    iodine grey-black solid (purple vapour)

    The volatility 挥发性 (how easily a substance turns to vapour) decreases down the group: chlorine is a gas, but iodine is a solid. This is because the molecules get larger and have more electrons, so the instantaneous dipole 瞬时偶极 and induced dipole 诱导偶极 forces between them get stronger. Stronger forces are harder to break, so the boiling point rises and volatility falls.

    The bond energy 键能 (bond strength) of the $\text{X}\text{–}\text{X}$ molecules generally falls from $\text{Cl}_2$ to $\text{I}_2$, because the shared electrons are further from the nuclei in the larger atoms.

    한국어
    브롬: 밀폐된 앰플에서 오렌지색 기체를 내뿜어내는 짙은 액체
    브롬은 17족 할로겐으로, 오렌지색 기체를 내뿜어내는 짙은 액체입니다.

    할로겐은 17족 원소들입니다. 이들은 이원자 분자($\text{Cl}_2$, $\text{Br}_2$, $\text{I}_2$)로 존재합니다. 족을 따라 아래로 내려가면:

    원소 상온에서의 색상 및 상태
    클로린 연한 녹색 기체
    브롬 붉은 갈색 액체
    요오드 회흑색 고체 (보라색 기체)

    휘발성(물질이 기체로 변하기 쉬운 정도)은 족을 따라 아래로 갈수록 감소합니다: 클로린은 기체이지만 요오드는 고체입니다. 이는 분자가 커지고 전자 수가 많아지며, 분자 사이의 순간 쌍극자 및 유도 쌍극자 힘(반데르발스 힘)이 강해지기 때문입니다. 강한 힘은 끊기 어려우므로 끓는점은 상승하고 휘발성은 떨어집니다.

    세 개의 기체 용기: 연한 녹색 기체인 클로린, 붉은 갈색 액체인 브롬, 회흑색 고체인 요오드
    17족을 따라 아래로 내려가면 휘발성이 감소함에 따라 할로겐은 연한 녹색 기체에서 붉은 갈색 액체, 그리고 회흑색 고체로 바뀝니다

    $\text{X}\text{–}\text{X}$ 분자의 결합 에너지(결합 강도)는 일반적으로 $\text{Cl}_2$에서 $\text{I}_2$로 내려감에 따라 감소하는데, 이는 공유 전자가 더 큰 원자에서 핵으로부터 더 멀리 있기 때문입니다.

    Explore · ⁨탐색하기⁩

    Halogen physical trend lab · ⁨할로겐 물리적 경향 실험⁩

    Follow halogens down the group and link state, colour and volatility. · ⁨할로겐을 따라가며 상태, 색상 및 휘발성을 연결하시오.⁩

    Vocabulary · ⁨어휘⁩ Train · ⁨연습하기⁩
    English 한국어
    halogen/ˈhælədʒn/ 할로겐
    group/ɡruːp/ 그룹
    volatility/ˌvɒləˈtɪlɪti/ 휘발성
    instantaneous dipole/ˌɪnstənˈteɪnɪəs ˈdaɪpəʊl/ 즉시 쌍극자
    induced dipole/ɪnˈdjuːst ˈdaɪpəʊl/ 유도 쌍극자
    bond energy/bɒnd ˈenədʒi/ 결합 에너지
    oxidising agent/ˈɒksɪdaɪzɪŋ ˈeɪdʒənt/ 산화제
    hydrogen halide/ˈhaɪdrədʒn ˈhælaɪd/ 수소 할화물
    thermal stability/ˈθɜːml stəˈbɪlɪti/ 열안정성
    halide ion/ˈhælaɪd ˈaɪɒn/ 할라이드 이온
    11.2

    Chemical properties of the halogens and hydrogen halides · ⁨할로겐 및 수소 할로이드의 화학적 성질⁩

    Syllabus
    English
    1. describe the relative reactivity of the elements as oxidising agents
    2. describe the reactions of the elements with hydrogen and explain their relative reactivity in these reactions
    3. describe the relative thermal stabilities of the hydrogen halides and explain these in terms of bond strengths
    한국어
    1. 원소들이 산화제로서의 상대적 반응성 서술
    2. 원소들이 수소와 반응하는 것을 서술하고 이러한 반응에서의 상대적 반응성 설명
    3. 수소 할로겐화물의 상대적 열적 안정성 서술 및 결합 강도로 설명

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

    English

    Halogens as oxidising agents

    Each halogen reacts by gaining one electron to form a $1-$ ion, so it acts as an oxidising agent 氧化剂. This power decreases down the group, because the larger atoms attract an extra electron less strongly. A more reactive halogen can push out a less reactive one from its salt:

    $$\text{Cl}_2 + 2\text{KBr} \rightarrow 2\text{KCl} + \text{Br}_2$$

    Reactions with hydrogen

    Each halogen reacts with hydrogen to form a hydrogen halide 卤化氢:

    $$\text{H}_2 + \text{Cl}_2 \rightarrow 2\text{HCl}$$

    The reaction gets less vigorous down the group: chlorine reacts explosively in light, bromine needs heat, and iodine reacts slowly and only partly.

    Thermal stability of the hydrogen halides

    The thermal stability 热稳定性 of the hydrogen halides decreases down the group. The H–X bond gets weaker as the halogen atom gets larger, so HI breaks apart on gentle heating while HCl is very stable.

    한국어

    할로겐의 산화제로서의 역할

    각 할로겐은 한 개의 전자를 얻어 $1-$ 이온을 형성하므로 산화제로서 작용합니다. 이 산화력은 족을 따라 아래로 갈수록 감소하는데, 큰 원자는 추가된 전자를 더 약하게 끌어당기기 때문입니다. 반응성이 높은 할로겐은 그 염에서 반응성이 낮은 할로겐을 밀어낼 수 있습니다:

    무색의 브로민화칼륨에 클로린을 첨가하면 브로민이 치환되어 용액이 주황색으로 변함
    염소가 브롬을 치환: 용액이 주황색으로 변함
    $$\text{Cl}_2 + 2\text{KBr} \rightarrow 2\text{KCl} + \text{Br}_2$$

    수소와의 반응

    각 할로겐은 수소와 반응하여 수소 할로이드를 만듭니다:

    $$\text{H}_2 + \text{Cl}_2 \rightarrow 2\text{HCl}$$

    반응은 족을 따라 아래로 갈수록 덜 격렬해집니다: 클로린은 빛에서 폭발적으로 반응하고, 브로민은 열이 필요하며, 요오드는 느리게 반응하며 부분적으로만 반응합니다.

    수소 할로이드의 열 안정성

    수소 할로이드의 열 안정성은 족을 따라 아래로 갈수록 감소합니다. 할로겐 원자가 커질수록 H–X 결합은 약해지므로, HI는 온화히 가열해도 분해되지만 HCl은 매우 안정적입니다.

    Explore · ⁨탐색하기⁩

    Halogen and hydrogen halide lab · ⁨할로겐 및 수소 할로라이드 실험⁩

    Classify halogen chemistry by oxidising and reducing strength. · ⁨할로겐 화학을 산화 및 환원력에 의해 분류하시오.⁩

    11.3

    Reactions of the halide ions · ⁨할로이드 이온의 반응⁩

    Syllabus
    English
    1. describe the relative reactivity of halide ions as reducing agents
    2. describe and explain the reactions of halide ions with: (a) aqueous silver ions followed by aqueous ammonia (the formation and formula of the $[\text{Ag}(\text{NH}_3)_2]^+$ complex is not required) (b) concentrated sulfuric acid, to include balanced chemical equations
    한국어
    1. 할로겐 이온이 환원제로서-relative적 반응성 서술
    2. 할로겐 이온의 반응 서술 및 설명: (a) 수용은 은 이온에 이어 수용암모니아 ($[\text{Ag}(\text{NH}_3)_2]^+$ 복합체의 형성과 공식은 불필요함) (b) 농황산, 평형 화학 방정식 포함

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

    English

    Halide ions as reducing agents

    A halide ion 卤离子 (such as $\text{Cl}^-$) can give away an electron, acting as a reducing agent 还原剂. This power increases down the group, because a larger ion holds its outer electron less tightly.

    Reaction with aqueous silver ions

    Add aqueous silver nitrate, then aqueous ammonia 氨, to identify the halide from the colour of the silver halide precipitate 沉淀:

    Halide Precipitate with $\text{Ag}^+$ Solubility in ammonia
    $\text{Cl}^-$ white dissolves in dilute ammonia
    $\text{Br}^-$ cream dissolves only in concentrated ammonia
    $\text{I}^-$ yellow insoluble in ammonia

    Reaction with concentrated sulfuric acid

    All the halides first give the hydrogen halide. The lower halides are then oxidised by the acid, because they are stronger reducing agents:

    $$\text{NaCl} + \text{H}_2\text{SO}_4 \rightarrow \text{NaHSO}_4 + \text{HCl}$$
    • chloride gives only $\text{HCl}$ (no redox).
    • bromide also gives some brown $\text{Br}_2$ and $\text{SO}_2$.
    • iodide gives $\text{I}_2$ and the smelly gases $\text{H}_2\text{S}$ and $\text{SO}_2$, because $\text{I}^-$ is the strongest reducing agent.
    한국어

    할로이드 이온의 환원제로서의 역할

    할로이드 이온(예: $\text{Cl}^-$)은 전자를放出하여 환원제로서 작용할 수 있습니다. 이 환원력은 족을 따라 아래로 갈수록 증가하는데, 큰 이온은 최외각 전자를 더 느슨하게 붙잡고 있기 때문입니다.

    족을 따라 아래로 내려가는 두 줄: 할로겐은 산화력 감소를 나타내는 아래쪽 화살표, 할로이드 이온은 환원력 증가를 나타내는 위쪽 화살표
    두 가지 반대되는 경향: 할로겐의 산화력은 족을 따라 아래로 갈수록 감소하고, 할로이드 이온의 환원력은 증가합니다

    수용성 은 이온과의 반응

    수용성 질산은을 먼저 넣고, 이후 수용성 암모니아를 넣어, 은 할로이드 침전물의 색상을 통해 할로이드를 식별하십시오:

    할로이드 $\text{Ag}^+$와의 침전물 암모니아 내 용해도
    $\text{Cl}^-$ 흰색 희석 암모니아에 용해됨
    $\text{Br}^-$ 크림색 농축 암모니아에만 용해됨
    $\text{I}^-$ 노란색 암모니아에 불용성
    은 할로이드 침전물이 담긴 세 개의 시험관: 흰색 염화은, 크림색 브로민화은, 노란색 요오드화은
    은 할로이드 침전물: AgCl은 흰색, AgBr은 크림색, AgI는 노란색이며, 암모니아 내 용해도는 어떤 할로이드가 있는지 확인해 줍니다
    목거치대에 놓인 실제 시험관 세 개, 왼쪽부터 흰색, 연한 크림색, 연한 노란색 침전물을 각각contains하며 AgCl, AgBr, AgI로 표기됨
    은 할로겐 시험: AgCl은 흰색, AgBr는 크림색, AgI는 노란색

    농축 황산과의 반응

    모든 할로이드는 우선 수소 할로이드를 생성합니다. 그 후 하위 할로이드들은 더 강력한 환원제이기 때문에 산에 의해 산화됩니다:

    $$\text{NaCl} + \text{H}_2\text{SO}_4 \rightarrow \text{NaHSO}_4 + \text{HCl}$$
    • 염화이는 $\text{HCl}$만 생성함 (비산화환원 반응).
    • 브로민은 또한 일부 갈색 $\text{Br}_2$과 $\text{SO}_2$을 생성함.
    • 요오드는 $\text{I}_2$와 냄새나는 기체 $\text{H}_2\text{S}$ 및 $\text{SO}_2$를 생성함. 왜냐하면 $\text{I}^-$가 가장 강력한 환원제이기 때문임.
    세 줄: 염화이는 HCl만 생성, 브로민은 브로민과 아황산가스 생성, 요오드는 요오드와 황화수소 및 아황산가스 생성, 족을 따라 아래로 갈수록 환원력 증가를 보여주는 화살표 포함
    농축 황산과 반응할 때, 염화이는 HCl만 생성하지만, 브로민과 요오드(더 강력한 환원제)는 할로겐으로 산화됨
    Explore · ⁨탐색하기⁩

    Halide ion test lab · ⁨할로라이드 이온 실험실⁩

    Match halide ion evidence to the ion present. · ⁨존재하는 이온에 대한 할로라이드 이온 증거를 매칭하십시오.⁩

    Vocabulary · ⁨어휘⁩ Train · ⁨연습하기⁩
    English 한국어
    precipitate/prɪˈsɪpɪteɪt/ 침전물
    11.4

    Reactions of chlorine · ⁨염소의 반응⁩

    Syllabus
    English
    1. describe and interpret, in terms of changes in oxidation number, the reaction of chlorine with cold and with hot aqueous sodium hydroxide and recognise these as disproportionation reactions
    2. explain, including by use of an equation, the use of chlorine in water purification to include the production of the active species $\text{HOCl}$ and $\text{ClO}^-$ which kill bacteria
    한국어
    1. 염소가 냉수와 열수 수산화나트륨과 반응하는 것을 산화수 변화로 서술·해석하고 이중 산화-환원 반응임을 인지
    2. 염소가 정수 처리에 사용되는 이유方程式 포함 설명. 살균 활성 종인 $\text{HOCl}$ 및 $\text{ClO}^-$ 생성 포함

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

    English

    With sodium hydroxide

    With cold, dilute sodium hydroxide, chlorine reacts to form chloride and chlorate(I):

    $$\text{Cl}_2 + 2\text{NaOH} \rightarrow \text{NaCl} + \text{NaClO} + \text{H}_2\text{O}$$

    With hot, concentrated sodium hydroxide, it forms chloride and chlorate(V):

    $$3\text{Cl}_2 + 6\text{NaOH} \rightarrow 5\text{NaCl} + \text{NaClO}_3 + 3\text{H}_2\text{O}$$

    In both, the oxidation number 氧化数 of chlorine goes both up and down (from $0$), so both are disproportionation 歧化 reactions.

    Chlorine in water purification

    A little chlorine is added to water for water purification 水净化. It reacts with water:

    $$\text{Cl}_2 + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{HOCl} + \text{HCl}$$

    The active species $\text{HOCl}$ and $\text{ClO}^-$ kill bacteria 细菌, making the water safe to drink.

    Worked example. Solid $\text{NaCl}$, $\text{NaBr}$ and $\text{NaI}$ are each warmed with concentrated $\text{H}_2\text{SO}_4$. Predict the products. Reducing power increases down the group, so how far each halide reduces the sulfuric acid differs. $\text{Cl}^{-}$ is too weak to reduce it at all, so you get only steamy $\text{HCl}$ - an acid-base reaction. $\text{Br}^{-}$ reduces it a little: $\text{HBr}$ plus brown $\text{Br}_2$ and $\text{SO}_2$. $\text{I}^{-}$ is the strongest reducing agent: $\text{HI}$ plus $\text{I}_2$, and it drives the sulfur all the way down to $\text{H}_2\text{S}$, with its bad-egg smell. Every halide gives the hydrogen halide first; the extra products appear only where the halide is a strong enough reducing agent to attack the sulfur.

    한국어
    액체 수영장 염소 용기
    염소는 수조 물에 미생물을 사멸시키기 위해 첨가됩니다.

    수산화나트륨과의 반응

    찬, 희석된 수산화나트륨과 염소가 반응하여 염화이온과 염산(Ⅰ)을 생성합니다:

    $$\text{Cl}_2 + 2\text{NaOH} \rightarrow \text{NaCl} + \text{NaClO} + \text{H}_2\text{O}$$

    뜨거움, 농축된 수산화나트륨과 반응할 때 염화이온과 염산(Ⅴ)을 생성합니다:

    $$3\text{Cl}_2 + 6\text{NaOH} \rightarrow 5\text{NaCl} + \text{NaClO}_3 + 3\text{H}_2\text{O}$$

    두 경우 모두 염소의 산화수가 $0$에서both 상승하고 하강하므로(oxidation number goes both up and down), 두 반응은 모두 비균형 disproportionation 반응입니다.

    정수 처리에서의 염소

    정수를 위해 소량의 염소를 물에 정수(purification) 목적으로 첨가합니다. 물과 다음과 같이 반응합니다:

    $$\text{Cl}_2 + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{HOCl} + \text{HCl}$$

    활성 종인 $\text{HOCl}$과 $\text{ClO}^-$는 세균을 살균하여 마시기 안전한 물을 만듭니다.

    풀이worked example. 고체 $\text{NaCl}$, $\text{NaBr}$ 및 $\text{NaI}$을 각각 농축된 $\text{H}_2\text{SO}_4$과 함께 가열합니다. 생성물을 예측하십시오. 환원력 reducing power은 그룹 아래로 갈수록 증가하므로 각 할로라이드가 황산에 의해 환원되는 정도가 다릅니다. $\text{Cl}^{-}$은 환원력이 너무 약해 아예 환원되지 않으므로, 산-염기 반응으로 증기状的인 $\text{HCl}$만 얻습니다. $\text{Br}^{-}$은 약간 환원시킵니다: $\text{HBr}$에 보라색 $\text{Br}_2$과 $\text{SO}_2$이 추가됩니다. $\text{I}^{-}$은 가장 강력한 환원제입니다: $\text{HI}$에 $\text{I}_2$이 생성되며, 황을 최종적으로 $\text{H}_2\text{S}$까지 완전히 환원시켜 썩은 달걀 냄새를 냅니다. 모든 할로라이드는 먼저 수소 할로아이드를 생성하며, 추가적인 생성물은 할로라이드가 황을 공격할 만큼 강력한 환원제 reducing agent일 때만 나타납니다.

    Explore · ⁨탐색하기⁩

    Chlorine reaction route · ⁨염소 반응 경로⁩

    Follow chlorine from water treatment to redox reactions. · ⁨수처리부터 산화환원 반응까지 염소를 따라가십시오.⁩

    Vocabulary · ⁨어휘⁩ Train · ⁨연습하기⁩
    English 한국어
    reducing agent/rɪˈdjuːsɪŋ ˈeɪdʒənt/ 환원제
    ammonia/æˈməʊnɪə/ 암모니아
    oxidation number/ˌɒksɪˈdeɪʃn ˈnʌmbə/ 산화수
    disproportionation/ˌdɪsprəˈpɔːʃəneɪʃn/ 이종화(분리 disproportionation)
    water purification/ˈwɔːtə ˌpjʊərɪfɪˈkeɪʃn/ 정수
    bacteria/bækˈtɪərɪə/ 박테리아
    11.4

    Exam tips · ⁨시험 팁⁩

    English
    • Halogens get less reactive down the group (harder to gain an electron); oxidising power decreases.
    • Displacement: a more reactive halogen displaces a less reactive halide — state the colour change.
    • Test halide ions with $\text{AgNO}_3$: white ($\text{Cl}^-$), cream ($\text{Br}^-$), yellow ($\text{I}^-$), then confirm with dilute/concentrated ammonia.
    • Chlorine with water and with cold $\text{NaOH}$ are disproportionation — show the oxidation-number changes.
    한국어
    • 할로겐은 그룹 아래로 갈수록 반응성이 감소합니다 (전자 획득이 어려워짐); 산화력이 감소합니다.
    • 치환 displacement: 더 반응성이 강한 할로겐이 덜 반응성인 할로라이드를 치환합니다 — 색상 변화를 명시하십시오.
    • 할로라이드 이온을 $\text{AgNO}_3$으로 테스트하십시오: 흰색 ($\text{Cl}^-$), 크림색 ($\text{Br}^-$), 노란색 ($\text{I}^-$), 이후 희석/농축 암모니아로 확인하십시오.
    • 물과 찬 $\text{NaOH}$과의 염소 반응은 비균형 disproportionation입니다 — 산화수 변화를 보여주십시오.
  • 12

    Nitrogen and sulfur

    Watch lesson · ⁨수업 보기⁩
    12.1

    Why nitrogen is unreactive · ⁨질소가 비활성인 이유⁩

    Syllabus
    English
    1. explain the lack of reactivity of nitrogen, with reference to triple bond strength and lack of polarity
    2. describe and explain: (a) the basicity of ammonia, using the Brønsted–Lowry theory (b) the structure of the ammonium ion and its formation by an acid–base reaction (c) the displacement of ammonia from ammonium salts by an acid–base reaction
    3. state and explain the natural and man-made occurrences of oxides of nitrogen and their catalytic removal from the exhaust gases of internal combustion engines
    4. understand that atmospheric oxides of nitrogen ($\text{NO}$ and $\text{NO}_2$) can react with unburned hydrocarbons to form peroxyacetyl nitrate, PAN, which is a component of photochemical smog
    5. describe the role of $\text{NO}$ and $\text{NO}_2$ in the formation of acid rain both directly and in their catalytic role in the oxidation of atmospheric sulfur dioxide
    한국어
    1. 삼중 결합의 강도와 극성의 부재에 근거하여 질소의 비활성 이유 설명
    2. 서술 및 설명: (a) 브론스테드-로우리 이론을 이용한 암모니아의 염기성 (b) 암모늄 이온의 구조 및 산-염기 반응에 의한 형성 (c) 암모늄 염의 암모니아 치환 - 산-염기 반응에 의해
    3. 질소 산화물의 자연 및 인공 발생을 서술하고 내부연소 엔진 배기가스에서 촉매 제거 방법 설명
    4. 대기 중 질소 산化物($\text{NO}$ 및 $\text{NO}_2$)가 연소되지 않은 탄화수소와 반응하여 퍼옥시아세틸 니트로, PAN를 형성하며 이는 광화학 스모그의 구성 요소임을 이해
    5. $\text{NO}$ 및 $\text{NO}_2$가 산성비 형성에서 직접적 역할 및 대기 중 황산염의 산화를 위한 촉매 역할을 서술

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

    English

    Nitrogen gas, $\text{N}_2$, makes up most of the air but reacts with very little. There are two reasons:

    • the two nitrogen atoms are joined by a triple bond 三键, which has a very high bond energy 键能. A lot of energy is needed to break it.
    • the molecule has no polarity 极性 — it is perfectly symmetrical, so nothing pulls other molecules towards it.
    한국어

    질소 기체 $\text{N}_2$은 공기의 대부분을 차지하지만 거의 반응하지 않습니다. 그 이유는 두 가지입니다:

    • 두 질소 원자는 매우 높은 결합 에너지 bond energy를 가진 삼중 결합 triple bond으로 연결되어 있습니다. 이를 끊는 데 많은 에너지가 필요합니다.
    • 분자는 극성 polarity가 없습니다 — 완벽하게 대칭적이므로 다른 분자를 끌어당기는 힘이 없습니다.
    삼중 결합으로 연결된 두 질소 원자, 각 원자에는 비공유 전자쌍이 있으며 강렬한 결합과 대칭적 극성 분자로 표시됨
    질소는 두 가지 이유로 비활성입니다: 매우 강력한 삼중 결합과 대칭적인 극성 분자
    Explore · ⁨탐색하기⁩

    The shape of ammonia · ⁨암모니아의 형태⁩

    Ammonia has three bonding pairs and one lone pair — the lone pair pushes the bonds down into a pyramidal shape (about 107°). · ⁨암모니아는 세 개의 결합 쌍과 하나의 비결정 전자쌍을 가집니다 — 비결정 전자쌍은 결합을 아래로 밀어 삼각뿔형 구조(약 107°)를 만듭니다.⁩

    Vocabulary · ⁨어휘⁩ Train · ⁨연습하기⁩
    English 한국어
    triple bond/ˈtrɪpl bɒnd/ 삼중 결합
    bond energy/bɒnd ˈenədʒi/ 결합 에너지
    polarity/pəʊˈlærɪti/ 극성
    12.1

    Ammonia and the ammonium ion · ⁨암모니아와 암모늄 이온⁩

    English

    Basicity of ammonia

    The basicity 碱性 of ammonia (its ability to act as a base) comes from the lone pair 孤对电子 of electrons on the nitrogen atom. Using the Brønsted–Lowry theory, ammonia is a base because this lone pair can accept a proton 质子 ($\text{H}^+$):

    $$\text{NH}_3 + \text{H}^+ \rightarrow \text{NH}_4^+$$

    The ammonium ion

    When the lone pair forms a bond to $\text{H}^+$, it makes the ammonium ion 铵离子, $\text{NH}_4^+$. Because both shared electrons came from the nitrogen, this new bond is a coordinate bond 配位键. The ion has four identical N–H bonds and a tetrahedral shape.

    Displacement of ammonia from its salts

    If you warm an ammonium salt with a base (such as sodium hydroxide), you push out ammonia gas. This is an acid–base displacement 置换:

    $$\text{NH}_4\text{Cl} + \text{NaOH} \rightarrow \text{NaCl} + \text{NH}_3 + \text{H}_2\text{O}$$

    The sharp smell of ammonia, and damp red litmus turning blue, is a test for an ammonium salt.

    한국어
    대규모 산업 화학 복합 시설
    암모니아는 산업 시설에서 거대한 규모로 질소 비료로 전환됩니다.

    암모니아의 염기성 basicity

    암모니아의 염기성 basicity(염기로 작용하는 능력)는 질소 원자의 비공유 전자쌍 lone pair에서 비롯됩니다. 브론스테드-로우리 이론에 따르면, 암모니아는 이 비공유 전자쌍이 양성자 proton($\text{H}^+$)을 받을 수 있기 때문에 염기입니다:

    $$\text{NH}_3 + \text{H}^+ \rightarrow \text{NH}_4^+$$
    암모니아의 질소에 비공유 전자쌍이 있어 수소 이온을 받아 사면체 암모늄 이온을 형성함
    암모니아는 질소의 비공유 전자쌍이 양성자를 받아들여 암모늄 이온을 만들기 때문에 염기 역할을 합니다

    암모늄 이온

    비공유 전자쌍이 $\text{H}^+$과 결합할 때 암모늄 이온 ammonium ion, $\text{NH}_4^+$을 만듭니다. 공유된 두 전자가 모두 질소에서 유래했으므로, 이 새로운 결합은 배위 결합 coordinate bond입니다. 이 이온은 네 개의 동일한 N–H 결합과 사면체 형태를 가집니다.

    염 from salts from its salts of ammonia displacement

    암모늄 염을 염기(수산화나트륨 등)와 함께 가열하면 암모니아 기체가 방출됩니다. 이는 산-염기 치환 displacement입니다:

    $$\text{NH}_4\text{Cl} + \text{NaOH} \rightarrow \text{NaCl} + \text{NH}_3 + \text{H}_2\text{O}$$

    암모니아 특유의 자극적인 냄새와 적색 리트머스 종이의 청색 변화는 암모늄 염에 대한 테스트입니다.

    Vocabulary · ⁨어휘⁩ Train · ⁨연습하기⁩
    English 한국어
    basicity/beɪˈsɪsɪti/ 염기성
    lone pair/ləʊn peə/ 비공유 전자쌍
    proton/ˈprəʊtɒn/ proton
    ammonium ion/æˈməʊnɪəm ˈaɪɒn/ 암모늄 이온
    coordinate bond/kəʊˈɔːdɪnət bɒnd/ 배위 결합
    displacement/dɪˈspleɪsmənt/ 변위
    12.1

    Oxides of nitrogen and air pollution · ⁨질소 산화와 대기 오염⁩

    English

    Where they come from

    Oxides of nitrogen ($\text{NO}$ and $\text{NO}_2$, together called $\text{NO}_x$) come from two sources:

    • natural: lightning gives enough energy for nitrogen and oxygen in the air to combine.
    • man-made: the high temperature inside an internal combustion engine 内燃机 makes nitrogen and oxygen react:
    $$\text{N}_2 + \text{O}_2 \rightarrow 2\text{NO}$$

    Removing them from car exhaust

    A catalytic converter 催化转化器 cleans the exhaust gases 尾气. It lets the harmful gases react together to form harmless ones:

    $$2\text{NO} + 2\text{CO} \rightarrow \text{N}_2 + 2\text{CO}_2$$

    Photochemical smog

    In sunlight, $\text{NO}$ and $\text{NO}_2$ react with unburned hydrocarbons to form peroxyacetyl nitrate (PAN). PAN is a harmful part of photochemical smog 光化学烟雾, the brown haze seen over busy cities.

    Acid rain

    The oxides of nitrogen also help make acid rain 酸雨 in two ways:

    • directly: $\text{NO}_2$ dissolves in rain to form nitric acid.
    • as a catalyst: $\text{NO}_2$ speeds up the oxidation of atmospheric sulfur dioxide 二氧化硫 ($\text{SO}_2$) into $\text{SO}_3$, which then forms sulfuric acid in the rain.

    Worked example. A white solid is warmed with aqueous $\text{NaOH}$, and a gas is released that turns damp red litmus blue. Identify the gas and the ion in the solid, and explain the reaction. The only common gas that turns damp red litmus blue is ammonia, $\text{NH}_3$, so the solid contains the ammonium ion, $\text{NH}_4^{+}$. The hydroxide ion is the stronger base, so it takes the proton back from the ammonium ion:

    $$\text{NH}_4^{+} + \text{OH}^{-} \rightarrow \text{NH}_3 + \text{H}_2\text{O}$$

    This is the standard test for $\text{NH}_4^{+}$. Always say the litmus is damp: the ammonia must dissolve in the water before it can show its basicity, so dry litmus would give no colour change at all.

    한국어

    발생 원인

    질소 산化物($\text{NO}$ 및 $\text{NO}_2$, 합쳐서 $\text{NO}_x$이라 함)는 두 가지 출처에서 발생합니다:

    • 자연적: 번개는 공기 중 질소와 산소가 결합할 수 있는 충분한 에너지를 제공합니다.
    • 인위적: 내연 기관 internal combustion engine 내부의 고온이 질소와 산소 간의 반응을 유발합니다:
    $$\text{N}_2 + \text{O}_2 \rightarrow 2\text{NO}$$

    자동차 배기가스 제거

    촉매 변환기 catalytic converter가 배기가스 exhaust gases를 정화합니다. 유해 가스가 서로 반응하여 무해한 물질로 변하도록 합니다:

    $$2\text{NO} + 2\text{CO} \rightarrow \text{N}_2 + 2\text{CO}_2$$
    유해 NO 및 CO 가스가 촉매 블록을 통과하여 무해한 질소 및 탄소 산化物로 나가는 모습
    촉매 변환기에서 유해 가스 NO와 CO가 촉매 위에서 반응하여 무해한 N$_2$과 CO$_2$를 만듭니다

    광화학 스모그 photochemical smog

    태양광 아래에서 $\text{NO}$과 $\text{NO}_2$이 연소되지 않은 탄화수소 hydrocarbons와 반응하여 과아세틸 니트레이트(PAN)를 생성합니다. PAN은 번잡한 도시 상공에 보이는 갈색 안개인 광화학 스모그 photochemical smog의 유해 성분입니다.

    맑은 파란 하늘 아래 건물을 덮고 있는 뚜렷한 갈색 회색 안개 층이 있는 대도시의 aerial view
    대도시 위의 광화학 스모그. 갈색 안개층은 교통 배기가스가 있는 낮은 곳에 갇혀 있습니다 — 태양광이 이러한 질소 산化物와 연소되지 않은 탄화수소를 당신이 보는 안개로 전환시킵니다

    산성비 acid rain

    질소 산化物는 다음 두 가지 방식으로 산성비 acid rain 형성에 기여합니다:

    • 직접적으로: $\text{NO}_2$이 빗물에 용해되어 질산을 형성합니다.
    • 촉매로서: $\text{NO}_2$이 대기 중 황 산化物 sulfur dioxide($\text{SO}_2$)를 $\text{SO}_3$로 산화시키는 속도를 빠르게 하여, 이것이 빗물에 용해되어 황산을 형성합니다.
    흐름도: NO2가 질산과 SO2가 황산을 형성하며, NO2 또한 황 경로를 촉매하여 둘 다 산성비로 이어짐
    질소 산化物와 황 산化物는 산성 강우를 만듭니다: NO$_2$은 질산으로 직접 형성되고 또한 SO$_2$의 산화를 촉매하여 황산으로 만듭니다

    해설 예제. 흰색 고체에 $\text{NaOH}$ 수용액을 가하고 가열하면, 습한 붉은 리무스 종이를 파란색으로 변하게 하는 기체가 발생한다. 이 기체와 고체에 존재하는 이온을 식별하고, 반응 원리를 설명하시오. 습한 붉은 리무스 종이를 파란색으로 변하게 하는 일반적인 기체는 암모니아뿐이므로, $\text{NH}_3$ 고체에는 암모늄 이온이 포함되어 있다. $\text{NH}_4^{+}$ 수산화 이온이 암모늄 이온보다 더 강력한 염기이므로, 암모늄 이온으로부터 양성자를夺(奪)한다:

    $$\text{NH}_4^{+} + \text{OH}^{-} \rightarrow \text{NH}_3 + \text{H}_2\text{O}$$

    이는 $\text{NH}_4^{+}$에 대한 표준 시험법이다. 반드시 리무스가 습한(damp) 상태임을 명시해야 한다: 암모니아가 그 염기성을 나타내기 위해서는 물에 용해되어야 하므로, 마른 리무스는 색 변화가 전혀 일어나지 않기 때문이다.

    Explore · ⁨탐색하기⁩

    NOx pollution route · ⁨NOx 오염 경로⁩

    Trace nitrogen oxides from hot engines to environmental harm. · ⁨-hot 엔진에서 미량 질소 산화물이 환경 피해로 이어짐.⁩

    Vocabulary · ⁨어휘⁩ Train · ⁨연습하기⁩
    English 한국어
    internal combustion engine/ɪnˈtɜːnl kəmˈbʌstʃn ˈendʒɪn/ 내연 기관
    catalytic converter/ˌkætəˈlɪtɪk kənˈvɜːtə/ 촉매 변환기
    exhaust gases/eɡˈzɔːst ˈɡæsɪz/ 배기 가스
    photochemical smog/ˌfəʊtəʊˈkemɪkl smɒɡ/ 광화성 스모그
    acid rain/ˈæsɪd reɪn/ 산성 강수
    sulfur dioxide/ˈsʌlfɜː daɪˈɒksaɪd/ 이산화황
    12.1

    Exam tips · ⁨시험 팁⁩

    English
    • $\text{N}_2$ is unreactive because of its strong triple bond (very high bond energy) — state this exactly.
    • Ammonia is a base and a ligand because of its lone pair; the ammonium ion forms by a dative bond.
    • Explain how oxides of nitrogen form (high temperature in engines) and their link to acid rain and photochemical smog.
    • Give balanced equations and correct observations for reactions of ammonia and the ammonium ion.
    한국어
    • $\text{N}_2$은 강한 삼중 결합(매우 높은 결합 에너지)으로 인해 비활성이다 — 이를 정확히 서술할 것.
    • 암모니아는 그 비결합 전자쌍(lone pair) 때문에 염기이자 리간드이며, 암모늄 이온은 배위 결합(dative bond)을 통해 형성된다.
    • 질소 산화물이 엔진 내 고온 조건에서 어떻게 생성되는지 설명하고, 이것이 산성 강우 및 광화학 스모그와 어떤 연관이 있는지 서술할 것.
    • 암모니아와 암모늄 이온의 반응에 대해 균형 잡힌 화학 방정식과 정확한 관측 결과를 제시할 것.
  • 13

    An introduction to AS Level organic chemistry

    Watch lesson · ⁨수업 보기⁩
    13.1

    Formulas, functional groups and naming · ⁨화학식, 기능기 및 명명법⁩

    Syllabus
    English
    1. define the term hydrocarbon as a compound made up of C and H atoms only
    2. understand that alkanes are simple hydrocarbons with no functional group
    3. understand that the compounds in the table on pages 29 and 30 contain a functional group which dictates their physical and chemical properties
    4. interpret and use the general, structural, displayed and skeletal formulas of the classes of compound stated in the table on pages 29 and 30
    5. understand and use systematic nomenclature of simple aliphatic organic molecules with functional groups detailed in the table on pages 29 and 30, up to six carbon atoms (six plus six for esters, straight chains only for esters and nitriles)
    6. deduce the molecular and/or empirical formula of a compound, given its structural, displayed or skeletal formula
    한국어
    1. 용어 탄화수소를 C와 H 원자만으로 구성된 화합물로 정의
    2. 알케인은 기능기가 없는 단순 탄화수소임을 이해
    3. 29페이지와 30페이지 표의 화합물이 물리적·화학적 성질을 결정하는 기능기를 포함함을 이해
    4. 표 29, 30에 제시된 화합물 클래스의 일반식, 구조식, 표시식 및 골격식을 해석하고 활용한다.
    5. 표 29, 30에 상세히 나열된 기능기를 가진 단순 지방족 유기분자의 체계명을 이해하고 활용한다(탄소 원자 수 최대 6개, 에스터는 6+6, 직쇄만 허용).
    6. 구조식, 표시식 또는 골격식을 주어 화합물의 분자식 및/또는 실험식을 유추한다.

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

    English

    A hydrocarbon 碳氢化合物 is a compound of only carbon and hydrogen. Alkanes 烷烃 are the simplest hydrocarbons and have no functional group.

    A functional group 官能团 is the reactive part of a molecule. It decides the physical and chemical properties of the compound, so molecules with the same functional group behave alike (for example the $\text{–OH}$ group in alcohols).

    Types of formula

    Formula What it shows
    general formula 通式 the pattern for a whole family, e.g. alkanes are $\text{C}_n\text{H}_{2n+2}$
    molecular formula 分子式 the actual number of each atom, e.g. $\text{C}_4\text{H}_{10}$
    structural formula 结构式 the groups in order, e.g. $\text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH}_2\text{CH}_3$
    displayed formula 展开式 every atom and every bond drawn out
    skeletal formula 骨架式 lines for bonds; carbons at corners, hydrogens on carbon not shown

    You can read off the empirical formula 实验式 (simplest ratio) from any of these.

    Naming

    Use systematic nomenclature 命名法: a stem for the number of carbons (meth-, eth-, prop-, but-, pent-, hex- for 1 to 6), an ending for the functional group, and numbers to show where groups are.

    한국어
    어두운 원유 시료
    원유는 유기화학의 원료인 탄화수소의 복잡한 혼합물이다.

    **탄화수소(hydrocarbon)**는 탄소와 수소만으로 구성된 화합물이다. **알케인(alkanes)**은 가장 간단한 탄화수소이며 기능기가 없다.

    **기능기(functional group)**는 분자의 반응 부위이다. 이는 화합물의 물리적·화학적 성질을 결정하므로, 동일한 기능기를 가진 분자들은 유사하게 행동한다(예: 알코올의 $\text{–OH}$ 그룹).

    화학식의 종류

    식 나타내는 내용
    일반 공식(general formula) 전체 가문의 패턴, 예: 알케인은 $\text{C}_n\text{H}_{2n+2}$
    분자식(molecular formula) 각 원자의 실제 개수, 예: $\text{C}_4\text{H}_{10}$
    구조식(structural formula) 그룹들의 연결 순서, 예: $\text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH}_2\text{CH}_3$
    표시 구조식(displayed formula) 모든 원자와 모든 결합을 모두 그려냄
    골격 구조식(skeletal formula) 결합을 선으로 표시; 모서리에 탄소를, 탄소에 붙은 수소는 생략함
    뷰테인이 네 가지 방식으로 그려짐: 분자식, 구조식, 모든 원자와 결합을 표시한 구조식, 그리고 골격 사선도
    동일한 분자(부탄)를 네 가지 방식(분자식, 구조식, 표시 구조식, 골격 구조식)으로 보여줌 — 마지막的方式일수록 더 많은 세부 정보가 숨겨짐

    이들 중 어느 것을 보더라도 경량 화학식(empirical formula) (가장 단순한 비율)을 읽을 수 있다.

    명명법

    체계적 **명명법(nomenclature)**을 사용한다: 탄소 원자 수에 따른 어간(1~6개 탄소: met-, eth-, prop-, but-, pent-, hex-), 기능기에 따른 접미사, 그리고 그룹이 위치한 위치를 나타내는 숫자를 포함한다.

    Explore · ⁨탐색하기⁩

    Functional group lab · ⁨기능기 실험실⁩

    Sort organic molecules by the group that controls their reactions. · ⁨반응을 통제하는 그룹에 따라 유기 분자를 분류하시오.⁩

    Vocabulary · ⁨어휘⁩ Train · ⁨연습하기⁩
    English 한국어
    hydrocarbon/ˈhaɪdrəkɑːbən/ 탄화수소
    alkane/ˈælkeɪn/ 알케인
    functional group/ˈfʌŋkʃənl ɡruːp/ 기능기
    general formula/ˈdʒenərəl ˈfɔːmjʊlə/ 일반 식
    molecular formula/məˈlekjʊlə ˈfɔːmjʊlə/ 분자 식
    structural formula/ˈstrʌktʃərəl ˈfɔːmjʊlə/ 구조식
    displayed formula/dɪˈspleɪd ˈfɔːmjʊlə/ 표시식
    skeletal formula/ˈskelɪtl ˈfɔːmjʊlə/ 골격식
    empirical formula/emˈpɪrɪkl ˈfɔːmjʊlə/ 간소화 식
    nomenclature/nəˈmeŋklətʃə/ 명명법
    13.2

    Characteristic organic reactions · ⁨특징적인 유기 반응⁩

    Syllabus
    English
    1. interpret and use the following terminology associated with types of organic compounds and reactions: (a) homologous series (b) saturated and unsaturated (c) homolytic and heterolytic fission (d) free radical, initiation, propagation, termination (e) nucleophile, electrophile, nucleophilic, electrophilic (f) addition, substitution, elimination, hydrolysis, condensation (g) oxidation and reduction (in equations for organic redox reactions, the symbol [O] can be used to represent one atom of oxygen from an oxidising agent and the symbol [H] to represent one atom of hydrogen from a reducing agent)
    2. understand and use the following terminology associated with types of organic mechanisms: (a) free-radical substitution (b) electrophilic addition (c) nucleophilic substitution (d) nucleophilic addition (in organic reaction mechanisms, the use of curly arrows to represent movement of electron pairs is expected; the arrow should begin at a bond or a lone pair of electrons)
    한국어
    1. 유기화합물 및 반응 유형과 관련된 다음 용어를 해석하고 활용한다: (a) 동종series( homologous series ) (b) 포화 및 불포화 (c) 균열 및 비균열 단결합분리 (d) 자유 라디칼, 개시, 전파, 종결 (e) 핵친화체, 전자친화체, 핵친화적, 전자친화적 (f) 가입, 치환, 제거, 가수분해, 축합 (g) 산화 및 환원 (유기 산-환원 반응 방정식에서 [O] 기호는 산화제로부터의 산소 원자 1개를, [H] 기호는 환원제로부터의 수소 원자 1개를 나타낼 수 있다).
    2. 유기기전 유형과 관련된 다음 용어를 이해하고 활용한다: (a) 자유 라디칼 치환 (b) 전자친화 가입 (c) 핵친화 치환 (d) 핵친화 가입 (유기반응기전에서 전자쌍의 이동을 표현하기 위해 곡선 화살표 사용이 요구되며, 화살표는 결합이나 비공유전자쌍에서 시작해야 한다).

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

    English

    Some key terms

    • a homologous series 同系列 is a family of compounds with the same functional group and general formula, where each member differs by $\text{CH}_2$.
    • a saturated 饱和 compound has only single C–C bonds; an unsaturated 不饱和 compound has a C=C double bond (or a triple bond).

    Breaking bonds

    A covalent bond can break in two ways:

    • homolytic fission 均裂: the bond splits evenly, one electron to each atom. This makes two free radicals 自由基 (species with an unpaired electron).
    • heterolytic fission 异裂: the bond splits unevenly, both electrons going to one atom. This makes two ions.

    Attacking species

    • a nucleophile 亲核试剂 is a species with a lone pair that is attracted to a positive (electron-poor) centre.
    • an electrophile 亲电试剂 is a species attracted to a negative (electron-rich) centre, such as a C=C double bond.

    Types of reaction

    Reaction What happens
    addition 加成 two molecules join to make one
    substitution 取代 one atom or group is swapped for another
    elimination 消去 a small molecule is removed, making a double bond
    hydrolysis 水解 a molecule is split apart by water
    condensation 缩合 two molecules join and a small molecule (such as water) is lost

    For organic redox, the symbol $[\text{O}]$ stands for one oxygen atom from an oxidising agent, and $[\text{H}]$ for one hydrogen atom from a reducing agent.

    Types of mechanism

    A free-radical reaction happens in three steps: initiation 引发 (radicals are made), propagation 增长 (radicals react and make new radicals), and termination 终止 (two radicals join and stop the chain).

    The main mechanisms you meet are free-radical substitution 自由基取代 (alkanes), electrophilic addition 亲电加成 (alkenes), nucleophilic substitution 亲核取代 (halogenoalkanes) and nucleophilic addition 亲核加成 (carbonyls). In mechanisms, a curly arrow 弯箭头 shows a pair of electrons moving; it starts at a bond or a lone pair 孤对电子.

    한국어

    주요 용어

    • **동족 series(homologous series)**는 동일한 기능기와 일반식을 가진 화합물 가문이며, 구성원들은 서로 $\text{CH}_2$만큼 차이나다.
    • 포화(saturated) 화합물은 C–C 단일 결합만 가지며, 불포화(unsaturated) 화합물은 C=C 이중 결합(또는 삼중 결합)을 가진다.

    결합 깨짐

    공유 결합은 두 가지 방식으로 깨질 수 있다:

    • 균열(homolytic fission): 결합이 균등하게 갈라지며 각 원자에 전자 하나씩이 간다. 이로 인해 두 개의 자유 라디컬(free radicals)(비단전자 한 쌍을 가진 종)이 생성된다.
    • 불균열(heterolytic fission): 결합이 불균등하게 갈라지며 두 전자가 하나의 원자로 이동한다. 이로 인해 두 개의 이온이 생성된다.
    균열분해가 Cl–Cl 결합을 두 염소 라디칼로 나누고, 이종열분해가 결합 전자를 모두 브롬에게 보내 두 이온을 생성하는 모습
    균열은 각 원자에 전자 하나씩을 제공(두 개의 라디컬 생성); 불균열은 하나의 원자에 두 전자를 모두 제공(두 개의 이온 생성)

    공격종(attacking species)

    • **핵친화종(nucleophile)**은 비결합 전자쌍을 가지고 있어 양전하(전자 부족) 중심을 끌어당기는 종이다.
    • **전자친화종(electrophile)**은 음전하(전자 풍부) 중심, 예를 들어 C=C 이중 결합 등을 끌어당기는 종이다.
    나ucleophile이 비결합전자쌍을 사용하여 약간 양전하를 띤 탄소에 공격하는 모습; 전자가充足的인 C=C 이중 결합으로 끌리는 전자가 부족한 물질(electrophile)의 모습
    핵친화종은 비결합 전자쌍을 사용하여 전자 부족 중심을 공격하며, 전자친화종은 전자 풍부한 곳(예: C=C 결합)으로 끌려간다

    반응의 종류

    반응 Contents
    가입(addition) 두 분자가 결합하여 하나의 분자가 됨
    치환(substitution) 하나의 원자나 그룹이 다른 것으로 교체됨
    탈리 작은 분자가 제거되어 이중결합 생성
    가수분해 물에 의해 분자가 분해됨
    축합(condensation) 두 분자가 결합하고 작은 분자(물 등)가 탈락됨

    유기 산화환원 반응에서 기호 $[\text{O}]$는 산화제로부터의 산소 원자 1개를 의미하며, $[\text{H}]$는 환원제로부터의 수소 원자 1개를 의미한다.

    메커니즘의 종류

    자유 라디칼 반응은 세 단계로 진행된다: 시작(initiation)(라디컬 생성), 연장(propagation)(라디ikal 반응 및 새로운 라디컬 생성), 종말(termination)(두 라디컬이 결합하여 사슬 반응 종료).

    주요로 접하는 메커니즘으로는 자유 라디칼 치환(알케인), 전자친화 가입(알KEN), 핵친화 치환(할로알케인), 핵친화 가입(카보닐) 등이 있다. 메커니즘에서 **곡선 화살표(curly arrow)**는 전자쌍의 이동을 나타내며, 결합이나 비결합 전자쌍에서 시작한다.

    Explore · ⁨탐색하기⁩

    Bond fission and attack route · ⁨결합 파열 및 공격 경로⁩

    Watch a polar bond lead to electrophiles, nucleophiles and radicals. · ⁨극성 결합이 전자가 결핍된 종(electrophiles), 전자가 풍부한 종(nucleophiles) 및 라디컬(radicals)로 이어지는 과정을 관찰하십시오.⁩

    Explore · ⁨탐색하기⁩

    Organic reaction type lab · ⁨유기 반응 유형 실험실⁩

    Classify reaction examples by the pattern of bonds changing. · ⁨바뀌는 결합 패턴에 따라 반응 예시를 분류하시오.⁩

    Vocabulary · ⁨어휘⁩ Train · ⁨연습하기⁩
    English 한국어
    homologous series/həˈmɒləɡəs ˈsɪəriːz/ 동족 계열
    saturated/ˈsætʃəreɪtɪd/ 포화 상태
    unsaturated/ʌnˈsætʃəreɪtɪd/ 불포화 상태
    homolytic fission/ˌhɒməˈlɪtɪk ˈfɪʃn/ 균열(fission)
    free radical/friː ˈrædɪkl/ 자유 라디칼
    heterolytic fission/ˌhetrəˈlɪtɪk ˈfɪʃn/ 불균열(heterolytic fission)
    nucleophile/ˈnjuːklɪɒfaɪl/ 친핵체
    electrophile/ɪˌlektrəʊˈfaɪl/ 전자친화체(electrophile)
    addition/əˈdɪʃn/ 첨가(addition)
    substitution/ˌsʌbstɪˈtjuːʃn/ 치환(substitution)
    elimination/ɪˌlɪmɪˈneɪʃn/ 탈출(elimination)
    hydrolysis/haɪˈdrɒləsɪs/ 가수분해(hydrolysis)
    condensation/kɒndenˈseɪʃn/ 축합 반응
    initiation/ɪˌnɪʃɪˈeɪʃn/ 시작 단계(initiation)
    propagation/ˌprɒpəˈɡeɪʃn/ 전파 단계(propagation)
    termination/ˌtɜːmɪˈneɪʃn/ 종결 단계(termination)
    free-radical substitution/friː ˈrædɪkl ˌsʌbstɪˈtjuːʃn/ 자유ラ디칼 치환
    electrophilic addition/ɪˌlektrəʊˈfɪlɪk əˈdɪʃn/ 전자유기적 첨가
    nucleophilic substitution/ˌnjuːklɪəˈfɪlɪk ˌsʌbstɪˈtjuːʃn/ 친핵 치환 반응
    nucleophilic addition/ˌnjuːklɪəˈfɪlɪk əˈdɪʃn/ 핵친핵성 첨가
    curly arrow/ˈkɜːli ˈærəʊ/ 곡선 화살표
    lone pair/ləʊn peə/ 비공유 전자쌍
    13.3

    Shapes of organic molecules · ⁨유기 분자의 형태⁩

    Syllabus
    1. describe organic molecules as either straight-chained, branched or cyclic
    2. describe and explain the shape of, and bond angles in, molecules containing $\text{sp}$, $\text{sp}^2$ and $\text{sp}^3$ hybridised atoms
    3. describe the arrangement of $\sigma$ and $\pi$ bonds in molecules containing $\text{sp}$, $\text{sp}^2$ and $\text{sp}^3$ hybridised atoms
    4. understand and use the term planar when describing the arrangement of atoms in organic molecules, for example ethene

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

    English

    Organic molecules can be straight-chained, branched or cyclic 环状 (in a ring).

    The shape around a carbon depends on its hybridisation 杂化:

    Hybridisation Bonds Shape Angle
    $\text{sp}^3$ 4 single tetrahedral $109.5°$
    $\text{sp}^2$ 1 double + 2 single planar 平面 (flat) $120°$
    $\text{sp}$ 1 triple (or 2 doubles) linear $180°$

    Every single bond is a sigma bond σ键, made by direct overlap. A double bond is one sigma bond plus one pi bond π键, made by sideways overlap of p orbitals. Ethene is planar because of its $\text{sp}^2$ carbons.

    한국어
    볼-스틱 분자 모델
    유기 분자는 명확한 입체 구조를 가진다.

    유기 분자는 직쇄, 가지쇄 또는 고리(cyclic) 형태(링 구조)일 수 있다.

    탄소 주변의 형태는 **혼성화(hybridisation)**에 따라 달라진다:

    혼성화 결합 형태 각도
    $\text{sp}^3$ 4개 단일 사면체 $109.5°$
    $\text{sp}^2$ 1 이중 + 2 단일 평면(planar) $120°$
    $\text{sp}$ 1 삼중(또는 2 이중) 직선形(linear) $180°$

    모든 단일 결합은 직접적인 오버랩으로 형성된 시그마 결합(sigma bond) σ이다. 이중 결합은 시그마 결합 1개와 p 궤도함의 측면 오버랩으로 형성된 피 결합(pi bond) π 1개로 구성된다. 에텐(ethene)은 평면형인데, 이는 그 $\text{sp}^2$ 탄소에 의한 것이다.

    세 개의 탄소: 사면체형 메탄의 sp3 탄소, 평면형 에틸렌의 sp2 탄소, 선형형 에틸린의 sp 탄소, 각각의 결합각
    탄소의 기하학적 형태는 혼성화에서 결정됩니다: sp$^3$은 사면체형($109.5°$), sp$^2$은 평면형($120°$), sp은 선형($180°$)
    Explore · ⁨탐색하기⁩

    Shapes of organic molecules · ⁨유기 분자의 기하학적 형태⁩

    VSEPR around each carbon · ⁨각 탄소 주변의 VSEPR 이론⁩

    Around a single-bonded carbon the four pairs are tetrahedral (109.5°). · ⁨단일 결합 탄소 주변 네 개의 전자 쌍은 사면체(tetrahedral) 구조를 가지며 각도는 109.5°임.⁩

    Vocabulary · ⁨어휘⁩ Train · ⁨연습하기⁩
    English 한국어
    cyclic/ˈsaɪklɪk/ 순환형
    hybridisation/ˌhaɪbrɪdaɪˈzeɪʃn/ 교잡(하이브리다이제이션)
    planar/ˈpleɪnə/ 평면 구조
    sigma bond/ˈsɪɡmə bɒnd/ 시그마 결합
    pi bond/paɪ bɒnd/ π 결합
    13.4

    Isomerism · ⁨이성질성⁩

    Syllabus
    English
    1. describe structural isomerism and its division into chain, positional and functional group isomerism
    2. describe stereoisomerism and its division into geometrical (cis/trans) and optical isomerism (use of E/Z nomenclature is acceptable but is not required)
    3. describe geometrical (cis/trans) isomerism in alkenes, and explain its origin in terms of restricted rotation due to the presence of $\pi$ bonds
    4. explain what is meant by a chiral centre and that such a centre gives rise to two optical isomers (enantiomers) (Candidates should appreciate that compounds can contain more than one chiral centre, but knowledge of meso compounds, or nomenclature such as diastereoisomers is not required.)
    5. identify chiral centres and geometrical (cis/trans) isomerism in a molecule of given structural formula including cyclic compounds
    6. deduce the possible isomers for an organic molecule of known molecular formula
    한국어
    1. 구조 이성질성과 이를 사슬, 위치, 기능기 이성질성으로 구분함을 묘사한다.
    2. 입체 이성질성과 이를 기하 이성질(cis/trans) 및 광학 이성질로 구분함을 묘사한다(E/Z 명명법 사용은 허용되나 필수는 아니다).
    3. 알켄의 기하 이성질(cis/trans)을 묘사하고, $\pi$ 결합 존재로 인한 회전 제한에 기반하여 그 기원을 설명한다.
    4. 키랄 중심의 의미를 설명하고, 이러한 중심이 두 가지 광학 이성질(엔안티오머)을 생성함을 서술한다(시험관은 화합물이 여러 개의 키랄 중심을 가질 수 있음을 인지해야 하지만, 메소 화합물에 대한 지식이나 디아스테레오머와 같은 명명법은 불필요하다).
    5. 주어진 구조식을 가진 분자(고리화합물 포함)에서 키랄 중심과 기하 이성질(cis/trans)을 식별한다.
    6. 알려진 분자식을 가진 유기분자의 가능한 이성질을 유추한다.

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

    English

    Isomers are compounds with the same molecular formula but a different arrangement of atoms. This is called isomerism 异构.

    Structural isomerism

    In structural isomerism 结构异构 the atoms are joined in a different order. There are three kinds:

    • chain isomerism 链异构: the carbon chain is branched in different ways.
    • positional isomerism 位置异构: the functional group is on a different carbon.
    • functional group isomerism 官能团异构: the atoms form a different functional group (for example an alcohol and an ether).

    Stereoisomerism

    In stereoisomerism 立体异构 the atoms are joined in the same order but point in different directions in space.

    • geometrical isomerism 几何异构 (cis/trans) happens at a C=C double bond. The pi bond stops the two carbons rotating (restricted rotation 受限旋转), so groups are fixed on the same side (cis 顺式) or opposite sides (trans 反式).
    • optical isomerism 旋光异构 happens at a chiral 手性 carbon — a chiral centre 手性中心 is a carbon with four different groups attached. Such a carbon gives two mirror-image forms called enantiomers 对映体. A molecule may have more than one chiral centre.

    From a molecular formula you can deduce the possible isomers by trying different chains, positions and functional groups.

    Worked example. Explain why but-2-ene shows cis-trans (E/Z) isomerism but but-1-ene does not. Stereoisomerism at a C=C needs two things: restricted rotation about the double bond (both alkenes have that), and two different groups on each of the two double-bond carbons. In but-2-ene, $\text{CH}_3\text{CH=CHCH}_3$, each double-bond carbon carries an $\text{H}$ and a $\text{CH}_3$ - different, so the methyl groups can sit on the same side (cis / Z) or on opposite sides (trans / E). In but-1-ene, $\text{CH}_2\text{=CHCH}_2\text{CH}_3$, the first carbon carries two hydrogens - identical, so swapping them changes nothing and only one form exists. Test each double-bond carbon separately: two identical groups on either carbon kills the isomerism, however different the other carbon may be.

    한국어

    이성질체는 동일한 분자식을 가지지만 원자의 배열이 다른 화합물입니다. 이를 이성질성이라고 합니다.

    구조 이성질성

    구조 이성질성에서는 원자가 서로 연결되는 순서가 다릅니다. 세 가지 유형이 있습니다:

    • 사슬 이성질성: 탄소 사슬이 differently 가지로 분지합니다.
    • 위치 이성질성: 기능기가 있는 탄소가 다릅니다.
    • 기능기 이성질성: 원자가 다른 기능기를 형성합니다 (예: 알코올과 에터).
    세 쌍의 골격 구조: 부탄 vs 2-메틸프로판, 프로판-1-올 vs 프로판-2-올, 에탄올 vs 메톡시메탄
    세 가지 구조 이성질성 — 사슬, 위치 및 기능기 — 각 쌍이 동일한 분자식을 공유함

    입체 이성질성

    입체 이성질성에서는 원자가 연결되는 순서는 같으나 공간상 방향이 다릅니다.

    • 기하 이성질성 (시스/트랜스)은 C=C 이중 결합에서 발생합니다. π 결합으로 인해 두 탄소가 회전할 수 없습니다 (회전 제한), 따라서 그룹들이 같은 쪽(시스) 또는 반대쪽(트랜스)에 고정됩니다.
    부트-2-엔을 두 번 그림: 시스는 메틸 그룹이 이중 결합의 같은 쪽에, 트랜스는 반대쪽에 있음
    C=C 결합에서의 시스-트랜스 이성질성: 결합이 회전할 수 없으므로 메틸 그룹들은 같은 쪽(시스) 또는 반대쪽(트랜스)에 고정됨
    • 광학 이성질성은 키랄 탄소에서 발생합니다 — 키랄 중심은 네 개의 다른 그룹이 결합된 탄소를 말합니다. 이러한 탄소는 거울상 이성질체라고 불리는 두 가지 거울상 형태를 만듭니다. 한 분자는 여러 키랄 중심을 가질 수 있습니다.
    네 개의 다른 원자(F, H, Cl, Br)와 결합된 탄소를 거울상과 함께 그림, 두 형상은 겹칠 수 없음
    광학 이성질성: 네 개의 다른 그룹이 결합된 탄소는 겹칠 수 없는 두 가지 거울상 형태(거울상 이성질체)를 만듦

    분자식으로부터 다양한 사슬, 위치 및 기능기를 시도함으로써 가능한 이성질체를 추론할 수 있습니다.

    해설 예제. 부트-2-엔이 시스-트랜스(E/Z) 이성질성을 보이는 반면 부트-1-엔은 그렇지 않은 이유를 설명하시오. C=C에서의 입체 이성질성에는 두 가지 조건이 필요합니다: 이중 결합에 대한 회전 제한(모든 알켄이 해당함), 그리고 두 이중 결합 탄소 각각에 서로 다른 두 개의 그룹이 존재하는 것. 부트-2-엔, $\text{CH}_3\text{CH=CHCH}_3$, 각 이중 결합 탄소에는 $\text{H}$과 $\text{CH}_3$이 붙어 있음 - 다르므로 메틸 그룹은 같은 쪽(시스 / Z)이나 반대쪽(트랜스 / E)에 배치될 수 있음. 부트-1-엔, $\text{CH}_2\text{=CHCH}_2\text{CH}_3$, 첫 번째 탄소에는 두 개의 수소가 붙어 있음 - 동일하므로, 교바꿈해도 변화가 없고 오직 하나의 형태만 존재함. 각 이중 결합 탄소를 개별적으로 검증하시오: 어떤 탄소에도 동일한 그룹이 두 개 있다면, 다른 탄소가 아무리 다르더라도 이성질성은 발생하지 않음.

    Explore · ⁨탐색하기⁩

    Structural isomerism lab · ⁨구조 이성질체 험⁩

    Compare molecules with the same formula but different structures. · ⁨같은 식이지만 다른 구조를 가진 분자 비교.⁩

    Vocabulary · ⁨어휘⁩ Train · ⁨연습하기⁩
    English 한국어
    isomerism/ˈaɪsəmərɪzəm/ 이성질
    structural isomerism/ˈstrʌktʃərəl ˈaɪsəmərɪzəm/ 구조 이성체성
    chain isomerism/tʃeɪn ˈaɪsəmərɪzəm/ 사슬 이성질체
    positional isomerism/pəˈzɪʃənl ˈaɪsəmərɪzəm/ 위치 이성질체
    functional group isomerism/ˈfʌŋkʃənl ɡruːp ˈaɪsəmərɪzəm/ 기능기 이성질체
    stereoisomerism/ˈsterɪəʊɪsəmərɪzəm/ 입체 이성체성
    geometrical isomerism/ˌdʒiːəʊˈmetrɪkl ˈaɪsəmərɪzəm/ 기하 이성질체(geometrical isomerism)
    restricted rotation/rɪˈstrɪktɪd rəʊˈteɪʃn/ 회전 제한
    cis/sɪs/ cis
    trans/trænz/ trans
    optical isomerism/ˈɒptɪkl ˈaɪsəmərɪzəm/ 광학 이성체성
    chiral/ˈkaɪrəl/ 카이랄
    chiral centre/ˈkaɪrəl ˈsentə/ 키랄 중심
    enantiomers/eˈnæntɪəməz/ 거울 이성질체
    Watch lesson · ⁨수업 보기⁩
    13.4

    Exam tips · ⁨시험 팁⁩

    English
    • Know the difference between general, molecular, structural, displayed and skeletal formulas — questions ask for a specific one.
    • Name systematically: longest chain, lowest locants, substituents alphabetical; a wrong locant loses the mark.
    • Classify each reaction by type and reagent (addition, substitution, elimination, oxidation).
    • E/Z isomerism needs restricted rotation about a $\text{C}=\text{C}$ and two different groups on each carbon.
    한국어
    • 일반식, 분자식, 구조식, 표시식, 골격식의 차이를 알고 있라 — 문제에서 특정 형식을 요구함.
    • 체계명 명명: 가장 긴 사슬, 낮은 위치 번호, 치환체 알파벳 순서; 잘못된 위치 번호는 점수 박탈.
    • 각 반응을 유형과 시약으로 분류함 (첨가, 치환, 탈리, 산화).
    • E/Z 이성질성은 $\text{C}=\text{C}$에 대한 회전 제한과 각 탄소 위에 서로 다른 두 개의 그룹이 필요함.
  • 14

    Hydrocarbons

    Watch lesson · ⁨수업 보기⁩
    14.1

    Alkanes · ⁨알케인⁩

    Syllabus
    English
    1. recall the reactions (reagents and conditions) by which alkanes can be produced: (a) addition of hydrogen to an alkene in a hydrogenation reaction, $\text{H}_2\text{(g)}$ and $\text{Pt/Ni}$ catalyst and heat (b) cracking of a longer chain alkane, heat with $\text{Al}_2\text{O}_3$
    2. describe: (a) the complete and incomplete combustion of alkanes (b) the free-radical substitution of alkanes by $\text{Cl}_2$ or $\text{Br}_2$ in the presence of ultraviolet light, as exemplified by the reactions of ethane
    3. describe the mechanism of free-radical substitution with reference to the initiation, propagation and termination steps
    4. suggest how cracking can be used to obtain more useful alkanes and alkenes of lower $M_r$ from heavier crude oil fractions
    5. understand the general unreactivity of alkanes, including towards polar reagents in terms of the strength of the $\text{C–H}$ bonds and their relative lack of polarity
    6. recognise the environmental consequences of carbon monoxide, oxides of nitrogen and unburnt hydrocarbons arising from the combustion of alkanes in the internal combustion engine and of their catalytic removal
    한국어
    1. 알케인을 생성할 수 있는 반응(시약 및 조건)을 기억한다: (a) 수소화 반응에서 알케인への 수소 첨가, $\text{H}_2\text{(g)}$ 및 $\text{Pt/Ni}$ 촉매 및 열 (b) 더 긴 사슬의 알칸의 크랙링, $\text{Al}_2\text{O}_3$과 함께 가열
    2. 다음을 묘사한다: (a) 알케인의 완전 연소 및 불완전 연소 (b) 자외선 하에서 $\text{Cl}_2$ 또는 $\text{Br}_2$에 의한 알케인의 자유 라디칼 치환(에테인의 반응 예시).
    3. 개시, 전파, 종결 단계를 참고하여 자유 라디칼 치환의 기전을 묘사한다.
    4. 더 무거운 원유 분획으로부터 더 유용한 저$M_r$ 알케인과 알켄을 얻기 위해 분해를 어떻게 활용할 수 있는지 제안한다.
    5. $\text{C–H}$ 결합의 강도와 상대적인 극성 부재를 근거로 알케인의 일반적인 비활성성, 특히 극성 시약에 대한 비활성성을 이해한다.
    6. 내부연소기관에서의 알케인 연소로 발생하는 일산화탄소, 질소 산화물, 미연소 탄화수소 및它们的催化除去的 환경后果를 인식한다.

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

    English

    Alkanes 烷烃 are saturated hydrocarbons (general formula $\text{C}_n\text{H}_{2n+2}$).

    Making alkanes

    • hydrogenation 氢化: add hydrogen to an alkene 烯烃, using a $\text{Pt}$ or $\text{Ni}$ catalyst and heat.
    • cracking 裂化: break a long-chain alkane into shorter ones by heating with $\text{Al}_2\text{O}_3$.

    Combustion

    In combustion 燃烧 an alkane burns in oxygen:

    • complete combustion 完全燃烧 (plenty of oxygen) gives carbon dioxide and water.
    • incomplete combustion 不完全燃烧 (not enough oxygen) gives water plus toxic carbon monoxide 一氧化碳 ($\text{CO}$) and soot (carbon).

    You are often asked to write the balanced equation. Balance it in a fixed order - carbon first, then hydrogen, and oxygen last - because oxygen is the only element left on just one side:

    $$\text{C}_6\text{H}_{14} + 9\tfrac{1}{2}\,\text{O}_2 \rightarrow 6\,\text{CO}_2 + 7\,\text{H}_2\text{O}$$

    The 6 carbons fix $6\,\text{CO}_2$; the 14 hydrogens fix $7\,\text{H}_2\text{O}$; counting the oxygens on the right gives $12 + 7 = 19$, so the left needs $19 \div 2 = 9\tfrac{1}{2}$. A half of $\text{O}_2$ is perfectly acceptable in this equation - and if the question asks for whole numbers, simply double everything ($2\,\text{C}_6\text{H}_{14} + 19\,\text{O}_2 \rightarrow 12\,\text{CO}_2 + 14\,\text{H}_2\text{O}$).

    Free-radical substitution

    Alkanes react with chlorine or bromine by free-radical substitution 自由基取代, in ultraviolet light 紫外线. For ethane and chlorine the mechanism has three steps:

    • initiation 引发 — UV light splits the halogen into two free radicals 自由基: $\;\text{Cl}_2 \rightarrow 2\,\text{Cl}\cdot$ This kind of break is homolytic fission 均裂: the bond splits evenly, one electron going to each atom, which is what makes two radicals. (The opposite, heterolytic fission 异裂, sends both electrons to one atom and makes a pair of ions - that is what happens in the polar mechanisms such as electrophilic addition.) Examiners ask for this word by name, so use it.
    • propagation 增长 — radicals react and make new radicals:
      $$\text{Cl}\cdot + \text{C}_2\text{H}_6 \rightarrow \text{C}_2\text{H}_5\cdot + \text{HCl} \qquad \text{C}_2\text{H}_5\cdot + \text{Cl}_2 \rightarrow \text{C}_2\text{H}_5\text{Cl} + \text{Cl}\cdot$$
    • termination 终止 — two radicals join, ending the chain: $\;\text{Cl}\cdot + \text{C}_2\text{H}_5\cdot \rightarrow \text{C}_2\text{H}_5\text{Cl}$

    Why cracking is useful, and why alkanes are unreactive

    Cracking turns heavy fractions of crude oil 原油 into more useful, lower-$M_r$ alkanes and alkenes. (A fraction 馏分 is a group of molecules with a similar boiling-point range.)

    Alkanes are generally unreactive, especially towards polar reagents. This is because the C–H and C–C bonds are strong and have little polarity 极性, so there is no charge to attract an attacking species.

    Environmental effects

    Burning alkanes in an internal combustion engine gives off carbon monoxide, oxides of nitrogen and unburnt hydrocarbons. A catalytic converter removes these by turning them into harmless gases.

    한국어
    가스 레인지의 파란색 불꽃
    천연 가스 — 주로 메탄(가장 간단한 알케인) — 레인지에서 연소됨.

    알케인은 포화 탄화수소 (일반식 $\text{C}_n\text{H}_{2n+2}$)입니다.

    알케인 제조

    • 수소 첨가: 알켄에 수소 첨가, $\text{Pt}$ 또는 $\text{Ni}$ 촉매 및 열 사용.
    • 크래킹: 장쇄 알케인을 $\text{Al}_2\text{O}_3$과 함께 가열하여 단쇄로 분해.

    연소

    연소 과정에서 알케인이 산소 속에서 타오릅니다:

    완전 연소는 CO2와 물을 생성; 불완전 연소는 CO와 재도 생성
    완전 연소는 CO2와 물을, 불완전 연소는 CO와 재도 산출한다
    • 완전 연소(산소 충분)는 이산화탄소와 물을 생성.
    • 불완전 연소(산소 부족)는 물 plus 독성 일산화탄소($\text{CO}$)와 재(탄소)를 생성.

    반응식을 배위하도록 자주 요청받습니다. 배위는 일정한 순서로 수행하십시오 — 탄소 먼저, 다음 수소, 그리고 산소 마지막 — 산소는 한 쪽에만 남아있는 유일한 원소이기 때문입니다:

    $$\text{C}_6\text{H}_{14} + 9\tfrac{1}{2}\,\text{O}_2 \rightarrow 6\,\text{CO}_2 + 7\,\text{H}_2\text{O}$$

    6개의 탄소가 $6\,\text{CO}_2$을 고정하고, 14개의 수소가 $7\,\text{H}_2\text{O}$을 고정하며, 오른쪽의 산소 수를 세면 $12 + 7 = 19$이 되므로 왼쪽은 $19 \div 2 = 9\tfrac{1}{2}$이 필요합니다. 이 반응식에서 $\text{O}_2$의 반도 완전히 허용되며, 문제가 정수를 요구한다면 모든 것을 단순히 두 배로 하십시오 ($2\,\text{C}_6\text{H}_{14} + 19\,\text{O}_2 \rightarrow 12\,\text{CO}_2 + 14\,\text{H}_2\text{O}$).

    자유 라디칼 치환

    알케인은 염소 또는 브롬과 자유 라디칼 치환 반응을 일으키며, 자외선 아래에서 이루어집니다. 에탄과 염소의 경우 메커니즘은 세 단계로 구성됩니다:

    • 시작 — 자외선이 할로젠을 두 개의 자유 라디칼로 분열: $\;\text{Cl}_2 \rightarrow 2\,\text{Cl}\cdot$ 이类型的 분리는 동형裂解: 결합이 균등하게 분리되어 각 원자에 하나씩 전자가 Going, 이것이 두 개의 라디칼을 만드는 이유입니다. (반대인 이형裂解는 양쪽 전자를 하나의 원자로 보내 이온 쌍을 만듭니다 — 이는 친전자성 첨가와 같은 극성 메커니즘에서 일어나는 현상입니다.) 시험관은 이 용어를 이름으로 묻는 경우가 있으므로 반드시 사용하십시오.
    • 확장(propagation) — 라디칼이 반응하여 새로운 라디칼 생성:
      $$\text{Cl}\cdot + \text{C}_2\text{H}_6 \rightarrow \text{C}_2\text{H}_5\cdot + \text{HCl} \qquad \text{C}_2\text{H}_5\cdot + \text{Cl}_2 \rightarrow \text{C}_2\text{H}_5\text{Cl} + \text{Cl}\cdot$$
    • 종결 — 두 라디칼이 결합하여 사슬이 끝남: $\;\text{Cl}\cdot + \text{C}_2\text{H}_5\cdot \rightarrow \text{C}_2\text{H}_5\text{Cl}$
    자유 라디칼 치환의 세 단계: 초기화(염소를 라디칼로 분해), 전파(사슬 전달), 종결(두 라디칼 결합)
    자유 라디칼 치환은 세 단계로 이루어집니다: 초기화가 라디칼을 생성하고, 전파가 사슬을 전달하며, 종결이 이를 멈춥니다.

    크래킹이 유용한 이유와 알카নের 비활성성

    크래킹은 원유의 무거운 fractions를 더 유용하고 낮은-$M_r$ 알케인과 알kanes로 전환합니다. (fraction은 유사한 끓는점 범위를 가진 분자의 집합입니다.)

    알카인은 일반적으로 비활성이며, 특히 극성 시약에 대해 그렇습니다. 이는 C–H 및 C–C 결합이 강하고 극성이 적어 공격하는 종을 끌어당길 전하가 없기 때문입니다.

    환경 영향

    내연 기관에서 알카인을 연소하면 일산화탄소, 질소 산化物 및 미연소 탄화수소가 배출됩니다. 촉매 변환기는 이를 무해한 기체로 전환하여 제거합니다.

    Explore · ⁨탐색하기⁩

    The tetrahedral carbon · ⁨사면체 탄소(tetrahedral carbon)⁩

    Each carbon in an alkane has four bonding pairs and no lone pairs — they spread as far apart as possible into a tetrahedron (109.5°). · ⁨알케인의 각 탄소는 네 개의 결합쌍과 비공유전자쌍이 없으며, 가능한 한 멀리 떨어져 사면체(tetrahedron) 형태로 배치되어 109.5°의 결합각을 가짐.⁩

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    Free-radical substitution · ⁨자유 라디칼 치환반응(free-radical substitution)⁩

    Methane reacts with chlorine in UV light by a chain of radical steps. · ⁨메테인(methane)은 자외선(UV) 하에서 클로린과 라디칼 단계의 연쇄반응을 통해 반응함.⁩

    Vocabulary · ⁨어휘⁩ Train · ⁨연습하기⁩
    English 한국어
    alkane/ˈælkeɪn/ 알케인
    hydrogenation/haɪˈdrɒdʒəneɪʃn/ 수소화
    alkene/ˈælkiːn/ 알켄
    cracking/ˈkrækɪŋ/ 크래킹
    combustion/kəmˈbʌstʃn/ 연소
    complete combustion/kəmˈpliːt kəmˈbʌstʃn/ 완전 연소
    incomplete combustion/ɪŋkəmˈpliːt kəmˈbʌstʃn/ 불완전 연소
    carbon monoxide/ˈkɑːbən mʌˈnɒksaɪd/ 일산화탄소
    free-radical substitution/friː ˈrædɪkl ˌsʌbstɪˈtjuːʃn/ 자유ラ디칼 치환
    ultraviolet light/ˌʊltrəˈvaɪəlɪt laɪt/ 자외선(UV) 빛
    initiation/ɪˌnɪʃɪˈeɪʃn/ 시작 단계(initiation)
    free radical/friː ˈrædɪkl/ 자유 라디칼
    propagation/ˌprɒpəˈɡeɪʃn/ 전파 단계(propagation)
    termination/ˌtɜːmɪˈneɪʃn/ 종결 단계(termination)
    crude oil/kruːd ɔɪl/ 원유
    fraction/ˈfrækʃn/ 분馏(분획)
    polarity/pəʊˈlærɪti/ 극성
    elimination/ɪˌlɪmɪˈneɪʃn/ 탈출(elimination)
    halogenoalkane/ˈheɪləʊdʒnəʊlkeɪn/ 할로젠알케인
    dehydration/ˌdiːhaɪˈdreɪʃn/ 탈수 반응
    alcohol/ˈælkəhɒl/ 알코올
    14.2

    Alkenes · ⁨알켄⁩

    Syllabus
    1. recall the reactions (including reagents and conditions) by which alkenes can be produced: (a) elimination of $\text{HX}$ from a halogenoalkane by ethanolic $\text{NaOH}$ and heat (b) dehydration of an alcohol, by using a heated catalyst (e.g. $\text{Al}_2\text{O}_3$) or a concentrated acid (e.g. concentrated $\text{H}_2\text{SO}_4$) (c) cracking of a longer chain alkane
    2. describe the following reactions of alkenes: (a) the electrophilic addition of (i) hydrogen in a hydrogenation reaction, $\text{H}_2\text{(g)}$ and $\text{Pt/Ni}$ catalyst and heat (ii) steam, $\text{H}_2\text{O(g)}$ and $\text{H}_3\text{PO}_4$ catalyst (iii) a hydrogen halide, $\text{HX(g)}$, at room temperature (iv) a halogen, $\text{X}_2$ (b) the oxidation by cold dilute acidified $\text{KMnO}_4$ to form the diol (c) the oxidation by hot concentrated acidified $\text{KMnO}_4$ leading to the rupture of the carbon–carbon double bond and the identities of the subsequent products to determine the position of alkene linkages in larger molecules (d) addition polymerisation exemplified by the reactions of ethene and propene
    3. describe the use of aqueous bromine to show the presence of a C=C bond
    4. describe the mechanism of electrophilic addition in alkenes, using bromine/ethene and hydrogen bromide/propene as examples
    5. describe and explain the inductive effects of alkyl groups on the stability of primary, secondary and tertiary cations formed during electrophilic addition (this should be used to explain Markovnikov addition)

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

    English

    Alkenes have a C=C double bond (general formula $\text{C}_n\text{H}_{2n}$). The double bond is the functional group, so alkenes are reactive.

    Making alkenes

    • elimination 消去 of $\text{HX}$ from a halogenoalkane 卤代烷, using $\text{NaOH}$ dissolved in ethanol, with heat.
    • dehydration 脱水 of an alcohol 醇, using a hot $\text{Al}_2\text{O}_3$ catalyst or concentrated sulfuric acid.
    • cracking of a longer-chain alkane.

    Reactions of alkenes

    Most reactions are electrophilic addition 亲电加成 across the double bond:

    Reagent and conditions Product
    $\text{H}_2$, $\text{Pt/Ni}$ catalyst, heat alkane
    steam 水蒸气 ($\text{H}_2\text{O}$), $\text{H}_3\text{PO}_4$ catalyst alcohol
    a hydrogen halide 卤化氢 ($\text{HX}$), room temperature halogenoalkane
    a halogen $\text{X}_2$ a di-substituted alkane

    There are also two oxidation reactions with acidified $\text{KMnO}_4$:

    • cold, dilute $\text{KMnO}_4$ adds two $\text{–OH}$ groups to give a diol 二醇.
    • hot, concentrated $\text{KMnO}_4$ breaks the C=C bond right apart, and what each half turns into tells you exactly where the double bond used to be.

    That second reaction is worth learning properly, because it is how the exam asks you to locate a double bond in a large molecule. Oxidation is written with $[\text{O}]$, meaning "an oxygen atom from the oxidising agent". Cut the molecule at the C=C, then look at what each of the two carbons was carrying:

    The C=C carbon carries It becomes
    two alkyl groups ($\text{=CR}_2$) a ketone 酮, $\text{R}_2\text{C=O}$
    one alkyl and one $\text{H}$ ($\text{=CHR}$) a carboxylic acid 羧酸, $\text{RCOOH}$
    two hydrogens ($\text{=CH}_2$) $\text{CO}_2$ and water

    The pattern is simply how many hydrogens that carbon had: none stops at a ketone, one is pushed on to an acid, and two are oxidised all the way to $\text{CO}_2$.

    Worked example. Give the products when $(\text{CH}_3)_2\text{C=CHCH}_3$ is heated with hot concentrated acidified $\text{KMnO}_4$. Cut at the C=C and take each carbon separately. The left carbon carries two methyl groups and no hydrogen, so it stops at a ketone: $(\text{CH}_3)_2\text{C=O}$, which is propanone. The right carbon carries one methyl and one H, so it goes on to a carboxylic acid: $\text{CH}_3\text{COOH}$, ethanoic acid. So:

    $$(\text{CH}_3)_2\text{C=CHCH}_3 + 3[\text{O}] \rightarrow \text{CH}_3\text{COCH}_3 + \text{CH}_3\text{COOH}$$

    Now run it backwards, which is the way the question is usually set. Given the products, rebuild the alkene by putting the two carbonyl carbons back together as a C=C: a ketone means that carbon had two alkyl groups, an acid means one alkyl and one H, and $\text{CO}_2$ means the chain ended in $\text{=CH}_2$. Getting $\text{CO}_2$ is the strongest clue of all - it can only come from a terminal double bond.

    Test for a C=C bond

    Shake the compound with orange bromine water 溴水. An alkene decolourises it (turns it colourless) by electrophilic addition. An alkane does not.

    Addition polymerisation

    In addition polymerisation 加成聚合, many alkene molecules join into one long chain, with no other product. Ethene gives poly(ethene). The long-chain product is a polymer 聚合物.

    The mechanism and Markovnikov's rule

    In electrophilic addition (for example bromine with ethene), the electron-rich C=C attracts the electrophile. This forms a positive intermediate called a carbocation 碳正离子, which the negative part then attacks.

    Alkyl groups push electrons towards the positive carbon — this is the inductive effect 诱导效应. So a carbocation with more alkyl groups is more stable: tertiary is more stable than secondary, which is more stable than primary. When $\text{HBr}$ adds to propene, the more stable carbocation forms, so hydrogen adds to the carbon that already has more hydrogens. This pattern is Markovnikov's rule 马氏规则.

    Worked example. Predict the major product when $\text{HBr}$ adds to propene, $\text{CH}_3\text{CH=CH}_2$. The $\text{H}^{+}$ adds first, and it adds in whichever way makes the more stable carbocation. Adding the $\text{H}$ to the end carbon puts the positive charge on the middle carbon, giving a secondary carbocation, which is stabilised by electron-releasing alkyl groups on two sides. Adding it to the middle carbon would leave a less stable primary carbocation. The bromide ion then attacks the secondary carbocation, so the major product is 2-bromopropane. That is Markovnikov's rule - but quote the reason (carbocation stability: tertiary > secondary > primary), because the rule on its own is not the explanation.

    한국어
    석유 정제소
    정제소에서 무거운 fraction을 크래킹하여 플라스틱과 연료용 알켄을 생산합니다.

    알켄은 C=C 이중 결합을 가집니다 (일반식 $\text{C}_n\text{H}_{2n}$). 이중 결합이 기능기이므로 알켄은 반응성이 높습니다.

    알켄 제조

    • 할로젠알칸으로부터 $\text{HX}$의 탈출, 에탄올에 용해된 $\text{NaOH}$과 열을 사용하여.
    • 알코올의 탈수, 뜨거운 $\text{Al}_2\text{O}_3$ 촉매 또는 농황산을 사용하여.
    • 긴 사슬의 알카인 크래킹.

    알켄의 반응

    대부분의 반응은 이중 결합에 대한 전자공여 첨가 반응입니다:

    시약 및 조건 생성물
    $\text{H}_2$, $\text{Pt/Ni}$ 촉매, 열 알카인
    증기($\text{H}_2\text{O}$), $\text{H}_3\text{PO}_4$ 촉매 알코올
    할로젠수산($\text{HX}$), 상온 할로젠알칸
    할로젠 $\text{X}_2$ 이-치환 알카인

    산화된 $\text{KMnO}_4$과의 두 가지 산화 반응도 있습니다:

    • 차갑고 희석된 $\text{KMnO}_4$은 두 개의 $\text{–OH}$ 기를 추가하여 다이올을 만듭니다.
    • 뜨겁고 농축된 $\text{KMnO}_4$은 C=C 결합을 완전히 끊으며, 각 부분이 어떻게 변하는지를 통해 이중 결합이Previously 있었던 위치를 정확히 알 수 있습니다.

    두 번째 반응은 시험에서 큰 분자 내의 이중 결합 위치를 특정하는 방식으로 출제되므로 잘 학습할 가치가 있습니다. 산화는 $[\text{O}]$로 표기되며, 이는 "산화제로부터 산소 원자"를 의미합니다. 분자를 C=C에서 자른 후 각 탄소 원자가 originally 가지고 있던 것을 확인하세요:

    C=C 탄소가 가져온 것 转变为
    두 개의 알킬 그룹($\text{=CR}_2$) 케톤, $\text{R}_2\text{C=O}$
    하나의 알킬과 하나의 $\text{H}$($\text{=CHR}$) 카복실산, $\text{RCOOH}$
    두 개의 수소($\text{=CH}_2$) $\text{CO}_2$과 물

    이 패턴은 단순히 해당 탄소에 있던 수소의 개수에 불과합니다: 수소가 없으면 케톤에서 멈추고, 하나 있으면 카복실산으로oxidized되며, 두 개이면 모두 $\text{CO}_2$까지 산화됩니다.

    풀이 예제. $(\text{CH}_3)_2\text{C=CHCH}_3$을 뜨겁고 농축된 산화된 $\text{KMnO}_4$과 함께 가열했을 때의 생성물을 구하십시오. C=C에서 자르고 각 탄소 원자를 개별적으로 고려합니다. 왼쪽 탄소 원자는 두 메틸 그룹과 수소 원자가 없으므로 케톤에서 멈춥니다: $(\text{CH}_3)_2\text{C=O}$, 즉 프로판온. 오른쪽 탄소 원자는 하나의 메틸과 하나의 H를 가지고 있으므로 카복실산으로延伸됩니다: $\text{CH}_3\text{COOH}$, 아세트산. 따라서:

    $$(\text{CH}_3)_2\text{C=CHCH}_3 + 3[\text{O}] \rightarrow \text{CH}_3\text{COCH}_3 + \text{CH}_3\text{COOH}$$

    이제 반대로 진행하여, 이것이 보통 문제 설정 방식입니다. 생성물이 주어졌을 때, 두 카보닐 탄소 원자를 다시 C=C로 합쳐 알켄을 재구성합니다: 케톤은 해당 탄소가 두 개의 알킬 그룹을 가졌음을, 카복실산은 하나의 알킬과 하나의 H를 가졌음을 의미하며, $\text{CO}_2$은 사슬이 $\text{=CH}_2$에서 끝났음을 의미합니다. $\text{CO}_2$를 얻는 것이 가장 강력한 단서입니다 - 이는 오직 말단 이중 결합에서 유래할 수 있습니다.

    C=C 결합 검증

    -compound를 오렌지색 브롬수와 흔들어 섞으십시오. 알켄은 전자공여 첨가 반응을 통해 이를 무색화시킵니다(무색으로 변함). 알카인은这样做하지 않습니다.

    두 개의 시험관 속 오렌지 브로민수: 알켄이 포함된 것은 무색으로 변했고, 알kan가 포함된 것은 여전히 오렌지색입니다
    브롬수 테스트: 알켄은 오렌지 브롬수를 무색화시키지만, 알카인은 오렌지색을 유지함

    첨가 중합

    첨가 중합에서 많은 알켄 분자들이 다른 생성물 없이 하나의 긴 사슬로 결합합니다. 에텐은 폴리에테인을 만듭니다. 긴 사슬 생성물은 폴리머입니다.

    왼쪽에 이중 결합을 가진 n개의 에텐 분자가 오른쪽 괄호 안에 폴리에테인의 반복 단위로 변함
    첨가 중합: 많은 에텐 분자가 이중 결합을 열고 폴리에테인의 긴 사슬로 결합함

    기전과 마르코프니코프 규칙

    전자공여 첨가(예: 에텐에 브롬 첨가)에서 전자풍부한 C=C는 전자공여체를 끌어당깁니다. 이로 양이온 중간체인 카르본양이온이 형성되고, 이후 음이온 부분이 이를 공격합니다.

    에텐에 브롬이 첨가되는 기전: 곡선 화살표가 C=C가 하나의 브롬을 공격하고, 카르본양이온이 형성된 후 브로마이드가 이를 공격하여 1,2-디브로모에테인을 만듦을 나타냄
    에텐에 브롬의 전자공여 첨가: C=C가 Br$^{\delta+}$을 공격하고, 카르본양이온이 형성된 후 Br$^-$이 이를 공격함

    알킬 그룹은 양이온 탄소를 향해 전자를 밀어내는 경향이 있으며, 이를 유도 효과라고 합니다. 따라서 알킬 그룹이 더 많은 카르본양이온이 더 안정적입니다: 삼차(tertiary)가 이차(secondary)보다 안정적이고, 이차가 일차(primary)보다 안정적입니다. $\text{HBr}$이 프로필렌에 첨가될 때, 더 안정적인 카르본양이온이 형성되므로 수소는 이미 더 많은 수소를 가진 탄소에 첨가됩니다. 이 패턴을 마르코프니코프 규칙이라고 합니다.

    일차, 이차, 삼차 카르본양이온과 알킬 그룹이 양이온 탄소를 향해 전자를 밀어넣는 화살표, 왼쪽에서 오른쪽으로 안정성이 증가하는 모습
    알킬 기가 더 많은 것을 밀어 넣음에 따라 primary에서 tertiary로 갈수록 카ربocation 안정성이 증가하는데, 이것이 Markovnikov 규칙의 근거입니다

    작업 예제. $\text{HBr}$이 프로펜 $\text{CH}_3\text{CH=CH}_2$에 첨가될 때 주생성물을 예측하십시오. $\text{H}^{+}$이 먼저 첨가되며, 이는 더 안정적인 카ربocation을 만드는 방향으로 첨가됩니다. $\text{H}$을 끝 탄소에 첨가하면 양전하가 중간 탄소에 위치하여 secondary 카ربocation을 만들게 되는데, 이는 두 쪽의 전자 방출성 알킬 기에 의해 안정화됩니다.中間탄소에 첨가하면 덜 안정적인 primary 카ربocation이 남습니다. 그 후 브로마이드 이온이 secondary 카ربocation을 공격하므로 주생성물은 2-브로모프로판입니다. 이것이 Markovnikov 규칙이지만, 규칙 자체만 인용해서는 안 되며 이유(카ربocation 안정성: tertiary > secondary > primary)를 명시해야 합니다. 규칙만으로는 설명이 되기 때문입니다.

    Explore · ⁨탐색하기⁩

    Alkene addition route · ⁨알켄 첨가 경로(addition route)⁩

    Follow how the C=C bond opens and new atoms add. · ⁨C=C 결합이 열리고 새로운 원자가 추가되는 과정을 따름.⁩

    Vocabulary · ⁨어휘⁩ Train · ⁨연습하기⁩
    English 한국어
    electrophilic addition/ɪˌlektrəʊˈfɪlɪk əˈdɪʃn/ 전자유기적 첨가
    steam/stiːm/ 증기
    hydrogen halide/ˈhaɪdrədʒn ˈhælaɪd/ 수소 할화물
    diol/dɪˈɒl/ 다이올(diols)
    bromine water/ˈbrəʊmaɪn ˈwɔːtə/ 브롬수
    addition polymerisation/əˈdɪʃn ˌpɒlɪməraɪˈzeɪʃn/ 가중중합
    polymer/ˈpɒlɪmə/ 고분자
    carbocation/ˌkɑːbəˈkeɪʃn/ 카보카티온
    inductive effect/ɪnˈdʌktɪv ɪˈfekt/ 유도 효과
    Markovnikov's rule/ˈmɑːkəvnɪkɒvz ruːl/ 마르코프니코프 규칙
    homolytic fission/ˌhɒməˈlɪtɪk ˈfɪʃn/ 균열(fission)
    heterolytic fission/ˌhetrəˈlɪtɪk ˈfɪʃn/ 불균열(heterolytic fission)
    ketone/ˈketəʊn/ 케톤
    carboxylic acid/ˌkɑːbəkˈsɪlɪk ˈæsɪd/ 카복실산
    Watch lesson · ⁨수업 보기⁩
    14.2

    Exam tips · ⁨시험 팁⁩

    English
    • Alkanes: free-radical substitution needs UV light — show initiation, propagation and termination with the radical dots.
    • Alkenes: electrophilic addition via a carbocation; draw curly arrows from the $\text{C}=\text{C}$.
    • Markovnikov: H adds to the carbon with more H's, via the more stable carbocation (alkyl groups are electron-releasing).
    • Test for $\text{C}=\text{C}$: bromine water decolourises (orange → colourless) — state the observation.
    한국어
    • 알케인: 자유 라디칼 치환에는 자외선 광이 필요합니다 — 라디칼 점과 함께 개시, 증진, 종결 단계를 보여주세요.
    • 알켄: 카르보양이온을 거치는 전자기체 첨가 반응; $\text{C}=\text{C}$에서 곡선 화살표를 그리세요.
    • 마르코프니코프: H는 H가 더 많은 탄소에 첨가되며, 더 안정적인 카르보양이온을 통해 이루어집니다 (알킬 기는 전자 방출성임).
    • $\text{C}=\text{C}$의 검사: 브로민水是 탈색된다 (주황색 → 무색) — 관측 결과를 서술하십시오.
  • 15

    Halogen compounds

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    15.1

    Halogenoalkanes · ⁨할로젠알케인⁩

    Syllabus
    English
    1. recall the reactions (reagents and conditions) by which halogenoalkanes can be produced: (a) the free-radical substitution of alkanes by $\text{Cl}_2$ or $\text{Br}_2$ in the presence of ultraviolet light, as exemplified by the reactions of ethane (b) electrophilic addition of an alkene with a halogen, $\text{X}_2$, or hydrogen halide, $\text{HX(g)}$, at room temperature (c) substitution of an alcohol, e.g. by reaction with $\text{HX(g)}$; or with $\text{KCl}$ and concentrated $\text{H}_2\text{SO}_4$ or concentrated $\text{H}_3\text{PO}_4$; or with $\text{PCl}_3$ and heat; or with $\text{PCl}_5$; or with $\text{SOCl}_2$
    2. classify halogenoalkanes into primary, secondary and tertiary
    3. describe the following nucleophilic substitution reactions: (a) the reaction with $\text{NaOH(aq)}$ and heat to produce an alcohol (b) the reaction with $\text{KCN}$ in ethanol and heat to produce a nitrile (c) the reaction with $\text{NH}_3$ in ethanol heated under pressure to produce an amine (d) the reaction with aqueous silver nitrate in ethanol as a method of identifying the halogen present as exemplified by bromoethane
    4. describe the elimination reaction with $\text{NaOH}$ in ethanol and heat to produce an alkene as exemplified by bromoethane
    5. describe the $\text{S}_\text{N}1$ and $\text{S}_\text{N}2$ mechanisms of nucleophilic substitution in halogenoalkanes including the inductive effects of alkyl groups
    6. recall that primary halogenoalkanes tend to react via the $\text{S}_\text{N}2$ mechanism; tertiary halogenoalkanes via the $\text{S}_\text{N}1$ mechanism; and secondary halogenoalkanes by a mixture of the two, depending on structure
    7. describe and explain the different reactivities of halogenoalkanes (with particular reference to the relative strengths of the C–X bonds as exemplified by the reactions of halogenoalkanes with aqueous silver nitrates)
    한국어
    1. 할로알카인이 생성되는 반응(시약 및 조건)을 회상한다: (a) 알칸의 자유 라디칼 치환 반응, $\text{Cl}_2$ 또는 $\text{Br}_2$ 존재 하에서 자외선 조사 시, 예로 에탄의 반응 (b) 실온에서 알켄과 할로젠, $\text{X}_2$, 또는 수소 할로화물, $\text{HX(g)}$의 전자 친화성 첨가 반응 (c) 알코올의 치환 반응, 예로 $\text{HX(g)}$과의 반응; 또는 $\text{KCl}$과 농축 $\text{H}_2\text{SO}_4$ 또는 농축 $\text{H}_3\text{PO}_4$; 또는 $\text{PCl}_3$과 가열; 또는 $\text{PCl}_5$; 또는 $\text{SOCl}_2$
    2. 할로알카인을 일차, 이차 및 삼차로 분류한다.
    3. 다음 핵친교 치환 반응을 서술한다: (a) $\text{NaOH(aq)}$과 가열하여 알코올을 생성하는 반응 (b)duplicate ethanol 및 가열条件下에서 $\text{KCN}$과 반응하여 니트릴을 생성하는 반응 (c)duplicate ethanol 및 압력条件下에서 가열하여 $\text{NH}_3$과 반응하여 아민을 생성하는 반응 (d) 브로모에탄의 반응과 같이 수용성 은 질산염을duplicate ethanol으로 사용하여 존재하는 할로젠을 식별하는 방법
    4. 브로모에탄의 반응과 같이duplicate ethanol 및 가열条件下에서 $\text{NaOH}$과 반응하여 알켄을 생성하는 탈수소 반응을 서술한다.
    5. 할로알카인의 핵친교 치환에 대한 $\text{S}_\text{N}1$ 및 $\text{S}_\text{N}2$ 기전을 서술하며, 알킬 그룹의 유도 효과를 포함한다.
    6. 일차 할로알카인은 주로 $\text{S}_\text{N}2$ 기전으로 반응하고, 삼차 할로알카인은 $\text{S}_\text{N}1$ 기전으로 반응하며, 이차 할로알카인은 구조에 따라 두 가지 기전의 혼합으로 반응함을 회상한다.
    7. 할로알카인의 다른 반응성을 서술하고 설명한다(할로알카인의 수용성 은 질산염 반응과 같은 C–X 결합의 상대적 강도에 특히 초점).

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

    English

    A halogenoalkane 卤代烷 is an alkane with one or more halogen atoms in place of hydrogen (a C–X bond, where X is a halogen).

    Making halogenoalkanes

    • free-radical substitution 自由基取代 of an alkane with $\text{Cl}_2$ or $\text{Br}_2$ in ultraviolet light.
    • electrophilic addition 亲电加成 of an alkene with a halogen $\text{X}_2$ or a hydrogen halide $\text{HX}$.
    • substitution of an alcohol 醇, for example by $\text{HX}$, by $\text{PCl}_5$, by $\text{PCl}_3$ with heat, or by $\text{SOCl}_2$.

    Three classes

    A halogenoalkane is primary 伯, secondary 仲 or tertiary 叔, depending on how many carbon atoms are joined to the carbon that holds the halogen (one, two or three).

    한국어

    할로젠알케인은 알케인의 수소 원자 하나가 이상 할로젠 원자로 대체된 것(C–X 결합, X는 할로젠)입니다.

    냉동 스프레이 캔에서 차가운 할로젠알케인 증기가 분출되는 모습
    비휘발성 할로젠알케인은 과거에 냉매 및 스프레이 추진제로 널리 사용되었습니다

    할로젠알케인 제조

    • 알케인의 자유 라디칼 치환 반응에 $\text{Cl}_2$ 또는 $\text{Br}_2$을 자외선 하에 가합니다.
    • 알켄의 전자기체 첨가 반응에 할로젠 $\text{X}_2$ 또는 수소 할로젠 $\text{HX}$을 가합니다.
    • 알코올의 치환 반응, 예를 들어 $\text{HX}$에 의한 치환, $\text{PCl}_5$에 의한 치환, 열을 가한 $\text{PCl}_3$에 의한 치환, 또는 $\text{SOCl}_2$에 의한 치환.

    세 가지 종류

    할로젠알케인은 할로젠이 붙은 탄소에 연결된 탄소 원자의 수(하나, 두 개, 세 개)에 따라 1차, 2차, 또는 3차로 분류됩니다.

    브로민이附着된 탄소를 강조한 세 가지 구조: 연결된 탄소가 하나인 1차, 두개인 2차, 세개인 3차
    일차, 이차, 삼차 할로젠알케인: 할로젠이 결합된 탄소에 연결된 탄소의 개수에 따라 분류됨
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    English 한국어
    halogenoalkane/ˈheɪləʊdʒnəʊlkeɪn/ 할로젠알케인
    free-radical substitution/friː ˈrædɪkl ˌsʌbstɪˈtjuːʃn/ 자유ラ디칼 치환
    electrophilic addition/ɪˌlektrəʊˈfɪlɪk əˈdɪʃn/ 전자유기적 첨가
    alcohol/ˈælkəhɒl/ 알코올
    15.1

    Nucleophilic substitution · ⁨친핵 치환⁩

    English

    The C–X bond is polar, so the carbon is slightly positive. A nucleophilic substitution 亲核取代 happens when a nucleophile 亲核试剂 (a lone-pair species) attacks that carbon and replaces the halogen.

    Reagent and conditions Product
    $\text{NaOH(aq)}$, heat an alcohol
    $\text{KCN}$ in ethanol, heat a nitrile 腈 (adds one carbon to the chain)
    $\text{NH}_3$ in ethanol, heated under pressure an amine 胺

    To identify the halogen, warm the halogenoalkane with silver nitrate 硝酸银 in ethanol. A silver halide precipitate 沉淀 forms, and its colour shows which halogen is present (white $\text{AgCl}$, cream $\text{AgBr}$, yellow $\text{AgI}$).

    한국어

    C–X 결합은 극성이므로 탄소는 약간 양전하를 띱니다. 친핵 시약(고유전자 쌍을 가진 입자)이 해당 탄소를 공격하여 할로젠을 교체할 때 친핵 치환이 일어납니다.

    끓고 있는 액체를 담은 원형 플라스크에 수직 응축기가 설치되어 증기를 환원시켜 다시 액체로 돌리는 장치
    많은 할로젠알케인 반응은 반류 조건에서 혼합물을 가열하여 수행합니다
    시약 및 조건 생성물
    $\text{NaOH(aq)}$, 가열 알코올
    에탄올 중 $\text{KCN}$, 가열 나이트릴 (사슬에 탄소 한 개 추가)
    에탄올 중 $\text{NH}_3$, 가압 하에 가열 아민
    회전식 증발기: 따뜻한 물浴中에서 회전하는 용액 플라스크와 용매 증기가 별도의 수집 플라스크로 응결되는 모습
    회전식 증발기는 감압 하에 용제를 제거합니다 — 반응 후 단계입니다

    할로젠을 확인하기 위해 할로젠알케인을 에탄올 중의 질산은과 함께 온열합니다. 은 할로겐화물 침전물이 생성되며, 그 색상이 어떤 할로젠이 있는지 알려줍니다(백색 $\text{AgCl}$, 연유색 $\text{AgBr}$, 황색 $\text{AgI}$).

    Explore · ⁨탐색하기⁩

    Nucleophilic substitution · ⁨친핵성 치환⁩

    A nucleophile swaps in for the leaving group on a halogenoalkane. · ⁨친핵성 시약이 할로젠화알케인의脱離基와 교체됩니다.⁩

    15.1

    Elimination · ⁨탈수소화⁩

    English

    The same halogenoalkane can instead undergo elimination 消去 to form an alkene 烯烃. The conditions decide which reaction wins:

    • $\text{NaOH}$ in water → nucleophilic substitution → an alcohol.
    • $\text{NaOH}$ in ethanol, heated → elimination → an alkene.
    $$\text{C}_2\text{H}_5\text{Br} + \text{NaOH} \rightarrow \text{C}_2\text{H}_4 + \text{NaBr} + \text{H}_2\text{O}$$
    한국어

    동일한 할로젠알케인이 대신 탈수소화를 거쳐 알켄을 형성할 수도 있습니다. 반응 조건이 어느 반응이 우세할지를 결정합니다:

    • 물 중의 $\text{NaOH}$ → 친핵 치환 → 알코올 생성.
    • 에탄올 중의 $\text{NaOH}$, 가열 → 탈수소화 → 알켄 생성.
    $$\text{C}_2\text{H}_5\text{Br} + \text{NaOH} \rightarrow \text{C}_2\text{H}_4 + \text{NaBr} + \text{H}_2\text{O}$$
    분지도: 브로모에테인이 수용성 수산화나트륨과 반응하면 치환을 통해 알코올이 되지만, 에탄올 중의 수산화나트륨과 반응하면 탈수소화를 통해 알켄이 됩니다
    동일한 할로젠알케인: 물 중의 NaOH는 치환하여 알코올을生成하고, 에탄올 중의 NaOH(가열 시)는 탈수소화하여 알켄을生成합니다
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    English 한국어
    elimination/ɪˌlɪmɪˈneɪʃn/ 탈출(elimination)
    alkene/ˈælkiːn/ 알켄
    transition state/trænˈsɪʃn steɪt/ 최대 속도 Vmax의 분율로
    carbocation/ˌkɑːbəˈkeɪʃn/ 카보카티온
    inductive effect/ɪnˈdʌktɪv ɪˈfekt/ 유도 효과
    bond energy/bɒnd ˈenədʒi/ 결합 에너지
    15.1

    The S$_\text{N}$1 and S$_\text{N}$2 mechanisms · ⁨S$_\text{N}$1 및 S$_\text{N}$2 기전⁩

    English

    Nucleophilic substitution can follow two routes:

    • S$_\text{N}$2: one step. The nucleophile attacks at the same time as the halogen leaves, passing through a crowded transition state 过渡态 where both are half-bonded. The rate depends on both the halogenoalkane and the nucleophile.
    • S$_\text{N}$1: two steps. First the C–X bond breaks to give a carbocation 碳正离子; then the nucleophile attacks it. The rate depends only on the halogenoalkane.

    Alkyl groups push electrons towards the positive carbon (the inductive effect 诱导效应), so they stabilise the carbocation. This is why:

    • primary halogenoalkanes mostly react by S$_\text{N}$2.
    • tertiary halogenoalkanes mostly react by S$_\text{N}$1 (their carbocation is well stabilised).
    • secondary halogenoalkanes use a mixture of the two.
    한국어

    친핵 치환은 두 가지 경로를 따를 수 있습니다:

    • S$_\text{N}$2: 한 단계. 친핵 시약이 할로젠이 떠날 때 동시에 공격하며, 두 가지가 반결합 상태인 혼잡한 전이 상태를 거칩니다. 반응 속도는 할로젠알케인과 친핵 시약 모두에 의존합니다.
    • S$_\text{N}$1: 두 단계. 먼저 C–X 결합이 끊어져 카르보양이온을 생성하고, 그다음 친핵 시약이 이를 공격합니다. 반응 속도는 할로젠알케인에만 의존합니다.
    S N 2가 한 단계로 친핵 시약이 할로젠이 떠날 때 동시 공격하며 전이 상태를 거치는 모습; S N 1이 카르보양이온을 거치는 두 단계로 표현된 모습
    S$_\text{N}$2는 혼잡한 전이 상태를 거치는 단일 단계이며, S$_\text{N}$1은 카르보양이온을 거치는 두 단계입니다

    알킬 기는 양전하를 띤 탄소(유도 효과) 쪽으로 전자를 밀어내어 카르보양이온을 안정화시킵니다. 이것이 바로 다음과 같은 이유입니다:

    • primary 할로젠알칸은 주로 S$_\text{N}$2 메커니즘으로 반응합니다.
    • tertiary 할로젠알칸은 주로 S$_\text{N}$1 메커니즘으로 반응합니다(그들의 카ربocation이 잘 안정화되기 때문입니다).
    • 2차 할로젠알케인은 두 경로가 혼합되어 사용됩니다.
    Explore · ⁨탐색하기⁩

    The SN2 mechanism, step by step · ⁨SN2 기전의 단계별 설명⁩

    Step through nucleophilic substitution. The nucleophile attacks from behind as the halide leaves — all in one smooth step, flipping the molecule inside-out. · ⁨친핵성 치환을 단계별로 살펴봅시다. 할로젠이脱離하는 동안 친핵성 시약이 뒤쪽에서 공격하여,整个过程在一个平滑的步骤中完成,分子构型发生翻转。⁩

    Vocabulary · ⁨어휘⁩ Train · ⁨연습하기⁩
    English 한국어
    primary/ˈpraɪməri/ 일차(Primary)
    secondary/ˈsekəndəri/ 이차(Secondary)
    tertiary/ˈtɜːʃjəri/ 삼차(Tertiary)
    nucleophilic substitution/ˌnjuːklɪəˈfɪlɪk ˌsʌbstɪˈtjuːʃn/ 친핵 치환 반응
    nucleophile/ˈnjuːklɪɒfaɪl/ 친핵체
    nitrile/ˈnaɪtraɪl/ 니트릴
    amine/ˈæmaɪn/ 아민
    silver nitrate/ˈsɪlvə ˈnaɪtreɪt/ 은 니트레이트
    precipitate/prɪˈsɪpɪteɪt/ 침전물
    15.1

    Different reactivities · ⁨다른 반응성⁩

    English

    How fast a halogenoalkane reacts depends on the strength of the C–X bond, measured by its bond energy 键能. The C–I bond is the weakest, so iodoalkanes react fastest; the C–Cl bond is the strongest of the three, so chloroalkanes react slowest. So when tested with silver nitrate, an iodoalkane gives its precipitate first — its higher reactivity 反应活性 comes from the weaker C–X bond.

    Worked example. Predict the mechanism for the hydrolysis of 1-bromobutane and of 2-bromo-2-methylpropane. Classify the halogenoalkane first. 1-bromobutane is primary: the carbon carrying the $\text{Br}$ is barely shielded, so the nucleophile can attack the back of it and the mechanism is $\text{S}_\text{N}2$ - one step, with the rate depending on both the halogenoalkane and the nucleophile. 2-bromo-2-methylpropane is tertiary: three bulky methyl groups block that attack, but they also stabilise the carbocation formed once the $\text{Br}$ leaves, so it goes $\text{S}_\text{N}1$ - two steps, with the rate depending on the halogenoalkane only. Decide from the class (primary → $\text{S}_\text{N}2$, tertiary → $\text{S}_\text{N}1$), and note that the tertiary one hydrolyses faster despite being the more crowded.

    한국어

    할로젠알케인의 반응 속도는 C–X 결합의 강도, 즉 결합 에너지에 따라 달라집니다. C–I 결합이 가장 약하므로 아이오도알케인이 가장 빠르게 반응하며, 세 가지 중 C–Cl 결합이 가장 강하므로 클로로알케인이 가장 느리게 반응합니다. 따라서 질산은과로 테스트할 때 아이오도알케인이 먼저 침전물을 생성합니다 — 더 높은 반응성은 약한 C–X 결합에서 기인합니다

    C-X 결합 에너지가 C-F에서 C-I로 감소하는 막대 그래프, 약한 결합이 더 빠르게 반응한다는 점을 나타내는 화살표 포함
    C–X 결합이 약할수록 할로젠알케인의 반응 속도는 빨라진다 — 따라서 요오도알케인이 가장 빠르게 반응하고 클로로알케인이 가장 느리다

    해설 예시. 1-브로무부탄과 2-브로모-2-메틸프로판의 가수분해 메커니즘을 예측하시오. 먼저 할로젠알케인을 분류하시오. 1-브로무부탄은 일차입니다: $\text{Br}$를 가진 탄소가 거의 보호되지 않아 친핵성이 뒷면으로 공격할 수 있으며, 메커니즘은 $\text{S}_\text{N}2$ - 한 단계, 반응 속도는 양쪽인 할로젠알케인과 친핵성에 모두 의존합니다. 2-브로모-2-메틸프로판은 삼차입니다: 세 개의 부피가 큰 메틸 기가 그 공격을 차단하지만, 동시에 $\text{Br}$가 빠져나간 후 형성된 카arbocation(카르보카티온)을 안정화시키므로, 이 과정은 $\text{S}_\text{N}1$ - 두 단계, 반응 속도는 할로젠알케인 에만 의존합니다. 분류에 따라 결정하시오 (일차 → $\text{S}_\text{N}2$, 삼차 → $\text{S}_\text{N}1$). 삼차가 더 혼잡함에도 불구하고 가수분해가 더 빠름을 유의하십시오.

    Vocabulary · ⁨어휘⁩ Train · ⁨연습하기⁩
    English 한국어
    reactivity/rɪəkˈtɪvɪti/ 활성도
    15.1

    Exam tips · ⁨시험 팁⁩

    English
    • Draw nucleophilic substitution with a curly arrow from the nucleophile's lone pair to the $\delta+$ carbon and one from the $\text{C-X}$ bond.
    • Match mechanism to class: $S_\text{N}1$ (tertiary, carbocation, two steps) vs $S_\text{N}2$ (primary, one step, transition state).
    • Reactivity is set by bond enthalpy: $\text{C-I}$ is weakest, so iodoalkanes react fastest (not electronegativity).
    • Elimination (hot, ethanolic KOH) vs substitution (warm, aqueous KOH) — the conditions decide the product; state them.
    한국어
    • 친핵성 치환을 그려주십시오. 친핵성의 비결합 전자쌍에서 $\delta+$ 탄소로 가는 곡선 화살표와, $\text{C-X}$ 결합에서 나가는 곡선 화살표를 그리시오.
    • 메커니즘을 분류에 맞추기: $S_\text{N}1$ (삼차, 카arbocation, 두 단계) vs $S_\text{N}2$ (일차, 한 단계, 전이 상태).
    • 반응성은 결합 엔탈피에 의해 결정됩니다: $\text{C-I}$가 가장 약하므로 요오도알케인이 가장 빠르게 반응합니다 (전기음성도가 아닙니다).
    • 제거 반응 (뜨거운 에탄올성 KOH) vs 치환 반응 (따뜻한 수용액 KOH) — 조건이 생성물을 결정하므로, 이를 명시하시오.
  • 16

    Hydroxy compounds

    Watch lesson · ⁨수업 보기⁩
    16.1

    Alcohols · ⁨알코올⁩

    Syllabus
    1. recall the reactions (reagents and conditions) by which alcohols can be produced: (a) electrophilic addition of steam to an alkene, $\text{H}_2\text{O(g)}$ and $\text{H}_3\text{PO}_4$ catalyst (b) reaction of alkenes with cold dilute acidified potassium manganate(VII) to form a diol (c) substitution of a halogenoalkane using $\text{NaOH(aq)}$ and heat (d) reduction of an aldehyde or ketone using $\text{NaBH}_4$ or $\text{LiAlH}_4$ (e) reduction of a carboxylic acid using $\text{LiAlH}_4$ (f) hydrolysis of an ester using dilute acid or dilute alkali and heat
    2. describe: (a) the reaction with oxygen (combustion) (b) substitution to form halogenoalkanes, e.g. by reaction with $\text{HX(g)}$; or with $\text{KCl}$ and concentrated $\text{H}_2\text{SO}_4$ or concentrated $\text{H}_3\text{PO}_4$; or with $\text{PCl}_3$ and heat; or with $\text{PCl}_5$; or with $\text{SOCl}_2$ (c) the reaction with $\text{Na(s)}$ (d) oxidation with acidified $\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$ or acidified $\text{KMnO}_4$ to: (i) carbonyl compounds by distillation (ii) carboxylic acids by refluxing (primary alcohols give aldehydes which can be further oxidised to carboxylic acids, secondary alcohols give ketones, tertiary alcohols cannot be oxidised) (e) dehydration to an alkene, by using a heated catalyst, e.g. $\text{Al}_2\text{O}_3$ or a concentrated acid (f) formation of esters by reaction with carboxylic acids and concentrated $\text{H}_2\text{SO}_4$ as catalyst as exemplified by ethanol
    3. (a) classify alcohols as primary, secondary and tertiary alcohols, to include examples with more than one alcohol group (b) state characteristic distinguishing reactions, e.g. mild oxidation with acidified $\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$, colour change from orange to green
    4. deduce the presence of a $\text{CH}_3\text{CH(OH)}-$ group in an alcohol, $\text{CH}_3\text{CH(OH)}-\text{R}$, from its reaction with alkaline $\text{I}_2\text{(aq)}$ to form a yellow precipitate of tri-iodomethane and an ion, $\text{RCO}_2^-$
    5. explain the acidity of alcohols compared with water

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

    English

    An alcohol 醇 has the $\text{–OH}$ (hydroxyl) functional group.

    Making alcohols

    Method Reagents and conditions
    addition of steam to an alkene $\text{H}_2\text{O(g)}$, $\text{H}_3\text{PO}_4$ catalyst (electrophilic addition 亲电加成)
    an alkene 烯烃 with cold dilute $\text{KMnO}_4$ gives a diol 二醇 (two $\text{–OH}$ groups)
    substitution of a halogenoalkane 卤代烷 $\text{NaOH(aq)}$, heat
    reduction 还原 of an aldehyde 醛 or ketone 酮 $\text{NaBH}_4$ or $\text{LiAlH}_4$
    reduction of a carboxylic acid 羧酸 $\text{LiAlH}_4$
    hydrolysis 水解 of an ester 酯 dilute acid or alkali, heat

    Reactions of alcohols

    • combustion: alcohols burn in oxygen to give carbon dioxide and water.
    • substitution to a halogenoalkane, for example with $\text{HX}$, $\text{PCl}_5$, $\text{PCl}_3$ and heat, or $\text{SOCl}_2$.
    • with sodium: alcohols react with sodium metal to give hydrogen and a sodium alkoxide — like water, but more slowly.
    • oxidation 氧化 with acidified $\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$ (or $\text{KMnO}_4$). The product depends on the class of alcohol (see below).
    • dehydration 脱水 to an alkene, using a hot $\text{Al}_2\text{O}_3$ catalyst or concentrated acid.
    • ester formation: an alcohol reacts with a carboxylic acid (with concentrated $\text{H}_2\text{SO}_4$ catalyst) to make an ester.

    Three classes and how oxidation tells them apart

    An alcohol is primary 伯, secondary 仲 or tertiary 叔, depending on how many carbons are joined to the carbon holding the $\text{–OH}$. Some molecules have more than one $\text{–OH}$ group.

    Class Oxidation product
    primary aldehyde (by distillation 蒸馏), then carboxylic acid (by reflux 回流)
    secondary a ketone
    tertiary not oxidised

    In a quick test, acidified $\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$ turns from orange to green with a primary or secondary alcohol, but stays orange with a tertiary alcohol.

    • distillation removes the aldehyde as it forms, before it can be oxidised further.
    • reflux keeps boiling the mixture and returning the vapour, so the alcohol is fully oxidised to the carboxylic acid.

    The iodoform test

    If you warm an alcohol that contains the $\text{CH}_3\text{CH(OH)}-$ group with alkaline aqueous iodine, you get a pale yellow precipitate of tri-iodomethane 三碘甲烷 ($\text{CHI}_3$) and the ion $\text{RCO}_2^-$. This is a useful test for that group.

    Acidity of alcohols

    The $\text{–OH}$ group makes alcohols very weakly acidic: they can lose the $\text{H}^+$ to form an $\text{RO}^-$ ion. But their acidity 酸性 is lower than that of water. This is because the alkyl group pushes electron density onto the oxygen, which makes the $\text{RO}^-$ ion less stable, so the alcohol holds onto its $\text{H}^+$ more tightly.

    Worked example. Three unlabelled bottles hold butan-1-ol, butan-2-ol and 2-methylpropan-2-ol. How does warming each with acidified $\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$ tell them apart? What matters is how many hydrogens sit on the carbon carrying the $\text{OH}$. Butan-1-ol is primary (two such hydrogens): the orange dichromate turns green, and by distilling you collect an aldehyde (butanal), or by refluxing you get the carboxylic acid (butanoic acid). Butan-2-ol is secondary (one such hydrogen): also green, but the product is a ketone (butanone), which will not oxidise further. 2-methylpropan-2-ol is tertiary (no such hydrogen): there is nothing to remove, so the dichromate stays orange. The colour only separates the tertiary from the other two - to split primary from secondary you must identify the product (an aldehyde gives a silver mirror with Tollens', a ketone does not).

    한국어

    알코올은 $\text{–OH}$ (하이드록실) 기능기를 가집니다.

    손 소독제 병 이미지
    손 소독제의 알코올 성분인 에탄올은 미생물을 사멸시킨다

    알코올 제조 방법

    방법 시약 및 조건
    알켄에 증기 추가 $\text{H}_2\text{O(g)}$, $\text{H}_3\text{PO}_4$ 촉매 (전자吸引성 첨가)
    알켄을 차갑고 희석된 $\text{KMnO}_4$와 반응 다이올 (두 개의 $\text{–OH}$ 그룹) 생성
    할로젠알케인의 치환 $\text{NaOH(aq)}$, 가열
    알데히드 또는 케톤의 환원 $\text{NaBH}_4$ 또는 $\text{LiAlH}_4$
    카복실산의 환원 $\text{LiAlH}_4$
    에스터의 가수분해 희석 산 또는 염기, 가열
     foil로 마개한 구형플라스크에 탁한 액체가 들어있어 실험실에서 발효 중인 모습
    공업적으로도 에탄올은 설탕 발효를 통해 제조되며, 이후 분馏法으로 물로부터 분리합니다

    알코올의 반응

    • 연소: 알코올은 산소 속에서 타서 이산화탄소와 물을 생성합니다.
    • 할로젠알케인으로의 치환, 예시: $\text{HX}$, $\text{PCl}_5$, $\text{PCl}_3$ 및 가열, 또는 $\text{SOCl}_2$ 사용.
    • 나트륨과의 반응: 알코올은 금속 나트륨과 반응하여 수소와 나트륨 알코óxide(알콕사이드)를 생성합니다 — 물과 유사하지만 더 느리게 반응합니다.
    • 산화된 $\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$ (또는 $\text{KMnO}_4$)에 의한 산화. 생성물은 알코올의 종류에 따라 다릅니다 (아래 참조).
    • 알켄으로의 탈수: 뜨거운 $\text{Al}_2\text{O}_3$ 촉매 또는 농축 산 사용.
    • 에스터 생성: 알코올이 카복실산과 반응(농축 $\text{H}_2\text{SO}_4$ 촉매 사용)하여 에스터를 만듭니다.
    네 가지 방식으로 반응하는 알코올: 연소, 탈수로 알켄 생성, 에스터화, 산화
    알코올은 연소, 탈수, 에스터화 또는 산화될 수 있음

    세 가지 종류와 산화를 통한 구분법

    알코올은 일차, 이차, 또는 삼차로 분류되는데, 이는 $\text{–OH}$를 가진 탄소에 연결된 탄소 개수에 따라 결정됩니다. 일부 분자는 여러 개의 $\text{–OH}$ 그룹을 가질 수 있습니다.

    세 개의 중심 탄소에 각각 OH 그룹이 붙은 모습: 일차는 R 그룹 하나와 수소 두 개, 이차는 R 그룹 두 개와 수소 한 개, 삼차는 R 그룹 세 개
    종류는 –OH를 가진 탄소에 의해 결정됩니다: R 그룹 하나가 일차, 두 개가 이차, 세 개가 삼차이며, 이것이 산화 방식을 결정합니다
    종류 산화 산물
    일차 알데히드 (증류로), 이후 카복실산 (환류로)
    이차 케톤
    삼차 산화되지 않음
    스키마: 일차 알코올이 알데히드로 산화된 후 카복실산으로, 이차 알코올이 케톤으로, 삼차 알코올은 산화되지 않는 과정
    종류별 산화: 일차 알코올은 알데히드와 카복실산을, 이차는 케톤을, 삼차는 산화되지 않습니다

    빠른 테스트에서, 산화된 $\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$는 일차 또는 이차 알코올과 반응하면 주황색에서 녹색으로 변하지만, 삼차 알코올에서는 주황색을 유지합니다.

    두 개의 시험관 속 주황색 디크로메이트: 일차 또는 이차 알코올이 들어간 것은 녹색으로 변했고, 삼차 알코올이 들어간 것은 여전히 주황색
    산화된 디크로메이트는 일차 또는 이차 알코올과 반응하면 주황색에서 녹색으로 변하지만, 삼차 알코올에서는 주황색을 유지합니다
    • 증류는 알데히드가 생성되는 대로 제거하여 추가 산화를 방지합니다.
    • 환류는 혼합물을 계속 끓이고 증기를 다시 응축시켜 회류하게 하여, 알코올을 카복실산으로 완전히 산화시킵니다.
    두 세트의 실험 장치: 증기가 플라스크로 돌아오는 수직 응축관을 사용한 환류와, 기울어진 응축관이 수집 플라스크로 이어지는 증류
    증류는 알데히드를 생성되는 대로 제거하며, 환류는 끓이고 증기를 다시 회류시켜 산으로 완전히 산화합니다
    온도계와 물 응축관을 갖춘 실험실 분馏塔
    실제 증류 setups: 증기가 끓어 올라 응축관에서 식어서 수집됩니다 — 에탄올을 발효混合物에서 분리하는 원리와 동일합니다

    요오포름 테스트

    $\text{CH}_3\text{CH(OH)}-$ 그룹을 포함하는 알코올을 알칼리성 수용성 요오드와 함께 가열하면, 연한 노색 침전물인 요오로포름($\text{CHI}_3$)과 이온 $\text{RCO}_2^-$이 생성됩니다. 이 그룹을 확인하는 유용한 테스트입니다

    알코올의 산성

    $\text{–OH}$ 기는 알코올을 매우 약한 산으로 만듭니다: 이들은 $\text{H}^+$를 잃어 $\text{RO}^-$ 이온을 형성할 수 있습니다. 그러나 그들의 산성은 물의 산성보다 낮습니다. 이는 알킬기가 산소 위에 전자 밀도를 밀어 넣어 $\text{RO}^-$ 이온이 더 안정적이지 않게 만들기 때문입니다. 따라서 알코올은 그 $\text{H}^+$를 더 단단히 붙잡고 있습니다.

    해설 예제. 표지 없는 세 병에 부탄-1-올, 부탄-2-올 및 2-메틸프로판-2-올이 들어 있습니다. 각 병에 산화된 $\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$을 가열하여 구별하는 방법은 무엇입니까? 중요한 것은 $\text{OH}$가附着된 탄소 위에 있는 수소 원자의 수입니다. 부탄-1-올은 일차(주) 알코올(이러한 수소가 두 개 있음)로, 주황색 디크롬酸盐은 녹색으로 변하며, 증류하면 알데하이드(부탄알)를, 환류하면 카복실산(부탄산)을 얻습니다. 부탄-2-올은 이차(중) 알코올(이러한 수소가 하나 있음)로, 역시 녹색으로 변하지만, 생성물은 케톤(부탄론)이며 더 이상 산화되지 않습니다. 2-메틸프로판-2-올은 삼차(말) 알코올(이러한 수소가 없음)으로, 제거할 것이 없으므로 디크롬酸盐은 주황색을 유지합니다. 색상의 변화는 삼차를 다른 두 가지와 구분하는 데만 사용되며, 일차와 이차를 구분하려면 생성물을 식별해야 합니다(알데하이드는 톨렌 시약과 반응하여 은거울을 형성하지만, 케톤은 그렇지 않습니다).

    Explore · ⁨탐색하기⁩

    Alcohol reaction map · ⁨알코올 반응 도식⁩

    Choose what happens to alcohols under different reagents. · ⁨다양한 시약 조건에서 알코올이 어떻게 변하는지 선택하십시오.⁩

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    Alcohol oxidation test lab · ⁨알코올 산화 실험실⁩

    Classify alcohols by oxidation product and observation. · ⁨산화 생성물과 관찰 결과에 따라 알코올을 분류하십시오.⁩

    Vocabulary · ⁨어휘⁩ Train · ⁨연습하기⁩
    English 한국어
    alcohol/ˈælkəhɒl/ 알코올
    electrophilic addition/ɪˌlektrəʊˈfɪlɪk əˈdɪʃn/ 전자유기적 첨가
    alkene/ˈælkiːn/ 알켄
    diol/dɪˈɒl/ 다이올(diols)
    halogenoalkane/ˈheɪləʊdʒnəʊlkeɪn/ 할로젠알케인
    reduction/rɪˈdʌkʃn/ 환원
    aldehyde/ˈældɪhaɪd/ 알데히드
    ketone/ˈketəʊn/ 케톤
    carboxylic acid/ˌkɑːbəkˈsɪlɪk ˈæsɪd/ 카복실산
    hydrolysis/haɪˈdrɒləsɪs/ 가수분해(hydrolysis)
    ester/ˈestə/ 에스터
    oxidation/ˌɒksɪˈdeɪʃn/ 산화
    dehydration/ˌdiːhaɪˈdreɪʃn/ 탈수 반응
    primary/ˈpraɪməri/ 일차(Primary)
    secondary/ˈsekəndəri/ 이차(Secondary)
    tertiary/ˈtɜːʃjəri/ 삼차(Tertiary)
    distillation/dɪstɪˈleɪʃn/ 증류
    reflux/ˈriːflʌks/ 환류
    tri-iodomethane/traɪ ˈaɪədəʊmθeɪn/ .size=tri-iodomethane.size
    acidity/æˈsɪdɪti/ 산성도
    16.1

    Exam tips · ⁨시험 팁⁩

    English
    • Classify the alcohol as primary, secondary or tertiary first — it decides the oxidation product.
    • Oxidation with acidified $\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$ (orange → green): primary → aldehyde (distil) → acid (reflux); secondary → ketone; tertiary → no reaction.
    • Distinguish the conditions for aldehyde vs acid from a primary alcohol (distillation vs reflux).
    • Name esters correctly (the acid part comes second, ending "-oate").
    한국어
    • 알코올을 먼저 일차, 이차 또는 삼차로 분류하십시오 — 이것이 산화 생성물을 결정합니다.
    • 산화된 $\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$(주황색 → 녹색)로 산화: 일차 → 알데하이드(증류) → 산(환류); 이차 → 케톤; 삼차 → 무반응.
    • 일차 알코올로부터 알데하이드 vs 산을 위한 조건(증류 vs 환류)을 구분하십시오.
    • 에스터를 올바르게 명명하십시오(산 부분이 나중에 오며 "-oate"로 끝남).
  • 17

    Carbonyl compounds

    Watch lesson · ⁨수업 보기⁩
    17.1

    Aldehydes and ketones · ⁨알데하이드와 케톤⁩

    Syllabus
    1. recall the reactions (reagents and conditions) by which aldehydes and ketones can be produced: (a) the oxidation of primary alcohols using acidified $\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$ or acidified $\text{KMnO}_4$ and distillation to produce aldehydes (b) the oxidation of secondary alcohols using acidified $\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$ or acidified $\text{KMnO}_4$ and distillation to produce ketones
    2. describe: (a) the reduction of aldehydes and ketones using $\text{NaBH}_4$ or $\text{LiAlH}_4$ to produce alcohols (b) the reaction of aldehydes and ketones with $\text{HCN}$, $\text{KCN}$ as catalyst, and heat to produce hydroxynitriles as exemplified by ethanal and propanone
    3. describe the mechanism of the nucleophilic addition reactions of hydrogen cyanide with aldehydes and ketones in 17.1.2(b)
    4. describe the use of 2,4-dinitrophenylhydrazine (2,4-DNPH reagent) to detect the presence of carbonyl compounds
    5. deduce the nature (aldehyde or ketone) of an unknown carbonyl compound from the results of simple tests (Fehling's and Tollens' reagents; ease of oxidation)
    6. deduce the presence of a $\text{CH}_3\text{CO}-$ group in an aldehyde or ketone, $\text{CH}_3\text{CO}-\text{R}$, from its reaction with alkaline $\text{I}_2(\text{aq})$ to form a yellow precipitate of tri-iodomethane and an ion, $\text{RCO}_2^-$

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

    English

    Aldehydes and ketones are carbonyl compounds 羰基化合物 — they contain the C=O carbonyl 羰基 group.

    • in an aldehyde 醛 the carbonyl carbon is on the end of the chain (it also carries an H), written $\text{–CHO}$.
    • in a ketone 酮 the carbonyl carbon is in the middle, between two other carbons.

    Making aldehydes and ketones

    Both are made by the oxidation 氧化 of an alcohol 醇 with acidified $\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$ or $\text{KMnO}_4$:

    • a primary alcohol, with distillation 蒸馏, gives an aldehyde.
    • a secondary alcohol gives a ketone.

    Reactions

    • reduction 还原 with $\text{NaBH}_4$ or $\text{LiAlH}_4$ turns a carbonyl compound back into an alcohol (an aldehyde gives a primary alcohol; a ketone gives a secondary alcohol).
    • reaction with hydrogen cyanide 氰化氢 ($\text{HCN}$), with $\text{KCN}$ as catalyst and heat, adds $\text{H}$ and $\text{CN}$ across the C=O to make a hydroxynitrile 羟基腈. This adds one carbon to the chain.

    The mechanism: nucleophilic addition

    The reaction with $\text{HCN}$ is a nucleophilic addition 亲核加成. The carbonyl carbon is slightly positive (oxygen pulls the electrons away). So:

    1. the $\text{CN}^-$ ion (a nucleophile) attacks the slightly positive carbon.
    2. this breaks the C=O double bond, leaving a negative oxygen ($\text{O}^-$).
    3. the $\text{O}^-$ takes an $\text{H}^+$ (from $\text{HCN}$) to finish the hydroxynitrile.
    한국어

    알데하이드와 케톤은 카보닐 화합물입니다 — 그들은 C=O 카보닐 기를 포함합니다.

    • 알데하이드에서 카보닐 탄소는 사슬의 끝에 위치합니다(또한 H도 가지고 있음), 이는 $\text{–CHO}$로 쓰입니다.
    • 케톤에서 카보닐 탄소는 중간에 위치하며 두 개의 다른 탄소 사이에 있습니다.
    네일 폴리시 리무버 병과 면-pad
    프로파논(아세톤), 가장 간단한 케톤은 네일 폴리시 리무버의 용매입니다
    C=O 탄소가 끝에 H를 달고 있는 에타날과, C=O 탄소가 두 탄소 사이에 있는 중간에 위치한 프로파논
    둘 다 C=O 카보닐 기를 가집니다: 알데하이드에서는 사슬의 끝에(–CHO), 케톤에서는 중간에 있습니다

    알데하이드와 케톤 제조

    둘 다 산화된 $\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$ 또는 $\text{KMnO}_4$로 알코올을 산화하여 제조됩니다:

    • 일차 알코올을 증류하면 알데하이드를 얻습니다.
    • 이차 알코올은 케톤을 얻습니다.

    반응

    • $\text{NaBH}_4$ 또는 $\text{LiAlH}_4$로 환원하면 카보닐 화합물이 다시 알코올로 돌아갑니다(알데하이드는 일차 알코올을, 케톤은 이차 알코올을 생성함).
    • 황화수소산 ($\text{HCN}$)과의 반응에서, $\text{KCN}$을 촉매로 하고 열을 가하면 C=O에 across $\text{H}$과 $\text{CN}$가 추가되어 하이드록시니트릴을 만듭니다. 이로 인해 사슬에 탄소 하나가 추가됩니다.

    기전: 핵종유기 첨가 반응

    $\text{HCN}$과의 반응은 핵종유기 첨가 반응입니다. 카보닐 탄소는 약간 양전하를 띱니다(산소가 전자를 끌어당기기 때문). 따라서:

    1. $\text{CN}^-$ 이온(핵종유기체)이 약간 양전하를 띤 탄소를 공격합니다.
    2. 이로 인해 C=O 이중결합이 끊겨 음전하를 띤 산소($\text{O}^-$)가 남습니다.
    3. $\text{O}^-$이 $\text{H}^+$($\text{HCN}$으로부터)을 받아 하이드록시니트릴을 완성합니다.
    HCN 첨가 기전: 시안화물이 약간 양전하를 띤 카보닐 탄소를 공격하고, C=O가 끊어져 음전하를 띤 산소를 만들며, 이후 산소가 양성자를 받음
    HCN의 핵종유기 첨가: CN$^-$이 $\delta+$ 카보닐 탄소를 공격하고, C=O가 O$^-$로 끊어지며, 이후 O$^-$이 H$^+$를 받음
    Explore · ⁨탐색하기⁩

    Carbonyl compound lab · ⁨카보닐 화합물 실험실⁩

    Sort carbonyl reactions by what they reveal. · ⁨카보닐 반응을 나타내는 것을 기준으로 분류하십시오.⁩

    Vocabulary · ⁨어휘⁩ Train · ⁨연습하기⁩
    English 한국어
    aldehyde/ˈældɪhaɪd/ 알데히드
    ketone/ˈketəʊn/ 케톤
    oxidation/ˌɒksɪˈdeɪʃn/ 산화
    alcohol/ˈælkəhɒl/ 알코올
    distillation/dɪstɪˈleɪʃn/ 증류
    reduction/rɪˈdʌkʃn/ 환원
    hydrogen cyanide/ˈhaɪdrədʒn ˈsaɪənaɪd/ 황산수소나트륨
    hydroxynitrile/haɪˈdrɒksɪnaɪtraɪl/ 하이드록시기트릴
    nucleophilic addition/ˌnjuːklɪəˈfɪlɪk əˈdɪʃn/ 핵친핵성 첨가
    Fehling's reagent/ˈfeɪlɪŋz rɪˈeɪdʒənt/ 페링 시약
    Tollens' reagent/ˈtəʊlənz rɪˈeɪdʒənt/ 톨렌스 시약
    tri-iodomethane/traɪ ˈaɪədəʊmθeɪn/ .size=tri-iodomethane.size
    17.1

    Tests for carbonyl compounds · ⁨카보닐 화합물 검출⁩

    English

    Detecting any carbonyl

    Add 2,4-DNPH reagent (2,4-dinitrophenylhydrazine). An orange precipitate confirms that the compound is an aldehyde or a ketone.

    Telling an aldehyde from a ketone

    Aldehydes are easily oxidised to carboxylic acids, but ketones are not. Two tests use this difference:

    Test Aldehyde Ketone
    Fehling's reagent 斐林试剂 (blue solution) turns to a brick-red precipitate no change
    Tollens' reagent 托伦试剂 (colourless) gives a silver mirror no change

    The iodoform test

    If the compound has the $\text{CH}_3\text{CO}-$ group, warming it with alkaline aqueous iodine gives a pale yellow precipitate of tri-iodomethane 三碘甲烷 ($\text{CHI}_3$) and the ion $\text{RCO}_2^-$.

    Worked example. A liquid gives an orange precipitate with 2,4-DNPH, gives no silver mirror with Tollens' reagent, and gives a yellow precipitate with alkaline aqueous iodine. Identify it. Take the tests one at a time, using each for exactly what it proves. The orange precipitate with 2,4-DNPH proves a carbonyl group is present - an aldehyde or a ketone, nothing else. No silver mirror with Tollens' rules out an aldehyde, so it must be a ketone. The yellow precipitate in the iodoform test proves a $\text{CH}_3\text{CO}-$ group next to the carbonyl. The simplest compound satisfying all three is propanone, $\text{CH}_3\text{COCH}_3$. Keep the roles straight: 2,4-DNPH finds any carbonyl, Tollens' separates aldehyde from ketone, and iodoform detects the methyl group beside the C=O.

    한국어

    모든 카보닐 검출

    2,4-DNPH 시약(2,4-디니트로페닐히드라진)을 추가하십시오. 주황색 침전이 형성되면 해당 화합물이 알데하이드 또는 케톤임을 확인합니다.

    알데하이드와 케톤 구별

    알데하이드는 쉽게 카복실산으로 산화되지만, 케톤은 산화되지 않습니다. 이 차이를 이용하는 두 가지 시험이 있습니다:

    시험 알데하이드 케톤
    펠링 시약 (청색 용액) 벽돌색 침전으로 변함 변화 없음
    톨렌 시약 (무색) 은거울 형성 변화 없음
    두 개의 시험관: 알데하이드를 넣었을 때 펠링 용액은 벽돌색 침전을, 톨렌 시약은 은거울을 형성함
    알데하이드와 케톤 구별: 알데하이드는 펠링 시약과 벽돌색 침전을, 톨렌 시약과 은거울을 형성합니다; 케톤은 변화가 없습니다
    내벽이 밝고 반짝이는 은층으로 코팅된 시험관, 거울처럼 보임
    톨렌 시약 양성 결과: 알데하이드가 시험관에 반짝이는 은거울을 형성함

    요오포름 테스트

    화합물에 $\text{CH}_3\text{CO}-$ 기가 있다면, 알칼리성 수용성 요오딘과 함께 가열했을 때 연한 노란색 요오도포름 ($\text{CHI}_3$) 침전과 이온 $\text{RCO}_2^-$이 생성됩니다.

    **해설 예제.**某液体는 2,4-DNPH와 반응하여 주황색 침전물을 형성하고, 톨렌스 시약으로 은거울 현상을 나타내지 않으며, 알칼리성 수용액의 요오드와 반응하여 노란색 침전물을 형성합니다. 이를 식별하십시오. 각 검사가 증명하는 것을 정확히 사용하여 하나씩 테스트를 진행하십시오. 2,4-DNPH와의 주황색 침전물은 카보닐 그룹이 존재함을 증명합니다 - 알데하이드 또는 케톤, 그 외에는 없습니다. 톨렌스로 은거울 현상 없음은 알데하이드를 배제하므로, 이 물질은 케톤입니다. 요도포름 시험에서 노란색 침전물은 카보닐 옆에 $\text{CH}_3\text{CO}-$ 그룹이 있음을 증명합니다. 세 가지 조건을 모두 만족하는 가장 간단한 화합물은 프로판온, $\text{CH}_3\text{COCH}_3$입니다. 역할을 명확히 유지하십시오: 2,4-DNPH는 모든 카보닐을 찾아내며, 톨렌스는 알데하이드와 케톤을 구분하고, 요도포름은 C=O 옆의 메틸 그룹을 감지합니다.

    Explore · ⁨탐색하기⁩

    Carbonyl test lab · ⁨카보닐 시험실⁩

    Match observations to aldehydes and ketones. · ⁨관찰 결과를 알데하이드와 케톤에 매칭하세요.⁩

    Vocabulary · ⁨어휘⁩ Train · ⁨연습하기⁩
    English 한국어
    carbonyl compound/ˈkɑːbənaɪl ˈkɒmpaʊnd/ 카보닐 화합물
    carbonyl/ˈkɑːbənaɪl/ 카르보닐
    17.1

    Exam tips · ⁨시험 팁⁩

    English
    • 2,4-DNPH gives an orange precipitate with any carbonyl — it tests for $\text{C}=\text{O}$.
    • Tollens' (silver mirror) and Fehling's (brick-red) are positive for aldehydes only — this is how you tell aldehydes from ketones.
    • Nucleophilic addition of HCN adds one carbon (→ hydroxynitrile); show the curly arrows.
    • The iodoform (tri-iodomethane) test is positive for $\text{CH}_3\text{CO}-$ groups.
    한국어
    • 2,4-DNPH는 모든 카보닐과 주황색 침전물을 형성합니다 - 이는 $\text{C}=\text{O}$ 검사를 위한 것입니다.
    • 톨렌스(은거울) 및 **페링(벽돌색)**은 알데하이드만 양성을 보입니다 - 이것이 알데하이드와 케톤을 구분하는 방법입니다.
    • HCN의 핵친화적 가로는 탄소 하나를 추가함 (→ 하이드록시니트릴); 곡선 화살표를 표시하십시오.
    • 요도포름(.size-iodomethane) 시험은 $\text{CH}_3\text{CO}-$ 그룹에 대해 양성을 보입니다.
  • 18

    Carboxylic acids and derivatives

    Watch lesson · ⁨수업 보기⁩
    18.1

    Carboxylic acids · ⁨카복실산⁩

    Syllabus
    English
    1. recall the reactions by which carboxylic acids can be produced: (a) oxidation of primary alcohols and aldehydes with acidified $\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$ or acidified $\text{KMnO}_4$ and refluxing (b) hydrolysis of nitriles with dilute acid or dilute alkali followed by acidification (c) hydrolysis of esters with dilute acid or dilute alkali and heat followed by acidification
    2. describe: (a) the redox reaction with reactive metals to produce a salt and $\text{H}_2(\text{g})$ (b) the neutralisation reaction with alkalis to produce a salt and $\text{H}_2\text{O}(\text{l})$ (c) the acid–base reaction with carbonates to produce a salt and $\text{H}_2\text{O}(\text{l})$ and $\text{CO}_2(\text{g})$ (d) esterification with alcohols with concentrated $\text{H}_2\text{SO}_4$ as catalyst (e) reduction by $\text{LiAlH}_4$ to form a primary alcohol
    한국어
    1. 카복실산이 생성되는 반응을 회상한다: (a) 일차 알코올 및 알데히드의 산화, 산성 화합 $\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$ 또는 산성 화합 $\text{KMnO}_4$ 및 유지 가열 (b) 니트릴의 가수분해, 희석 산 또는 희석 염기 사용 후 산화 (c) 에스터의 가수분해, 희석 산 또는 희석 염기 및 가열 사용 후 산화
    2. 서술한다: (a) 활성 금속과의 산화 환원 반응으로 염 및 $\text{H}_2(\text{g})$ 생성 (b) 염기와의 중화 반응으로 염 및 $\text{H}_2\text{O}(\text{l})$ 생성 (c) 탄산염과의 산-염기 반응으로 염 및 $\text{H}_2\text{O}(\text{l})$ 및 $\text{CO}_2(\text{g})$ 생성 (d) 에스터화, 알코올과 농축 $\text{H}_2\text{SO}_4$(촉매) 사용 (e) 환원, $\text{LiAlH}_4$에 의해 일차 알코올 생성

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

    English

    A carboxylic acid 羧酸 has the $\text{–COOH}$ (carboxyl) functional group. It is a weak acid.

    Making carboxylic acids

    • oxidation 氧化 of a primary alcohol 醇 or an aldehyde 醛 with acidified $\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$ or $\text{KMnO}_4$, with reflux 回流 (so it is fully oxidised).
    • hydrolysis 水解 of a nitrile 腈 with dilute acid or alkali, then acidifying.
    • hydrolysis of an ester 酯 with dilute acid or alkali and heat, then acidifying.

    Reactions of carboxylic acids

    These reactions all show that carboxylic acids are acids:

    • with a reactive metal (a redox 氧化还原 reaction): gives a salt 盐 and hydrogen.
    $$2\text{CH}_3\text{COOH} + \text{Mg} \rightarrow (\text{CH}_3\text{COO})_2\text{Mg} + \text{H}_2$$
    • with an alkali (a neutralisation 中和): gives a salt and water.
    $$\text{CH}_3\text{COOH} + \text{NaOH} \rightarrow \text{CH}_3\text{COONa} + \text{H}_2\text{O}$$
    • with a carbonate 碳酸盐: gives a salt, water and carbon dioxide. The fizzing of $\text{CO}_2$ is a test for a carboxylic acid.
    $$2\text{CH}_3\text{COOH} + \text{Na}_2\text{CO}_3 \rightarrow 2\text{CH}_3\text{COONa} + \text{H}_2\text{O} + \text{CO}_2$$

    Two reactions change the functional group:

    • esterification 酯化 with an alcohol (concentrated $\text{H}_2\text{SO}_4$ catalyst) gives an ester.
    • reduction 还原 by $\text{LiAlH}_4$ gives a primary alcohol.
    한국어

    카복실산은 $\text{–COOH}$(카복실) 기능기를 가집니다. 약산입니다.

    선반에 놓인 식초 병
    식초는 카복실산인 아세트산의 희석 용액입니다

    카복실산 제조법

    • 산화된 ** primary alcohol ** 또는 ** aldehyde **를 산화된 $\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$ 또는 $\text{KMnO}_4$로 **환류(reflux)**条件下에 산화하여 완전히 산화됩니다.
    • nitrile의 hydrolysis를 희석 산 또는 염기로 한 후, 산화합니다.
    • ester의 hydrolysis를 희석 산 또는 염기와 열로 한 후, 산화합니다.

    카복실산의 반응

    이 모든 반응들은 카복실산이 산임을 보여줍니다:

    • 활성 금속과 반응 (redox 반응): 염과 수소 gas를 생성합니다.
    $$2\text{CH}_3\text{COOH} + \text{Mg} \rightarrow (\text{CH}_3\text{COO})_2\text{Mg} + \text{H}_2$$
    • 염기와 반응 (중화 반응): 염과 물을 생성합니다.
    $$\text{CH}_3\text{COOH} + \text{NaOH} \rightarrow \text{CH}_3\text{COONa} + \text{H}_2\text{O}$$
    • 탄산염과 반응: 염, 물 및 이산화탄소를 생성합니다. $\text{CO}_2$의 거품 현상은 카복실산의 검사법입니다.
    $$2\text{CH}_3\text{COOH} + \text{Na}_2\text{CO}_3 \rightarrow 2\text{CH}_3\text{COONa} + \text{H}_2\text{O} + \text{CO}_2$$
    카복실산이 활성 금속, 염기 및 탄산염과 반응하여 명명된 생성물을 만드는 분岐 diagram
    카복실산은 산으로 작용합니다: 금속(+ H$_2$), 염기(+ water), 또는 탄산염(+ water + CO$_2$ — 거품 현상은 검사법)

    두 개의 반응은 기능기를 변경합니다:

    • 에스터화는 알코올과 반응하여 농축 $\text{H}_2\text{SO}_4$ 촉매를 사용하여 에스터를 생성합니다.
    • $\text{LiAlH}_4$에 의한 환원은 election alcohol을 생성합니다.
    Explore · ⁨탐색하기⁩

    Carboxylic acid reaction map · ⁨카복실산 반응 지도⁩

    Follow carboxylic acids through neutralisation, esterification and reduction. · ⁨중화, 에스터화 및 환원을 통해 카복실산을 따라가세요.⁩

    Vocabulary · ⁨어휘⁩ Train · ⁨연습하기⁩
    English 한국어
    carboxylic acid/ˌkɑːbəkˈsɪlɪk ˈæsɪd/ 카복실산
    oxidation/ˌɒksɪˈdeɪʃn/ 산화
    alcohol/ˈælkəhɒl/ 알코올
    aldehyde/ˈældɪhaɪd/ 알데히드
    reflux/ˈriːflʌks/ 환류
    hydrolysis/haɪˈdrɒləsɪs/ 가수분해(hydrolysis)
    nitrile/ˈnaɪtraɪl/ 니트릴
    ester/ˈestə/ 에스터
    redox/rɪˈdɒks/ 산화 환원
    salt/sɒlt/ 염
    neutralisation/ˌnjuːtrəlaɪˈzeɪʃn/ 중화 반응
    carbonate/ˈkɑːbəneɪt/ 탄산염
    18.2

    Esters · ⁨에스터⁩

    Syllabus
    English
    1. recall the reaction (reagents and conditions) by which esters can be produced: (a) the condensation reaction between an alcohol and a carboxylic acid with concentrated $\text{H}_2\text{SO}_4$ as catalyst
    2. describe the hydrolysis of esters by dilute acid and by dilute alkali and heat
    한국어
    1. 에스터가 생성되는 반응(시약 및 조건)을 회상한다: (a) 알코올 및 카복실산 간의 결합 반응, 농축 $\text{H}_2\text{SO}_4$(촉매)
    2. 가수분해를 희석 산 및 희석 염기와 가열 조건에서 설명하시오.

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

    English

    An ester has the $\text{–COO–}$ group. It often smells sweet or fruity.

    Making esters

    An ester forms in a condensation 缩合 reaction between an alcohol and a carboxylic acid, with concentrated $\text{H}_2\text{SO}_4$ as catalyst. A water molecule is lost, and the reaction is reversible:

    $$\text{CH}_3\text{COOH} + \text{C}_2\text{H}_5\text{OH} \rightleftharpoons \text{CH}_3\text{COOC}_2\text{H}_5 + \text{H}_2\text{O}$$

    Hydrolysis of esters

    Hydrolysis splits the ester back apart. The conditions change the products:

    • dilute acid and heat: reversible. Gives back the carboxylic acid and the alcohol.
    • dilute alkali and heat: not reversible. Gives the alcohol and the salt of the carboxylic acid (the carboxylate ion).

    Worked example. Name the ester made from ethanol and propanoic acid, and say which part comes from which. In an ester name the alcohol gives the first word (the alkyl part) and the acid gives the second (the -oate part). Ethanol supplies $\text{C}_2\text{H}_5-$ and propanoic acid supplies $\text{CH}_3\text{CH}_2\text{COO}-$, so the ester is ethyl propanoate, $\text{CH}_3\text{CH}_2\text{COOC}_2\text{H}_5$. It is made by refluxing the two with a concentrated $\text{H}_2\text{SO}_4$ catalyst, and the reaction is reversible, so the yield is never complete. The trap is naming it backwards: propyl ethanoate is a completely different ester (made from propan-1-ol and ethanoic acid). Alcohol first, acid second.

    한국어

    에스터는 $\text{–COO–}$ 그룹을 가집니다.often 달콤하거나 과일 향을 내기도 합니다.

    장식적인 컷 글라스 향수병
    에스터는 많은 과일과 향수에 달콤한 향을 줍니다

    에스터 제조법

    에스터는 알코올과 카복실산 사이의 condensation 반응에서 형성되며, **농축 $\text{H}_2\text{SO}_4$**을 촉매로 사용합니다. 물 분자가 빠져나가고, 반응은 가역적입니다:

    $$\text{CH}_3\text{COOH} + \text{C}_2\text{H}_5\text{OH} \rightleftharpoons \text{CH}_3\text{COOC}_2\text{H}_5 + \text{H}_2\text{O}$$
    에스터화 식식에서 산의 OH와 알코올의 H가 물로 빠지는 원자로서 강조되고 새로운 에스터 산소 결합이 강조된 그림
    에스터화는 condensation입니다: 산의 –OH와 알코올의 –H가 물로 빠져나가 C–O–C 에스터 결합을 형성합니다

    에스터의 가수분해

    가수분해는 에스터를 다시 분리시킵니다. 조건은 생성물을 변경합니다:

    • 희석 산 및 열: 가역적. 카복실산과 알코올을 다시 얻습니다.
    • 희석 염기 및 열: 비가역적. 알코올과 카복실산의 염(carboxylate ion)을 생성합니다.
    분岐 diagram: 희석 산으로 가수분해된 에스터는 카복실산과 알코올을, 희석 염기로는 carboxylate盐和 알코올을 생성함
    에스터의 가수분해: 희석 산(가역)은 카복실산과 알코올을; 희석 염기(비가역)는 carboxylate盐和 알코올을 생성합니다

    해설 예제. 에탄올과 프로판산으로부터 만들어지는 에스터의 이름을 붙이고, 각각의部分组成를 말하십시오. 에스터 이름에서는 알코올이 첫 번째 단어(alkyl 부분)를, 산이 두 번째(-oate 부분)를 제공합니다. 에탄올은 $\text{C}_2\text{H}_5-$를 제공하고 프로판산은 $\text{CH}_3\text{CH}_2\text{COO}-$를 제공하므로, 에스터는 에틸 프로파노에이트, $\text{CH}_3\text{CH}_2\text{COOC}_2\text{H}_5$입니다. 두 가지 물질을 농축 $\text{H}_2\text{SO}_4$ 촉매와 함께 환류로 반응시켜 만들며, 반응은 가역적이므로 수율은 완전하지 않습니다. 함정은 역순으로 이름 붙이기입니다: 프로필 아세테이트는 완전히 다른 에스터(프로판-1-올과 아세트산으로부터 생성됨)입니다. 알코올이 먼저, 산이 나중에옵니다.

    Explore · ⁨탐색하기⁩

    Ester route lab · ⁨에스터 경로 실험실⁩

    Follow ester formation and hydrolysis as reversible paths. · ⁨가역적 경로로서 에스터 형성과 가수분해를 따라가세요.⁩

    Vocabulary · ⁨어휘⁩ Train · ⁨연습하기⁩
    English 한국어
    esterification/ˌestəˌrɪfɪˈkeɪʃn/ 에스터화
    reduction/rɪˈdʌkʃn/ 환원
    condensation/kɒndenˈseɪʃn/ 축합 반응
    18.2

    Exam tips · ⁨시험 팁⁩

    English
    • Carboxylic acids react with carbonates to give $\text{CO}_2$ (fizzing) — this distinguishes them from phenols.
    • Explain acid strength via the delocalised carboxylate ion; electron-withdrawing groups (e.g. Cl) increase strength.
    • Esterification (with concentrated $\text{H}_2\text{SO}_4$) is reversible; name esters as alkyl alkanoate.
    • Know the products of acid vs alkaline hydrolysis of an ester (they differ).
    한국어
    • 카복실산은 탄산염과 반응하여 $\text{CO}_2$(거품)를 생성합니다 - 이것이 페놀과 구별되는 방법입니다.
    • 비국지화 carboxylate ion을 통해 산 강도를 설명하십시오; 전자吸引 group(예: Cl)은 강도를 증가시킵니다.
    • 에스터화(농축 $\text{H}_2\text{SO}_4$와)는 가역적이며, 에스터는 alkyl alkanoate로 이름 붙입니다.
    • 에스터의 산 vs 염기 가수분해의 생성물을 알고 있어야 합니다(다릅니다).
  • 19

    Nitrogen compounds

    Watch lesson · ⁨수업 보기⁩
    19.1

    Primary amines · ⁨election amines⁩

    Syllabus
    English
    1. recall the reactions by which amines can be produced: (a) reaction of a halogenoalkane with $\text{NH}_3$ in ethanol heated under pressure Classification of amines will not be tested at AS Level.
    한국어
    1. 아민이 생성되는 반응을 기억하시오: (a) 할로젠알케인과 $\text{NH}_3$의 에탄올 내 반응, 가압 하에 가열함. AS Level에서는 아민의 분류는 출제되지 않음.

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

    English

    An amine 胺 has an $\text{–NH}_2$ group (the nitrogen replaces a hydrogen of ammonia).

    Making a primary amine

    Heat a halogenoalkane 卤代烷 with ammonia dissolved in ethanol, under pressure:

    $$\text{C}_2\text{H}_5\text{Br} + \text{NH}_3 \rightarrow \text{C}_2\text{H}_5\text{NH}_2 + \text{HBr}$$

    This is a nucleophilic substitution 亲核取代: the lone pair on the nitrogen of ammonia attacks the slightly positive carbon and pushes out the halogen. You use an excess of ammonia, or the amine made can react again.

    한국어
    빨강, 파랑, 노랑, 크림색으로染着된 울 실을 나무 막대架上 hanging drying
    천직물 염색: azo 및 amine 화학은 섬유에 견고하고 밝은 색을 입히는 것입니다

    amine은 $\text{–NH}_2$ 그룹을 가집니다(질소가 암모니아의 수소 하나를 대체합니다).

    election amine 제조법

    압력条件下에서 에탄올에 용해된 암모니아와 halogenoalkane을 가열하십시오:

    $$\text{C}_2\text{H}_5\text{Br} + \text{NH}_3 \rightarrow \text{C}_2\text{H}_5\text{NH}_2 + \text{HBr}$$

    이것은 핵친화적 치환 반응입니다: 암모니아의 질소 원자에 있는 비공유 전자쌍이 약양성인 탄소 원자를 공격하여 할로겐을 밀어냅니다. 암모니아를 과량으로 사용하거나 생성된 아민이 다시 반응할 수 있습니다.

    할로젠알칸이 암모니아와 반응하는 모습: 질소의 비결합전자쌍이 약간 양전하 탄소를 공격하고 브로민이 떨어져 나가 primary 아민과 HBr이 생성됨
    primary 아민 만들기: 암모니아의 비결합전자쌍이 δ+ 탄소를 공격하여 할로젠을 밀어내는데, 이는 나ucleophilic 치환입니다
    Explore · ⁨탐색하기⁩

    Amine reaction lab · ⁨아민 반응 실험실⁩

    Classify amine examples by basicity and nucleophilic behaviour. · ⁨아민 예제를 염기성과 친핵성 거동에 따라 분류하십시오.⁩

    Vocabulary · ⁨어휘⁩ Train · ⁨연습하기⁩
    English 한국어
    amine/ˈæmaɪn/ 아민
    halogenoalkane/ˈheɪləʊdʒnəʊlkeɪn/ 할로젠알케인
    nucleophilic substitution/ˌnjuːklɪəˈfɪlɪk ˌsʌbstɪˈtjuːʃn/ 친핵 치환 반응
    19.2

    Nitriles and hydroxynitriles · ⁨나일트릴 및 하이드록시나일트릴⁩

    Syllabus
    English
    1. recall the reactions by which nitriles can be produced: (a) reaction of a halogenoalkane with $\text{KCN}$ in ethanol and heat
    2. recall the reactions by which hydroxynitriles can be produced: (a) the reaction of aldehydes and ketones with $\text{HCN}$, $\text{KCN}$ as catalyst, and heat
    3. describe the hydrolysis of nitriles with dilute acid or dilute alkali followed by acidification to produce a carboxylic acid
    한국어
    1. 니트릴이 생성되는 반응을 기억하시오: (a) 할로젠알케인과 $\text{KCN}$의 에탄올 내 반응, 가열함.
    2. 하이드록시니트릴이 생성되는 반응을 기억하시오: (a) 알데히드 및 케톤과 $\text{HCN}$의 반응, $\text{KCN}$을 촉매로 사용하여 가열함.
    3. 니트릴의 카복실산 생성을 위한 희석 산 또는 희석 염기 가수분해 및 이후 산化处理을 설명하시오.

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

    English

    Making a nitrile

    Heat a halogenoalkane with potassium cyanide ($\text{KCN}$) in ethanol:

    $$\text{C}_2\text{H}_5\text{Br} + \text{KCN} \rightarrow \text{C}_2\text{H}_5\text{CN} + \text{KBr}$$

    This is also a nucleophilic substitution, with the $\text{CN}^-$ ion as the nucleophile. It is useful because it adds one carbon to the chain. The product is a nitrile 腈.

    Making a hydroxynitrile

    Add $\text{HCN}$ (with $\text{KCN}$ as catalyst, and heat) to an aldehyde 醛 or ketone 酮. The $\text{H}$ and $\text{CN}$ add across the C=O bond to give a hydroxynitrile 羟基腈. The reagent is hydrogen cyanide 氰化氢, and the mechanism is nucleophilic addition 亲核加成.

    Hydrolysis of nitriles

    Warm a nitrile with dilute acid (or dilute alkali, then acidify). This hydrolysis 水解 turns the $\text{–CN}$ group into a $\text{–COOH}$ group, giving a carboxylic acid 羧酸:

    $$\text{CH}_3\text{CN} + 2\text{H}_2\text{O} + \text{HCl} \rightarrow \text{CH}_3\text{COOH} + \text{NH}_4\text{Cl}$$

    A nitrile can also be reduced by hydrogen and a catalyst to form an amine, which is the reduction 还原 route to a longer-chain amine.

    Worked example. Starting from bromoethane, make propanoic acid. Compare the carbons first: bromoethane has 2, propanoic acid has 3, so a carbon must be added - and the $\text{KCN}$ step is the reaction that does it. Step 1: warm bromoethane with ethanolic $\text{KCN}$; nucleophilic substitution gives propanenitrile, $\text{CH}_3\text{CH}_2\text{CN}$, which now has 3 carbons because the $\text{CN}$ carbon joins the chain. Step 2: reflux the nitrile with dilute $\text{HCl}$; hydrolysis gives propanoic acid. Count the carbons before you plan: whenever the target has exactly one more than the starting material, the nitrile route is almost always the intended answer, and remember the $\text{CN}$ carbon is part of the new chain.

    한국어

    나일트릴制备

    할로젠알케인을 에탄올 중 용해된 시안화칼륨(KCN, $\text{KCN}$)과 함께 가열합니다:

    $$\text{C}_2\text{H}_5\text{Br} + \text{KCN} \rightarrow \text{C}_2\text{H}_5\text{CN} + \text{KBr}$$

    이것도 시안화 이온($\text{CN}^-$)을 핵친화체로 하는 핵친화적 치환 반응입니다. 이 방법은 사슬에 탄소 하나를 추가할 수 있어 유용합니다. 생성물은 나일트릴입니다.

    하이드록시나일트릴制备

    알데히드 또는 케톤에 $\text{HCN}$ (촉매로 $\text{KCN}$ 사용, 가열)을 첨가합니다. $\text{H}$과 $\text{CN}$이 C=O 결합에 부가되어 하이드록시나일트릴을 형성합니다. 시약은 **산성 시안수소(HCN)**이며, 기전은 핵친화적 부가 반응입니다.

    두 가지 반응: 시안화 이온이 할로젠알케인의 할로겐을 치환하여 나일트릴로 만드는过程和 HCN이 카보닐에 부가하여 하이드록시나일트릴로 만드는 과정
    시안화물炭素 추가 두 가지 방법: KCN을 할로젠알케인과 함께 사용하면 치환하여 나일트릴이 되고, HCN을 카보닐 화합물과 함께 사용하면 부가하여 하이드록시나일트릴이 됩니다

    나일트릴의 가수분해

    니트릴을 희석 산(또는 희석 염기, 이후 산화)으로 가열합니다. 이 가수분해 반응은 $\text{–CN}$ 기를 $\text{–COOH}$ 기로 전환하여 카복실산을 생성합니다:

    $$\text{CH}_3\text{CN} + 2\text{H}_2\text{O} + \text{HCl} \rightarrow \text{CH}_3\text{COOH} + \text{NH}_4\text{Cl}$$

    나일트릴은 수소와 촉매에 의해 환원되어 아민이 될 수도 있으며, 이는 더 긴 사슬의 아민制备를 위한 환원 경로입니다.

    도식: 할로젠알케인이 KCN을 사용하여 나일트릴(탄소 하나 추가)로 변한 후, 나일트릴이 가수분해되어 카복실산이 되거나 환원되어 아민이 되는 과정
    나일트릴은 유용한 허브 역할: KCN이 탄소를 추가하여 나일트릴을制备하고, 이를 가수분해하면 카복실산이 되거나 환원하면 아민이 됩니다
    나일론 스타킹 한 포대
    나일트릴을 환원하면 아민이 되며, 아민과 디카르복실산이 결합하여 나일론과 같은 폴리아마이드를 형성합니다 — 스타킹에서 처음 유명해진 섬유

    풀이 예제. 브로모에탄에서 프로판산을制备합니다. 먼저 탄소를 비교해 봅시다: 브로모에탄은 탄소 2개, 프로판산은 탄소 3개이므로 탄소를 추가해야 하며, 그 과정은 $\text{KCN}$ 단계의 반응입니다. 1단계: 브로모에탄을 **에탄올 중의 $\text{KCN}$**과 함께 온화하게 가열합니다. 핵친화적 치환 반응에 의해 프로파네토릴($\text{CH}_3\text{CH}_2\text{CN}$)이 생성되며, 이는 now碳链에 $\text{CN}$ 탄소가 결합하여 탄소 3개를 갖게 됩니다. 2단계: 나일트릴을 **희석 $\text{HCl}$**과 함께 조류 가열(reflux)합니다. 가수분해에 의해 프로판산이 생성됩니다. 계획하기 전에 탄소를 세어 보십시오: 목표 분자가 시작 물질보다 정확히 하나 많은 경우, 나일트릴 경로는 거의 항상 정답이며, 새로운 사슬에는 $\text{CN}$ 탄소가 포함되어 있다는 점을 기억하십시오.

    Explore · ⁨탐색하기⁩

    Nitrile synthesis route · ⁨나이트릴 합성 경로⁩

    Follow nitriles and hydroxynitriles as carbon-chain extension tools. · ⁨탄소 사슬 연장 도구로서 나이트릴과 하이드록시나이트릴을 따르십시오.⁩

    Vocabulary · ⁨어휘⁩ Train · ⁨연습하기⁩
    English 한국어
    nitrile/ˈnaɪtraɪl/ 니트릴
    aldehyde/ˈældɪhaɪd/ 알데히드
    ketone/ˈketəʊn/ 케톤
    hydroxynitrile/haɪˈdrɒksɪnaɪtraɪl/ 하이드록시기트릴
    hydrogen cyanide/ˈhaɪdrədʒn ˈsaɪənaɪd/ 황산수소나트륨
    nucleophilic addition/ˌnjuːklɪəˈfɪlɪk əˈdɪʃn/ 핵친핵성 첨가
    hydrolysis/haɪˈdrɒləsɪs/ 가수분해(hydrolysis)
    carboxylic acid/ˌkɑːbəkˈsɪlɪk ˈæsɪd/ 카복실산
    reduction/rɪˈdʌkʃn/ 환원
    19.2

    Exam tips · ⁨시험 팁⁩

    English
    • Amines are bases (the N lone pair accepts $\text{H}^+$); aliphatic amines are stronger bases than ammonia.
    • Making amines: reduce a nitrile, or react a halogenoalkane with excess ammonia.
    • KCN adds one carbon (halogenoalkane → nitrile) — track the carbon count carefully in synthesis routes.
    • State reagents and conditions precisely for each conversion.
    한국어
    • 아민은 염기입니다(질소의 비공유 전자쌍이 $\text{H}^+$을 받음); 지방족 아민은 암모니아보다更强的碱性입니다.
    • 아민制备: 나일트릴을 환원하거나 할로젠알케인을 과량의 암모니아와 반응시킵니다.
    • KCN은 탄소 하나를 추가합니다(할로젠알케인 → 나일트릴) — 합성 경로에서 탄소 개수를 주의 깊게 추적하십시오.
    • 각 변환에 대해 시약과 조건을 정확하게 명시하십시오.
  • 20

    Polymerisation

    Watch lesson · ⁨수업 보기⁩
    20.1

    Addition polymerisation · ⁨부가 중합⁩

    Syllabus
    English
    1. describe addition polymerisation as exemplified by poly(ethene) and poly(chloroethene), PVC
    2. deduce the repeat unit of an addition polymer obtained from a given monomer
    3. identify the monomer(s) present in a given section of an addition polymer molecule
    4. recognise the difficulty of the disposal of poly(alkene)s, i.e. non-biodegradability and harmful combustion products
    한국어
    1. 폴리에틸렌(poly(ethene)) 및 **폴리클로로에틸렌(PVC, poly(chloroethene))**을 예로 들어 **첨가 중聚合(addition polymerisation)**을 설명하시오.
    2. 주어진 **모노머(monomer)**로부터 얻어지는 첨가 중합체의 **반복 단위(repeat unit)**를 추론하시오.
    3. 주어진 첨가 중합체 분자의 일부분에 존재하는 모노머를 식별하시오.
    4. **폴리알켄(poly(alkene))**의 폐기 난이성을 인지하시오, 즉 생분해 불가능성(non-biodegradability) 및 유해한 연소 산출물.

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

    English

    In addition polymerisation 加成聚合, many small molecules join into one very long chain, with no other product made.

    Each small molecule is a monomer 单体. It must be unsaturated — it has a C=C double bond. The double bond opens up so that the monomers can link together. The long chain that forms is the polymer 聚合物.

    Repeat units

    The repeat unit 重复单元 is the small part that is copied again and again along the chain. To find it, take the monomer, change the C=C to a single C–C, and draw bonds going out at each end.

    • poly(ethene) 聚乙烯 is made from ethene:
    $$n\,\text{CH}_2{=}\text{CH}_2 \rightarrow -(\text{CH}_2{-}\text{CH}_2)_n-$$
    • poly(chloroethene) 聚氯乙烯 (PVC) is made from chloroethene:
    $$n\,\text{CH}_2{=}\text{CHCl} \rightarrow -(\text{CH}_2{-}\text{CHCl})_n-$$

    Finding the monomer

    To go the other way, look at one repeat unit of the polymer, and put the C=C double bond back in. That gives you the monomer.

    Worked example. A polymer has the repeat unit $-(\text{CH}_2{-}\text{CH}(\text{CH}_3))_n-$. Identify the monomer and name the polymer. Reverse the rule you used to build it: rub out the bonds sticking out at each end, and turn the single C-C in the backbone back into a C=C. That gives $\text{CH}_2{=}\text{CH}(\text{CH}_3)$, which is propene - so the polymer is poly(propene). Two checks catch most errors: the monomer must have the same molecular formula as the repeat unit (addition polymerisation adds nothing and loses nothing), and the double bond goes back into the backbone, never into the side group.

    한국어

    부가 중합에서는 작은 분자들이 여러 개 모여 하나의 매우 긴 사슬을 형성하며, 다른 생성물은生成되지 않습니다.

    각 작은 분자는 **单体(monomer)**입니다. 불포화이어야 합니다 — C=C 이중 결합을 가지고 있습니다. 이중 결합이 열려서 단량체들이 서로 연결될 수 있습니다. 형성되는 긴 사슬은 **폴리머(polymer)**입니다.

    여러 에틸렌 단량체들, 각각 C=C 이중 결합을 가지고 있으며, 이중 결합이 열려 끝이 이어져 하나의 긴 단일 결합 폴리머 사슬을 형성함
    각 단량체의 이중 결합이 열리고, 단량체들이 끝이 이어져 하나의 긴 사슬을 형성합니다 — 다른 생성물은 없습니다
    자를 옆에 놓인 몇 밀리미터 크기의 작고 투명한 폴리에틸렌 입자 덩어리
    일반적인 부가 중합체인 폴리에틸렌은 직경 몇 밀리미터의 작은 입자 형태로 공급되며, 이들은 나중에 녹여 병, 봉투 및 기타 제품으로 성형됩니다

    반복 단위

    **반복 단위(repeat unit)**는 사슬 전체에 걸쳐 반복적으로 복사되는 작은 부분입니다. 이를 찾으려면 단량체를 가져오어 C=C를 단일 C–C 결합으로 바꾸고 양 끝에 outward-facing bonds를 그리십시오.

    • 폴리에틸렌은 에틸렌으로制备됩니다:
    $$n\,\text{CH}_2{=}\text{CH}_2 \rightarrow -(\text{CH}_2{-}\text{CH}_2)_n-$$
    • **폴리클로로에틸렌(PVC)**은 클로로에틸렌으로制备됩니다:
    $$n\,\text{CH}_2{=}\text{CHCl} \rightarrow -(\text{CH}_2{-}\text{CHCl})_n-$$
    왼쪽에는 이중 결합이 있는 클로로에틸렌, 오른쪽에括弧内의 PVC 반복 단위가 있으며, C=C를 열고 다시放回하는 화살표가 있음
    반복 단위 찾기: 단량체의 C=C를 단일 결합으로 바꾸고 양 끝에 bond를 그립니다; 역으로 적용하면 단량체를 찾을 수 있습니다

    단량체 찾기

    반대로 가는的方法是 폴리머의 반복 단위 하나를 보고 C=C 이중 결합을 다시 넣습니다. 그러면 단량체가 됩니다.

    **풀이 예제.**某polymer의 반복 단위는 $-(\text{CH}_2{-}\text{CH}(\text{CH}_3))_n-$입니다. 단량체를 식별하고 폴리머의 이름을 붙이십시오. 생성하는 데 사용한 규칙을 역으로 적용하십시오: 양 끝에 protruding bonds를 지우고, 주사 backbone 내의 단일 C-C 결합을 C=C로 되돌립니다. 그러면 $\text{CH}_2{=}\text{CH}(\text{CH}_3)$이 되어, 이는 프로펜이므로 해당 폴리머는 폴리프로펜입니다. 두 가지 검증이 대부분의 오류를 잡습니다: 단량체는 반복 단위와 동일한 분자식을 가져야 함(부가 중합은何も添加하지 않고 nothing to lose), 그리고 이중 결합은 사이드 그룹이 아닌 backbone으로 되돌아가야 합니다.

    Explore · ⁨탐색하기⁩

    Addition polymerisation route · ⁨첨가 중합 경로⁩

    Watch alkene monomers join by opening their double bonds. · ⁨알켄 단량체가 이중 결합을 열며 결합하는 과정을 관찰하십시오.⁩

    Vocabulary · ⁨어휘⁩ Train · ⁨연습하기⁩
    English 한국어
    addition polymerisation/əˈdɪʃn ˌpɒlɪməraɪˈzeɪʃn/ 가중중합
    monomer/ˈmɒnəʊmə/ 단량체
    polymer/ˈpɒlɪmə/ 고분자
    repeat unit/rɪˈpiːt ˈjuːnɪt/ 반복 단위
    poly(ethene)/ˈpɒlɪ/ poly(ethene)
    poly(chloroethene)/ˈpɒlɪ/ poly(chloroethene)
    non-biodegradable/nɒn ˌbaɪəʊdɪˈɡreɪdəbl/ 생분해 불가성
    combustion/kəmˈbʌstʃn/ 연소
    20.1

    The problem of disposal · ⁨폐기 문제⁩

    English

    Poly(alkene)s are very hard to get rid of:

    • they are non-biodegradable 不可生物降解 — microbes cannot break them down, so they stay in the ground for a very long time.
    • their combustion 燃烧 (burning) can release harmful gases. For example, burning PVC gives off toxic hydrogen chloride.
    한국어

    폴리알켄(poly(alkene))은 제거하기 매우 어렵습니다:

    • 이들은 생분해성이 아닙니다. 즉, 미생물이 분해할 수 없어 매우 오랜 시간 동안 토양에 남습니다.
    • 연소(타는 것) 시 유해 가스를 방출할 수 있습니다. 예를 들어 PVC를 연소하면 독성 염화수소가 발생합니다.
    비치에 밀려온 플라스틱 폐기물
    대부분의 첨가 중합체는 생분해성이 아니므로 환경에서 폐기물로 축적됩니다
    폴리알켄 폐기로 인한 두 가지 문제: 매립지 내 생분해성 폐기물 잔류 및 PVC 연소 시 독성 HCl 방출을 보여주는 도식도
    폴리알켄 폐기는 처리하기 어렵습니다. 생분해성이 없으며, PVC 연소 시 독성 염화수소를 방출하기 때문입니다.
    20.1

    Exam tips · ⁨시험 팁⁩

    English
    • Draw the repeat unit in brackets with the two bonds crossing them and $n$ outside; keep the backbone carbons.
    • Deduce the monomer from a polymer (and vice versa) — a very common question.
    • Addition polymers are inert and non-biodegradable — link to landfill, recycling and incineration issues.
    • Do not confuse with condensation (no small molecule is lost in addition polymerisation).
    한국어
    • **반복 단위(repeat unit)**를 괄호 안에 그릴 때 두 결합이 괄호를 가로지르게 하고 $n$를 바깥쪽에 배치합니다. 주쇄 탄소는 유지합니다.
    • 중합체로부터 단량체를 추론하고(또는 그 반대로) — 매우 빈번한 출제 유형입니다.
    • 첨가 중합체는 불활성이고 생분해성이 없습니다. 매립, 재활용 및 소각 관련 이슈와 연결되어 생각해야 합니다.
    • 탈수 중합(condensation polymerisation)과 혼동하지 마십시오. (첨가 중합에서는 작은 분자가 손실되지 않습니다.)
  • 21

    Organic synthesis

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    21.1

    Organic synthesis

    Syllabus
    English
    1. for an organic molecule containing several functional groups: (a) identify organic functional groups using the reactions in the syllabus (b) predict properties and reactions
    2. devise multi-step synthetic routes for preparing organic molecules using the reactions in the syllabus
    3. analyse a given synthetic route in terms of type of reaction and reagents used for each step of it, and possible by-products
    한국어
    1. 여러 **官能团(functional groups)**을 포함하는 유기 분자에 대해: (a) 과목 요강의 반응을 사용하여 유기官能团을 식별 (b) 성질 및 반응 예측
    2. 과목 요강의 반응을 사용하여 유기 분자를制备하기 위한 **다단계 합성 경로(multi-step synthetic routes)**를 설계하시오.
    3. 주어진 합성 경로를 각 단계의 반응 유형, 사용된 시약, 그리고 가능한 부산물 관점에서 분석하시오.

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

    This topic does not add new reactions. Instead it asks you to join up the reactions you already know, so you can build a target molecule in several steps.

    White tablets in foil blister packs
    Medicines are built up from simple starting materials by multi-step organic synthesis

    Identifying functional groups

    A molecule may have more than one functional group 官能团. Use the test reactions from the syllabus to identify each one, and then predict how the molecule will behave. For example:

    • decolourises bromine water → a C=C double bond (an alkene 烯烃).
    • gives a precipitate with silver nitrate → a halogenoalkane 卤代烷.
    • orange $\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$ turns green → a primary or secondary alcohol 醇.
    • orange precipitate with 2,4-DNPH → an aldehyde 醛 or ketone 酮.
    • fizzes with a carbonate → a carboxylic acid 羧酸.
    A three-column table listing each test reagent, the observation it gives, and the functional group it identifies
    The standard identification tests: each reagent gives a characteristic observation that points to one functional group

    A map of the AS reactions

    Each row turns one functional group into another. Learn it as a map you can travel around:

    Start Reagent and conditions Product
    alkene $\text{H}_2$, Ni alkane
    alkene $\text{HX}$, or $\text{X}_2$ halogenoalkane
    alkene steam, $\text{H}_3\text{PO}_4$ alcohol
    halogenoalkane $\text{NaOH(aq)}$, heat alcohol
    halogenoalkane $\text{KCN}$ in ethanol, heat a nitrile 腈 (adds one carbon)
    halogenoalkane $\text{NH}_3$ in ethanol, pressure an amine 胺
    alcohol $\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$, distil / reflux aldehyde / carboxylic acid
    alcohol concentrated acid, heat alkene
    aldehyde or ketone $\text{NaBH}_4$ alcohol
    aldehyde or ketone $\text{HCN}$, $\text{KCN}$ hydroxynitrile
    nitrile dilute acid, heat carboxylic acid
    carboxylic acid + alcohol concentrated $\text{H}_2\text{SO}_4$ an ester 酯
    A network diagram linking alkene, alkane, halogenoalkane, alcohol, aldehyde, nitrile, amine, carboxylic acid and ester by labelled reagent arrows
    A map of the AS reactions: each arrow turns one functional group into another. Work backwards from your target to plan a route

    Planning a multi-step route

    To devise a synthetic route 合成路线:

    1. compare the target with the starting material — what has changed (the functional group, the number of carbons)?
    2. work backwards from the target: which single reaction could make it, and from what?
    3. repeat until you reach the starting material.
    4. write each step with its reagent 试剂 and conditions.

    If you need to add a carbon, the $\text{KCN}$ step is the key — it is the only AS reaction that lengthens the chain.

    A synthesis chain from ethene to propanoic acid with the reagent on each forward step, and a large backward arrow showing the planning runs from the target back to the start
    Plan a route by working backwards from the target, one reaction at a time, until you reach the starting material

    Analysing a route

    When you are given a route, for each step state the type of reaction (such as oxidation 氧化, reduction 还原, substitution, addition or elimination) and the reagent used. Also think about possible by-products 副产物 — for example, making an amine from a halogenoalkane also gives a mixture of further-substituted amines, so the yield of the simple amine is low.

    A separating funnel clamped above a beaker, holding two coloured liquid layers that do not mix
    A separating funnel splits two immiscible layers — how the organic product is recovered from the reaction mixture
    For each step in a given route, ask three things: its reaction type, its reagent and conditions, and whether by-products lower the yield
    For every step in a given route, ask its reaction type, reagent and by-products
    The five reaction types with what each does: oxidation, reduction, substitution, addition and elimination
    Name the reaction type at each step: oxidation, reduction, substitution, addition or elimination

    Worked example. Devise a route from propene to propanone, $\text{CH}_3\text{COCH}_3$. Work backwards from the target. A ketone comes from oxidising a secondary alcohol, so the step before propanone is propan-2-ol with acidified $\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$ under reflux. Propan-2-ol comes from propene by adding steam over an $\text{H}_3\text{PO}_4$ catalyst - and Markovnikov's rule conveniently puts the $\text{OH}$ on the middle carbon, which is exactly the secondary alcohol needed. So the route is: propene, then steam with $\text{H}_3\text{PO}_4$, giving propan-2-ol; then acidified $\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$ under reflux, giving propanone. Give a reagent and its conditions on every arrow: a route with the right intermediates but no reagents scores very little.

    Explore · ⁨탐색하기⁩

    Reaction map lab · ⁨반응 맵 실험실⁩

    Classify clues that identify functional groups and reaction pathways. · ⁨기능 기와 반응 경로를 식별하는 단서를 분류하십시오.⁩

    Explore · ⁨탐색하기⁩

    Synthetic route planning lab · ⁨합성 경로 계획 실험실⁩

    Follow how a target molecule is planned backwards then made forwards. · ⁨목표 분자를 뒤쪽에서 계획한 후 앞쪽으로 만드는 과정을 따르십시오.⁩

    Vocabulary · ⁨어휘⁩ Train · ⁨연습하기⁩
    English 한국어
    functional group/ˈfʌŋkʃənl ɡruːp/ 기능기
    alkene/ˈælkiːn/ 알켄
    halogenoalkane/ˈheɪləʊdʒnəʊlkeɪn/ 할로젠알케인
    alcohol/ˈælkəhɒl/ 알코올
    aldehyde/ˈældɪhaɪd/ 알데히드
    ketone/ˈketəʊn/ 케톤
    carboxylic acid/ˌkɑːbəkˈsɪlɪk ˈæsɪd/ 카복실산
    nitrile/ˈnaɪtraɪl/ 니트릴
    amine/ˈæmaɪn/ 아민
    ester/ˈestə/ 에스터
    synthetic route/sɪnˈθetɪk ruːt/ 합성 경로
    reagent/rɪˈeɪdʒənt/ 시약
    oxidation/ˌɒksɪˈdeɪʃn/ 산화
    reduction/rɪˈdʌkʃn/ 환원
    by-product/baɪ ˈprɒdʌkt/ 부산물
    21.1

    Exam tips

    • Learn the reagents and conditions for each conversion — that is exactly what synthesis questions test.
    • Plan multi-step routes by functional group and watch the carbon count (KCN adds one carbon).
    • Choose the shortest valid route and state every reagent and condition.
  • 22

    Analytical techniques

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    22.1

    Infrared spectroscopy

    Syllabus
    English
    1. analyse an infrared spectrum of a simple molecule to identify functional groups (see the Data section for the functional groups required)
    한국어
    1. 단순 분자의 적외선 스펙트럼을 분석하여 **官能团(functional groups)**을 식별하시오(필요한官能团에 대해서는 데이터 섹션 참조).

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

    Infrared spectroscopy 红外光谱 helps you find the functional group 官能团 in a molecule. Each kind of bond soaks up (absorbs) infrared radiation at its own range of frequencies. Where the bond shows strong absorption 吸收, the spectrum has a dip.

    A benchtop infrared spectrometer in a laboratory
    An infrared spectrometer shines infrared through a sample and records which wavenumbers its bonds absorb

    The position is measured in wavenumber 波数 (in $\text{cm}^{-1}$). You are given a data table, so you do not memorise the numbers. You just match the dips to bonds:

    • a broad dip around $3200$–$3650\ \text{cm}^{-1}$ → an O–H bond in an alcohol.
    • a dip around $1700\ \text{cm}^{-1}$ → a C=O bond (aldehyde, ketone, acid or ester).
    • a broad dip $2500$–$3000\ \text{cm}^{-1}$ together with a C=O dip → a carboxylic acid.

    This is useful for checking a reaction. For example, if propene has been turned into propan-2-ol, the C=C dip should be gone and an O–H dip should appear.

    An infrared spectrum with transmittance dipping at a broad O-H band and a sharp C=O band
    An infrared spectrum: each bond gives a dip at its own wavenumber. A broad O–H dip together with a C=O dip identifies a carboxylic acid
    Explore · ⁨탐색하기⁩

    IR spectroscopy lab · ⁨IR 스펙트로스코피 실험실⁩

    Match an absorption to the bond or functional group it reveals. · ⁨흡수를 그 bond 또는 기능 기와 짝을 맞추십시오.⁩

    Vocabulary · ⁨어휘⁩ Train · ⁨연습하기⁩
    English 한국어
    infrared spectroscopy/ˌɪnfrəˈred spekˈtrɒskəpi/ 적외선 분광법
    functional group/ˈfʌŋkʃənl ɡruːp/ 기능기
    absorption/əbˈsɔːpʃn/ 흡수
    wavenumber/ˈweɪvnʌmbə/ 파수
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    22.2

    Mass spectrometry

    Syllabus
    1. analyse mass spectra in terms of $m/e$ values and isotopic abundances (knowledge of the working of the mass spectrometer is not required)
    2. calculate the relative atomic mass of an element given the relative abundances of its isotopes, or its mass spectrum
    3. deduce the molecular mass of an organic molecule from the molecular ion peak in a mass spectrum
    4. suggest the identity of molecules formed by simple fragmentation in a given mass spectrum
    5. deduce the number of carbon atoms, $n$, in a compound using the $[M + 1]^+$ peak and the formula
      $$n = \frac{100 \times \text{abundance of } [M + 1]^+ \text{ ion}}{1.1 \times \text{abundance of } M^+ \text{ ion}}$$
    6. deduce the presence of bromine and chlorine atoms in a compound using the $[M + 2]^+$ peak

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

    In mass spectrometry 质谱, a molecule is turned into ions and sorted by its mass-to-charge ratio 质荷比 ($m/e$). The spectrum is a set of peaks at different $m/e$ values.

    A scientist in a laboratory loading a small sample into a large modern mass spectrometer
    A modern mass spectrometer: the sample is loaded at the front, then the machine ionises it and sorts the ions by their mass-to-charge ratio to give the spectrum

    Relative atomic mass from isotopes

    An element's isotope 同位素 mixture gives several peaks. From the isotopic abundance 同位素丰度 (how common each isotope is) you can find the relative atomic mass 相对原子质量 — a weighted average:

    $$A_r = \frac{\sum (\text{isotope mass} \times \text{abundance})}{\sum \text{abundance}}$$

    For example, chlorine is 75% $^{35}\text{Cl}$ and 25% $^{37}\text{Cl}$, giving $A_r = \dfrac{35 \times 75 + 37 \times 25}{100} = 35.5$.

    The molecular ion and fragmentation

    The peak at the highest $m/e$ (the molecular ion 分子离子 peak, or molecular ion peak 分子离子峰, $M^+$) gives the relative molecular mass of the whole molecule.

    The molecule also breaks into smaller pieces — this is fragmentation 碎裂. The gap between two peaks tells you the mass of the lost piece, so you can suggest each fragment 碎片. For example, a loss of 15 means a $\text{CH}_3$ group was lost, and a loss of 29 means $\text{CHO}$ or $\text{C}_2\text{H}_5$.

    A mass spectrum of ethanol with peaks at several m/e values, the molecular ion at 46 marked and a gap of 15 from 46 to 31 labelled as the loss of a methyl group
    A mass spectrum: the highest-$m/e$ peak is the molecular ion ($M^+$, the $M_r$); the gaps between peaks give the masses of the lost fragments

    The [M + 1] and [M + 2] peaks

    • a small [M + 1] peak comes from the $^{13}\text{C}$ isotope. The number of carbon atoms $n$ is:
    $$n = \frac{100 \times \text{abundance of } [M + 1]^+}{1.1 \times \text{abundance of } M^+}$$
    • an [M + 2] peak shows chlorine or bromine. One chlorine gives an $[M + 2]$ peak about one third the height of $M^+$ (from $^{37}\text{Cl}$); one bromine gives an $[M + 2]$ peak about the same height as $M^+$ (from $^{81}\text{Br}$).
    Two pairs of mass-spectrum peaks two units apart: a chlorine pair in a 3 to 1 ratio and a bromine pair in a 1 to 1 ratio
    An $[M+2]$ peak two mass units above $M^+$ shows a halogen: one chlorine gives a $3:1$ ratio, one bromine a $1:1$ ratio

    Worked example. A compound shows a molecular ion at $m/e = 108$ and a peak of almost equal height at $m/e = 110$. Its infrared spectrum shows no broad absorption near $3300\ \text{cm}^{-1}$. Deduce its identity. Two peaks two units apart with roughly equal heights are the $1:1$ signature of one bromine atom (from $^{79}\text{Br}$ and $^{81}\text{Br}$); one chlorine would have given a $3:1$ ratio instead. Take the bromine away from the molecular ion: $108 - 79 = 29$, which fits a $\text{C}_2\text{H}_5$ fragment. The absence of a broad peak near $3300\ \text{cm}^{-1}$ rules out an $\text{O-H}$, so there is no alcohol group. The compound is bromoethane, $\text{C}_2\text{H}_5\text{Br}$. Read the $[M+2]$ ratio rather than merely noting the peak: $1:1$ means bromine, $3:1$ means chlorine.

    Explore · ⁨탐색하기⁩

    Mass spectrometry route · ⁨질량 분광법 경로⁩

    Follow a molecule through ionisation, separation and detection. · ⁨이온화, 분리 및 검출을 거치는 분자의 흐름을 따라가십시오.⁩

    Vocabulary · ⁨어휘⁩ Train · ⁨연습하기⁩
    English 한국어
    mass spectrometry/mæs spekˈtrɒmətri/ 질량 분석법
    mass-to-charge ratio/mæs tə tʃɑːdʒ ˈreɪʃɪəʊ/ 질량-전하 비
    isotope/ˈaɪsətəʊp/ 동위 원소(isotope)
    isotopic abundance/ˌaɪsəˈtɒpɪk əˈbʌndəns/ 동위원소 존재비
    relative atomic mass/ˈrelətɪv əˈtɒmɪk mæs/ 상대 원자 질량
    molecular ion/məˈlekjʊlə ˈaɪɒn/ 분자 이온
    molecular ion peak/məˈlekjʊlə ˈaɪɒn piːk/ 분자 이온 피크
    fragmentation/ˌfræɡmənˈteɪʃn/ 분열
    fragment/ˈfræɡmənt/ 조각(fragment)
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    22.2

    Exam tips

    • On an IR spectrum quote the wavenumber and the bond (O-H broad $\sim 3200-3600$, C=O $\sim 1700$); use the data booklet.
    • The peak at the highest $m/z$ is the molecular ion $\text{M}^+$ and gives the $M_r$.
    • Explain fragmentation: the gap between peaks is the lost fragment (loss of 15 = $\text{CH}_3$, 29 = $\text{C}_2\text{H}_5$ or CHO).
    • Learn common isotope patterns (Cl gives M and M+2 in about 3:1; M+1 from $^{13}\text{C}$).
  • 23

    Chemical energetics

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    23.1

    Lattice energy and Born–Haber cycles

    Syllabus
    English
    1. define and use the terms: (a) enthalpy change of atomisation, $\Delta H_{\text{at}}$ (b) lattice energy, $\Delta H_{\text{latt}}$ (the change from gas phase ions to solid lattice)
    2. (a) define and use the term first electron affinity, EA (b) explain the factors affecting the electron affinities of elements (c) describe and explain the trends in the electron affinities of the Group 16 and Group 17 elements
    3. construct and use Born–Haber cycles for ionic solids (limited to +1 and +2 cations, –1 and –2 anions)
    4. carry out calculations involving Born–Haber cycles
    5. explain, in qualitative terms, the effect of ionic charge and of ionic radius on the numerical magnitude of a lattice energy
    한국어
    1. 다음 용어를 정의하고 사용할 것: (a) 원자화 엔탈피 변화(enthalpy change of atomisation), $\Delta H_{\text{at}}$ (b) 격자 에너지(lattice energy), $\Delta H_{\text{latt}}$ (기체 이온에서 고체 격자로의 변화)
    2. (a) 첫 전자 친화도 EA의 정의와 용법 설명 (b) 원소의 전자 친화도에 영향을 미치는 요인 설명 (c) 16족 및 17족 원소의 전자 친화도 추이 기술 및 설명
    3. +1 및 +2 양이온, –1 및 –2 음이온에 한정하여 이온성 고체에 대한 **본-하버 사이클(Born–Haber cycles)**을 구성하고 사용할 것.
    4. 본-하버 사이클을 포함하는 계산을 수행하시오.
    5. 이온 전하 및 이온 반지름이 격자 에너지의 수치적 크기에 미치는 영향을 정성적으로 설명하시오.

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

    These cycles use several enthalpy changes 焓变 ($\Delta H$). Two new ones are:

    • the enthalpy change of atomisation 原子化焓变, $\Delta H_{\text{at}}$ — the energy to make one mole of gaseous atoms from an element. It is always positive (bonds must break).
    • the lattice energy 晶格能, $\Delta H_{\text{latt}}$ — the energy change when one mole of a solid ionic lattice forms from its gaseous ions. It is always negative (strong bonds form).
    Clear cubic crystals of halite (rock salt)
    An ionic solid such as sodium chloride is a giant, regular lattice of ions — the lattice energy is released when it forms

    Electron affinity

    The first electron affinity 电子亲和能 (EA) is the energy change when one mole of gaseous atoms each gain one electron to form one mole of $1-$ ions. The first EA is usually negative.

    A gaseous atom gains an electron to form a 1- ion, usually releasing energy
    A gaseous atom gains an electron, usually releasing energy

    The same factors as ionisation energy apply (nuclear charge, atomic radius, shielding). Going down Group 16 or 17, the EA becomes less exothermic, because the atom is larger and pulls the extra electron in less strongly. (The very top element is an exception: its atom is so small that electron repulsion makes its EA less exothermic than the one below it.)

    Born–Haber cycles

    A Born–Haber cycle 玻恩哈伯循环 is an energy cycle that links the enthalpy change of formation of an ionic solid with its atomisation, ionisation energy, electron affinity and lattice energy. Using Hess's law, you go round the cycle to find any one unknown step. (You only need $+1$ and $+2$ cations and $-1$ and $-2$ anions.)

    An energy-level diagram for sodium chloride showing the steps up (atomisation, ionisation) and down (electron affinity, lattice energy) and the direct formation step
    A Born–Haber cycle for NaCl: going up costs energy (atomisation, ionisation); coming down releases it (electron affinity, and the large lattice energy)

    Worked example. Find the lattice energy of sodium chloride from these data (kJ mol⁻¹): enthalpy of formation $\Delta H_f = -411$; atomisation $\Delta H_{\text{at}}(\text{Na}) = +107$ and $\Delta H_{\text{at}}(\text{Cl}) = +122$; first ionisation energy of Na $= +496$; electron affinity of Cl $= -349$.

    By Hess's law the direct formation route equals the route up and round the cycle:

    $$\Delta H_f = \Delta H_{\text{at}}(\text{Na}) + \Delta H_{\text{at}}(\text{Cl}) + \text{IE}_1 + \text{EA} + \Delta H_{\text{latt}},$$

    so $\Delta H_{\text{latt}} = -411 - (107 + 122 + 496 - 349) = -787\ \text{kJ mol}^{-1}.$

    What controls the size of a lattice energy

    The lattice energy is more negative (stronger) when:

    Smaller ions and higher charges give a stronger lattice energy
    Smaller ions and higher charges give a stronger lattice energy
    • the ionic charge is higher (e.g. $\text{Mg}^{2+}$ beats $\text{Na}^+$).
    • the ionic radius is smaller.

    Both make the attraction between the ions stronger.

    Explore · ⁨탐색하기⁩

    The Born–Haber cycle · ⁨본-하버 순환⁩

    Lattice energy can't be measured directly, so it is found from a cycle of measurable steps. · ⁨격자 에너지는 직접 측정할 수 없으므로 측정 가능한 단계의 순환을 통해 구합니다.⁩

    Vocabulary · ⁨어휘⁩ Train · ⁨연습하기⁩
    English 한국어
    enthalpy change/enˈθælpi tʃeɪndʒ/ 엔탈피 변화
    enthalpy change of atomisation/enˈθælpi tʃeɪndʒ ɒv əˌtɒmaɪˈzeɪʃn/ 원자화 엔탈피 변화
    lattice energy/ˈlætɪs ˈenədʒi/ 결정 격자 에너지(lattice energy)
    electron affinity/ɪˈlektrɒn əˈfɪnɪti/ 전자 친화도
    Born–Haber cycle/bɔːn ˈheɪbə ˈsaɪkl/ 본-하버 사이클
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    23.2

    Enthalpies of solution and hydration

    Syllabus
    English
    1. define and use the term enthalpy change with reference to hydration, $\Delta H_{\text{hyd}}$, and solution, $\Delta H_{\text{sol}}$
    2. construct and use an energy cycle involving enthalpy change of solution, lattice energy and enthalpy change of hydration
    3. carry out calculations involving the energy cycles in 23.2.2
    4. explain, in qualitative terms, the effect of ionic charge and of ionic radius on the numerical magnitude of an enthalpy change of hydration
    한국어
    1. 수화(hydration), $\Delta H_{\text{hyd}}$ 및 용해(solution), $\Delta H_{\text{sol}}$을 근거로 엔탈피 변화를 정의하고 사용할 것.
    2. 용해 엔탈피 변화, 격자 에너지 및 수화 엔탈피 변화를 포함하는 에너지 사이클을 구성하고 사용할 것.
    3. 23.2.2의 에너지 순환을 포함하는 계산을 수행한다
    4. 이온 전하 및 이온 반경이 수화 엔탈피 변화의 수치적 크기에 미치는 영향을 정성적으로 설명한다

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

    • the enthalpy change of hydration 水合焓变, $\Delta H_{\text{hyd}}$ — the energy change when one mole of gaseous ions is surrounded by water to form aqueous ions. It is exothermic.
    • the enthalpy change of solution 溶解焓变, $\Delta H_{\text{sol}}$ — the energy change when one mole of solute dissolves fully in water.
    An instant cold pack
    An instant cold pack feels cold because its salt dissolves endothermically (a positive $\Delta H_\text{sol}$), driven by the rise in entropy

    An energy cycle links the three:

    $$\Delta H_{\text{sol}} = -\Delta H_{\text{latt}} + \Delta H_{\text{hyd}}$$

    (To dissolve, you first pull the lattice apart, then hydrate the ions.) Like lattice energy, $\Delta H_{\text{hyd}}$ is more exothermic for ions with a higher charge and a smaller radius.

    A triangular energy cycle linking the ionic solid, the gaseous ions and the aqueous ions by the lattice, hydration and solution enthalpies
    Dissolving energy cycle: pull the lattice apart (reverse lattice energy), then hydrate the gaseous ions, so $\Delta H_\text{sol} = -\Delta H_\text{latt} + \Delta H_\text{hyd}$
    Explore · ⁨탐색하기⁩

    Enthalpy of solution lab · ⁨용해 엔탈피 실험실⁩

    deltaHsol = lattice + hydration terms · ⁨deltaHsol = 격자 + 수화 항⁩

    Change hydration strength and see solution enthalpy shift. · ⁨수화 세기를 변경하고 용해 엔탈피의 변화를 확인하십시오.⁩

    Vocabulary · ⁨어휘⁩ Train · ⁨연습하기⁩
    English 한국어
    enthalpy change of hydration/enˈθælpi tʃeɪndʒ ɒv haɪˈdreɪʃn/ 수화 엔탈피 변화
    enthalpy change of solution/enˈθælpi tʃeɪndʒ ɒv səˈluːʃn/ 용해 엔탈피 변화
    23.3

    Entropy change, ΔS

    Syllabus
    English
    1. define the term entropy, $S$, as the number of possible arrangements of the particles and their energy in a given system
    2. predict and explain the sign of the entropy changes that occur: (a) during a change in state, e.g. melting, boiling and dissolving (and their reverse) (b) during a temperature change (c) during a reaction in which there is a change in the number of gaseous molecules
    3. calculate the entropy change for a reaction, $\Delta S$, given the standard entropies, $S^\ominus$, of the reactants and products, $\Delta S^\ominus = \Sigma S^\ominus \text{(products)} - \Sigma S^\ominus \text{(reactants)}$ (use of $\Delta S^\ominus = \Delta S^\ominus_{\text{surr}} + \Delta S^\ominus_{\text{sys}}$ is not required)
    한국어
    1. 엔트로피 $S$라는 용어를 주어진 시스템 내 입자 및 그들의 에너지에 대한 가능한 배치의 수로 정의한다
    2. 다음에서 일어나는 엔트로피 변화의 부호를 예측하고 설명한다: (a) 상 변화 시, 예: 용해, 끓음 및 용해(그와 반대 과정 포함) (b) 온도 변화 시 (c) 기체 분자의 수에 변화가 있는 반응 중
    3. 반응의 엔트로피 변화를 계산한다, $\Delta S$, 반응물과 생성물의 표준 엔트로피 $S^\ominus$를 주어질 때, $\Delta S^\ominus = \Sigma S^\ominus \text{(products)} - \Sigma S^\ominus \text{(reactants)}$ ($\Delta S^\ominus = \Delta S^\ominus_{\text{surr}} + \Delta S^\ominus_{\text{sys}}$의 사용은 불필요함)

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

    Entropy 熵 ($S$) measures the number of ways the particles and their energy can be arranged in a system. More ways means more "disorder".

    Three boxes of particles: an ordered solid grid, a clustered liquid, and a spread-out gas, with arrows showing entropy increasing
    Entropy rises from solid to liquid to gas as the particles spread into more arrangements, so $\Delta S$ is positive

    The entropy change 熵变 ($\Delta S$) is positive when disorder increases, and negative when it falls:

    Change Sign of $\Delta S$
    solid → liquid → gas (melting, boiling), or dissolving positive
    a rise in temperature positive
    a reaction that makes more gas molecules positive
    a reaction that makes fewer gas molecules negative

    You can calculate it from standard entropies:

    $$\Delta S^{\ominus} = \sum S^{\ominus}(\text{products}) - \sum S^{\ominus}(\text{reactants})$$
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    Entropy change lab · ⁨엔트로피 변화 실험실⁩

    deltaS = products disorder - reactants disorder · ⁨deltaS = 생성물 무질서도 - 반응물 무질서도⁩

    Increase disorder and see entropy change become more positive. · ⁨무질서도를 증가시키고 엔트로피 변화가 더 양수가 되는 것을 확인하십시오.⁩

    Vocabulary · ⁨어휘⁩ Train · ⁨연습하기⁩
    English 한국어
    entropy/ˈentrəpi/ 엔트로피
    entropy change/ˈentrəpi tʃeɪndʒ/ 엔트로피 변화
    23.4

    Gibbs free energy change, ΔG

    Syllabus
    English
    1. state and use the Gibbs equation $\Delta G^\ominus = \Delta H^\ominus - T\Delta S^\ominus$
    2. perform calculations using the equation $\Delta G^\ominus = \Delta H^\ominus - T\Delta S^\ominus$
    3. state whether a reaction or process will be feasible by using the sign of $\Delta G$
    4. predict the effect of temperature change on the feasibility of a reaction, given standard enthalpy and entropy changes
    한국어
    1. 깁스 방정식 $\Delta G^\ominus = \Delta H^\ominus - T\Delta S^\ominus$을 제시하고 사용한다
    2. 방정식 $\Delta G^\ominus = \Delta H^\ominus - T\Delta S^\ominus$을 사용하여 계산한다
    3. $\Delta G$의 부호를 사용하여 반응이나 과정이 가능한지 여부를 판단한다
    4. 표준 엔탈피 및 엔트로피 변화를 주어, 온도 변화가 반응의 가능성에 미치는 영향을 예측한다

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

    The Gibbs free energy 吉布斯自由能 change decides whether a reaction can happen on its own:

    $$\Delta G^{\ominus} = \Delta H^{\ominus} - T\Delta S^{\ominus}$$

    Here $T$ is the temperature in kelvin. A reaction is feasible (it can happen) when $\Delta G$ is negative or zero. The feasibility 可行性 therefore depends on temperature:

    $\Delta H$ $\Delta S$ When feasible
    negative positive at all temperatures
    positive positive only at high temperature
    negative negative only at low temperature
    positive negative never
    A two-by-two grid of the signs of enthalpy change and entropy change, each cell saying when the reaction is feasible
    Whether a reaction is feasible ($\Delta G \leq 0$) depends on the signs of $\Delta H$ and $\Delta S$, and sometimes on temperature

    To find the changeover temperature, set $\Delta G = 0$, which gives $T = \Delta H / \Delta S$.

    Worked example. A reaction has $\Delta H = +120\ \text{kJ mol}^{-1}$ and $\Delta S = +200\ \text{J K}^{-1}\,\text{mol}^{-1}$. Find $\Delta G$ at $298\ \text{K}$, and the temperature above which the reaction becomes feasible.

    First match the units: $\Delta S = +0.200\ \text{kJ K}^{-1}\,\text{mol}^{-1}$. Then

    $$\Delta G = \Delta H - T\Delta S = 120 - 298 \times 0.200 = +60\ \text{kJ mol}^{-1}\quad(\text{positive, so not yet feasible}).$$

    Setting $\Delta G = 0$ gives $T = \Delta H/\Delta S = 120/0.200 = 600\ \text{K}$, so the reaction is feasible above $600\ \text{K}$.

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    Gibbs free energy lab · ⁨지브스 자유 에너지 실험⁩

    deltaG = deltaH - T deltaS

    Move temperature and see when deltaG becomes negative. · ⁨온도를 이동시켜 deltaG가 음수가 되는 시점을 확인하시오.⁩

    Vocabulary · ⁨어휘⁩ Train · ⁨연습하기⁩
    English 한국어
    Gibbs free energy/ɡɪbz friː ˈenədʒi/ 길브스 자유 에너지
    feasibility/ˌfiːzɪˈbɪlɪti/ 타당성
    23.4

    Exam tips

    • In a Born-Haber cycle get each step's direction and sign right (atomisation, ionisation $+$; electron affinity, lattice formation $-$) and apply Hess's law around it.
    • Lattice energy is more exothermic for smaller, more highly charged ions (higher charge density).
    • Predict the sign of $\Delta S$ from the state changes (more gas moles = more disorder).
    • Use $\Delta G = \Delta H - T\Delta S$; feasible when $\Delta G \le 0$ — convert $\Delta S$ from $\text{J K}^{-1}\,\text{mol}^{-1}$ ($\div 1000$).
  • 24

    Electrochemistry

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    24.1

    Electrolysis · ⁨전기분해⁩

    Syllabus
    1. predict the identities of substances liberated during electrolysis from the state of electrolyte (molten or aqueous), position in the redox series (electrode potential) and concentration
    2. state and apply the relationship $F = Le$ between the Faraday constant, $F$, the Avogadro constant, $L$, and the charge on the electron, $e$
    3. calculate: (a) the quantity of charge passed during electrolysis, using $Q = It$ (b) the mass and/or volume of substance liberated during electrolysis
    4. describe the determination of a value of the Avogadro constant by an electrolytic method

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

    English
    Electrolysis: ions discharge at the electrodes

    Electrolysis 电解 uses electricity to break down a molten or aqueous electrolyte 电解质. Positive ions move to the negative electrode and negative ions move to the positive electrode.

    At each electrode 电极 a half-reaction happens:

    • at the cathode 阴极 (negative): positive ions gain electrons (reduction).
    • at the anode 阳极 (positive): negative ions lose electrons (oxidation).

    Predicting the products

    • a molten electrolyte gives the metal at the cathode and the non-metal at the anode.
    • an aqueous electrolyte also contains water. At the cathode, a less reactive metal is released, but for a reactive metal you get hydrogen instead. At the anode you usually get oxygen, but a concentrated halide solution gives the halogen.

    Calculations

    The charge on one mole of electrons is the Faraday constant 法拉第常量, linked to the Avogadro constant 阿伏伽德罗常量 ($L$) and the charge on one electron ($e$) by $F = Le$.

    The charge passed is $Q = It$ (current $\times$ time). Then:

    1. moles of electrons $= Q / F$.
    2. use the half-equation to find moles of product.
    3. find the mass ($\times M_r$) or the gas volume.

    Measuring the mass deposited for a known charge lets you work back to a value of the Avogadro constant.

    Worked example. A current of $2.0\ \text{A}$ flows for $30$ minutes through copper(II) sulfate solution, depositing copper at the cathode: $\text{Cu}^{2+} + 2\text{e}^- \rightarrow \text{Cu}$. Find the mass of copper deposited. ($F = 96\,500\ \text{C mol}^{-1}$, $A_r$ Cu $= 64$.)

    Charge passed: $Q = It = 2.0 \times (30 \times 60) = 3600\ \text{C}$. Moles of electrons $= Q/F = 3600/96\,500 = 0.0373\ \text{mol}$. From the half-equation, $2\ \text{mol}$ of electrons give $1\ \text{mol}$ of Cu, so $n(\text{Cu}) = 0.0187\ \text{mol}$ and

    $$m = nM = 0.0187 \times 64 \approx 1.2\ \text{g}.$$
    한국어
    전해질: 이온이 전극에서 방전됨

    전해질은 전기로 용융된 상태나 수용액 상태인 전해질을 분해하는 과정입니다. 양이온은 음극으로 이동하고, 음이온은 양극으로 이동합니다.

    각 전극에서는 반반응이 일어납니다:

    • 음극(음극): 양이온이 전자를 얻어 환원됩니다.
    • 양극(양극): 음이온이 전자를 잃어 산화됩니다.
    전해질 셀: DC 전원 공급 장치가 두 개의 전극에 연결되어 있으며, 양이온은 음극으로, 음이온은 양극으로 이동하는 모습
    전해질: DC 전원 공급 장치가 양이온을 음극(환원)으로, 음이온을 양극(산화)으로 이동시킵니다
    반대대에 고정된 유리 호프만 볼타메터. 전원 공급장치에 연결되어 있으며, 양쪽에 가스를 모으는 튜브가 있음
    물의 전해질을 위한 호프만 볼타메이터: 전원 공급 장치가 두 전극을 통해 전류를 흐르게 하며, 각 전극에서 생성된 가스는 해당 측면의 튜브에 모입니다

    생성물 예측

    • 용융된 전해질은 음극에서 금속과, 양극에서 비금속을 생성합니다.
    • 수용액 상태의 전해질에는 물도 포함되어 있습니다. 음극에서는 반응성이 낮은 금속이 석출되지만, 반응성이 높은 금속일 경우 수소가 생성됩니다. 양극에서는 일반적으로 산소를 얻지만, 농축된 할로겐化物 용액에서는 할로겐이 생성됩니다.
    용융된 전해질은 금속과 비금속을 생성하며, 수용액은 물도 포함함
    용융 전해질은 금속과 비금속을 제공; 수용액은 물도 포함함

    계산

    전자 1몰의 전하량은 패러데이 상수이며, 아보가드로 상수($L$)와 전자 1개의 전하량($e$) 사이에는 $F = Le$의 관계가 있습니다.

    통과한 전하량은 $Q = It$ (전류 $\times$ 시간)입니다. 따라서:

    1. 전자의 몰수 $= Q / F$.
    2. 반반응식을 사용하여 생성물의 몰수를 구합니다.
    3. 질량($\times M_r$) 또는 기체 부피를 구합니다.

    알고 있는 전하량에 대해 증착된 질량을 측정하면 아보가드로 상수의 값을 역산할 수 있습니다.

    해설 예제. $2.0\ \text{A}$의 전류가 $30$분간 구리(II) 황산염 용액을 통과하여 음극에서 구리가 증착됩니다: $\text{Cu}^{2+} + 2\text{e}^- \rightarrow \text{Cu}$. 증착된 구리의 질량을 구하십시오. ($F = 96\,500\ \text{C mol}^{-1}$, $A_r$ Cu $= 64$.)

    통과한 전하량: $Q = It = 2.0 \times (30 \times 60) = 3600\ \text{C}$. 전자의 몰수 $= Q/F = 3600/96\,500 = 0.0373\ \text{mol}$. 반반응식으로부터, $2\ \text{mol}$몰의 전자는 $1\ \text{mol}$몰의 Cu를 제공하므로, $n(\text{Cu}) = 0.0187\ \text{mol}$이며

    $$m = nM = 0.0187 \times 64 \approx 1.2\ \text{g}.$$
    배럴 도금 기계가 작은 부품에 도금하는 모습
    전해는 크롬과 같은 금속을 얇고 광택 난 층으로 물체에 도금하는 데 사용됩니다
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    Faraday's first law

    m = k·Q

    Mass deposited is proportional to the charge passed (Faraday's law).

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    Inside an electrolysis cell

    Choose an electrolyte and watch the ions move: cations to the cathode, anions to the anode, where they are discharged.

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    English 한국어
    electrolysis/ɪlekˈtrɒləsɪs/ 전해
    electrolyte/ɪˈlektrəlaɪt/ 전해질
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    24.2

    Standard electrode potentials and cell potentials · ⁨표준 전극 전위와 셀 전위⁩

    Syllabus
    English
    1. define the terms: (a) standard electrode (reduction) potential (b) standard cell potential
    2. describe the standard hydrogen electrode
    3. describe methods used to measure the standard electrode potentials of: (a) metals or non-metals in contact with their ions in aqueous solution (b) ions of the same element in different oxidation states
    4. calculate a standard cell potential by combining two standard electrode potentials
    5. use standard cell potentials to: (a) deduce the polarity of each electrode and hence explain/deduce the direction of electron flow in the external circuit of a simple cell (b) predict the feasibility of a reaction
    6. deduce from $E^{\ominus}$ values the relative reactivity of elements, compounds and ions as oxidising agents or as reducing agents
    7. construct redox equations using the relevant half-equations
    8. predict qualitatively how the value of an electrode potential, $E$, varies with the concentrations of the aqueous ions
    9. use the Nernst equation, e.g. $E = E^{\ominus} + (0.059/z) \log \frac{[\text{oxidised species}]}{[\text{reduced species}]}$, to predict quantitatively how the value of an electrode potential varies with the concentrations of the aqueous ions; examples include $\text{Cu}^{2+}(\text{aq}) + 2\text{e}^- \rightleftharpoons \text{Cu}(\text{s})$, $\text{Fe}^{3+}(\text{aq}) + \text{e}^- \rightleftharpoons \text{Fe}^{2+}(\text{aq})$
    10. understand and use the equation $\Delta G^{\ominus} = -n E^{\ominus}_{\text{cell}} F$
    한국어
    1. 용어의 정의: (a) 표준 전극(환원) 전위 (b) 표준 셀 전위
    2. 표준 수소 전극을 설명한다
    3. 표준 전극 전위를 측정하는 방법을 설명한다: (a) 수용액에서 이온과 접촉하는 금속 또는 비금속 (b) 다른 산화 상태의 같은 원소의 이온
    4. 두 표준 전극 전위를 결합하여 표준 셀 전위를 계산한다
    5. 표준 셀 전위를 사용하여: (a) 각 전극의 극성을 추론하여 단순 셀의 외부 회로에서 전류 흐름 방향을 설명/추론 (b) 반응의 가능성을 예측
    6. $E^{\ominus}$ 값을 기반으로 원소, 화합물 및 이온의 산화제 또는 환원제로서의 상대적 반응성을 추론한다.
    7. 관련 반응식을 사용하여 산화-환원 반응을 구성한다
    8. 수용액 이온의 농도에 따라 전극 전위 값 $E$이 어떻게 변하는지를 정성적으로 예측한다
    9. 넨스트 방정식, 예: $E = E^{\ominus} + (0.059/z) \log \frac{[\text{oxidised species}]}{[\text{reduced species}]}$,을 사용하여 수용액 이온의 농도에 따라 전극 전위 값이 어떻게 변하는지를 정량적으로 예측합니다; 예시로는 $\text{Cu}^{2+}(\text{aq}) + 2\text{e}^- \rightleftharpoons \text{Cu}(\text{s})$, $\text{Fe}^{3+}(\text{aq}) + \text{e}^- \rightleftharpoons \text{Fe}^{2+}(\text{aq})$ 포함
    10. 방정식 $\Delta G^{\ominus} = -n E^{\ominus}_{\text{cell}} F$을 이해하고 사용한다

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

    English

    The electrode potential 电极电势 ($E$) of a half-cell shows how easily it is reduced. We measure it against a reference, under standard conditions, to get the standard electrode potential 标准电极电势 ($E^{\ominus}$), always written as a reduction.

    The reference is the standard hydrogen electrode 标准氢电极: hydrogen gas at $1\ \text{atm}$ over platinum in $1\ \text{mol dm}^{-3}$ $\text{H}^+$, defined as exactly $0.00\ \text{V}$.

    To measure an $E^{\ominus}$, connect the half-cell to the standard hydrogen electrode and read the voltage. A metal sits in a solution of its ions; for two ions of the same element (such as $\text{Fe}^{3+}/\text{Fe}^{2+}$), a platinum electrode dips into a solution containing both.

    Combining half-cells

    The standard cell potential 标准电池电势 is the difference between the two standard electrode potentials:

    $$E^{\ominus}_{\text{cell}} = E^{\ominus}(\text{more positive}) - E^{\ominus}(\text{less positive})$$

    Worked example. Find the standard cell potential of a cell built from the $\text{Zn}^{2+}/\text{Zn}$ half-cell ($E^{\ominus} = -0.76\ \text{V}$) and the $\text{Cu}^{2+}/\text{Cu}$ half-cell ($E^{\ominus} = +0.34\ \text{V}$).

    $$E^{\ominus}_{\text{cell}} = E^{\ominus}(\text{more positive}) - E^{\ominus}(\text{less positive}) = (+0.34) - (-0.76) = 1.10\ \text{V}.$$

    From $E^{\ominus}$ values you can:

    • find the polarity: the more negative electrode is the negative terminal, and electrons flow from it through the external circuit to the positive electrode.
    • judge reactivity: a more positive $E^{\ominus}$ means a better oxidising agent 氧化剂 (easily reduced); a more negative $E^{\ominus}$ means a better reducing agent 还原剂.

    Feasibility and redox equations

    A reaction is feasible when $E^{\ominus}_{\text{cell}}$ is positive. To build the full equation, take the two half-equations 半反应方程式, reverse the one that is oxidised, and add them so the electrons cancel. This $E^{\ominus}$ test tells you the feasibility 可行性 of the reaction.

    You can also link it to free energy: $\Delta G^{\ominus} = -n E^{\ominus}_{\text{cell}} F$, where $n$ is the moles of electrons.

    The Nernst equation

    If the concentrations are not standard, the electrode potential changes. Raising the concentration of the oxidised species makes $E$ more positive. The Nernst equation 能斯特方程 gives the exact value:

    $$E = E^{\ominus} + \frac{0.059}{z} \log \frac{[\text{oxidised species}]}{[\text{reduced species}]}$$

    where $z$ is the number of electrons in the half-equation.

    한국어

    전극 전위 ($E$)는 반셀이 환원되기 쉬운 정도를 나타냅니다. 표준 조건 하에서 기준 전극과 비교하여 측정하여 표준 전극 전위 ($E^{\ominus}$)를 얻으며, 이는 항상 환원 반응으로 표기됩니다.

    기준 전극은 표준 수소 전극입니다: 플라티넘 위에 $1\ \text{atm}$ 압력의 수소 기체가 $1\ \text{mol dm}^{-3}$ $\text{H}^+$에 존재하며, 이 값은 정확히 $0.00\ \text{V}$로 정의됩니다.

    산성 용액 내 유리 튜브 속 플라티넘 전극 위 hydrogen 기체 거품, 전체 셀에 0.00 볼트 표시
    표준 수소 전극: H$_2$이 1 atm 압력으로 플라티넘 위에 있으며, 1 mol dm$^{-3}$ H$^+$ 용액 내에 위치하고, 모든 전극 전위의 기준이 되는 $0.00$ V 기준점

    $E^{\ominus}$를 측정하려면 반셀을 표준 수소 전극에 연결하고 전압을 읽으십시오. 금속은 해당 이온 용액 속에 있으며, 동일한 원소의 두 가지 이온(예: $\text{Fe}^{3+}/\text{Fe}^{2+}$)이 있을 경우 플라티넘 전극이 두 이온이 모두 포함된 용액에 담그어집니다.

    반셀 결합하기

    표준 셀 전위는 두 표준 전극 전위의 차이입니다:

    $$E^{\ominus}_{\text{cell}} = E^{\ominus}(\text{more positive}) - E^{\ominus}(\text{less positive})$$
    염桥와 전압계를 통해 연결된 아연 반셀과 구리 반셀, 전자가 wires를 통해 아연에서 구리로 흐르는 모습
    단순 셀: 염桥로 연결된 두 반셀과 전압계. 전자는 음극(Zn)에서 양극(Cu)으로 흐릅니다

    해설 예제. $\text{Zn}^{2+}/\text{Zn}$ 반셀($E^{\ominus} = -0.76\ \text{V}$)과 $\text{Cu}^{2+}/\text{Cu}$ 반셀($E^{\ominus} = +0.34\ \text{V}$)로 구성된 셀의 표준 셀 전위를 구하십시오.

    $$E^{\ominus}_{\text{cell}} = E^{\ominus}(\text{more positive}) - E^{\ominus}(\text{less positive}) = (+0.34) - (-0.76) = 1.10\ \text{V}.$$

    $E^{\ominus}$ 값을 이용하여:

    • **극성(polarity)**을 알 수 있습니다: 더 음(-)인 전극이 음극 단자이며, 전자는 여기서 외부 회로를 통해 양극으로 흐릅니다.
    • **활성(reactivity)**을 판단할 수 있습니다: 더 양(+인 $E^{\ominus}$은 더 좋은 산화제(쉽게 환원됨)를 의미하며, 더 음(-인 $E^{\ominus}$은 더 좋은 환원제를 의미합니다.
    상단에 플루오린, 하단에 나트륨이 있는 표준 전극 전위 수직 척도, 위쪽 화살표는 강한 산화제, 아래쪽 화살표는 강한 환원제를 나타냄
    전화학 시리즈: 더 양의 $E^{\ominus}$(상단)은 더 강력한 산화제이며, 더 음의 $E^{\ominus}$(하단)은 더 강력한 환원제입니다

    타당성 및 산화환원 반응식

    $E^{\ominus}_{\text{cell}}$가 양수일 때 반응이 가능합니다. 전체 반응식을 작성하려면 두 **반응식(half-equations)**을 취하고, 산화된 쪽의 반응식을 뒤집어 더하여 전자가 상쇄되게 합니다. 이 $E^{\ominus}$ 검사는 반응의 타당성을 알려줍니다.

    또한 자유 에너지와 연결할 수 있습니다: $\Delta G^{\ominus} = -n E^{\ominus}_{\text{cell}} F$, 여기서 $n$은 전자의 몰 수입니다.

    넨스트 식

    농도가 표준 상태가 아니면 전극 전위가 변한다. 산화된 종의 농도를 높이면 $E$이 더 양의 값으로 바뀐다. 넌스트 방정식은 정확한 값을 제시한다:

    $$E = E^{\ominus} + \frac{0.059}{z} \log \frac{[\text{oxidised species}]}{[\text{reduced species}]}$$

    여기서 $z$은 반 반응식에 있는 전자의 수이다.

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    Electrode potential lab

    Ecell = Eright - Eleft

    Change cell potential and see oxidising power increase.

    Vocabulary · ⁨어휘⁩ Train · ⁨연습하기⁩
    English 한국어
    electrode/ɪˈlektrəʊd/ 전극
    cathode/ˈkæθəʊd/ 음극(cathode)
    anode/ˈænəʊd/ 양극(anode)
    Faraday constant/ˈfærədeɪ ˈkɒnstənt/ 패러데이 상수
    Avogadro constant/ˌævəˈɡædrəʊ ˈkɒnstənt/ 아보가드로 상수
    electrode potential/ɪˈlektrəʊd pəˈtenʃl/ 전극 전위
    standard electrode potential/ˈstændəd ɪˈlektrəʊd pəˈtenʃl/ 표준 전극 전위
    standard hydrogen electrode/ˈstændəd ˈhaɪdrədʒn ɪˈlektrəʊd/ 표준 수素 전극
    standard cell potential/ˈstændəd sel pəˈtenʃl/ 표준 셀 전위
    oxidising agent/ˈɒksɪdaɪzɪŋ ˈeɪdʒənt/ 산화제
    reducing agent/rɪˈdjuːsɪŋ ˈeɪdʒənt/ 환원제
    half-equation/hɑːf ɪˈkweɪʒn/ 반응식(반 반응)
    feasibility/ˌfiːzɪˈbɪlɪti/ 타당성
    Nernst equation/nɜːnst ɪˈkweɪʒn/ 넨스트 식
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    24.2

    Exam tips · ⁨시험 팁⁩

    English
    • $E^{\ominus}_{\text{cell}} = E^{\ominus}(\text{more positive}) - E^{\ominus}(\text{less positive})$; a positive $E^{\ominus}_{\text{cell}}$ means the reaction is feasible.
    • Standard conditions for $E^{\ominus}$: 298 K, $1\ \text{mol dm}^{-3}$, 100 kPa, platinum electrode — state them if asked.
    • A more negative electrode potential means a stronger reducing agent; use the series to predict the direction.
    • For electrolysis quantities use $Q = It$ and moles of electrons $= Q/F$.
    한국어
    • $E^{\ominus}_{\text{cell}} = E^{\ominus}(\text{more positive}) - E^{\ominus}(\text{less positive})$; 양수인 $E^{\ominus}_{\text{cell}}$은 반응이 가능함을 의미한다.
    • $E^{\ominus}$의 표준 조건: 298 K, $1\ \text{mol dm}^{-3}$, 100 kPa, 백금 전극 — 질문 시 명시하십시오.
    • 더 음의 전극 전위는 더 강한 환원제를 의미하며, 방향을 예측하기 위해 이 목록을 사용한다.
    • 전해 quantity 계산에는 $Q = It$과 전자의 몰수 $= Q/F$을 사용한다.
  • 25

    Equilibria

    Watch lesson · ⁨수업 보기⁩
    25.1

    Conjugate acids and bases

    Syllabus
    English
    1. understand and use the terms conjugate acid and conjugate base
    2. define conjugate acid–base pairs, identifying such pairs in reactions
    3. define mathematically the terms pH, $K_a$, $\text{p}K_a$ and $K_w$ and use them in calculations ($K_b$ and the equation $K_w = K_a \times K_b$ will not be tested)
    4. calculate $[\text{H}^+(\text{aq})]$ and pH values for: (a) strong acids (b) strong alkalis (c) weak acids
    5. (a) define a buffer solution (b) explain how a buffer solution can be made (c) explain how buffer solutions control pH; use chemical equations in these explanations (d) describe and explain the uses of buffer solutions, including the role of $\text{HCO}_3^-$ in controlling pH in blood
    6. calculate the pH of buffer solutions, given appropriate data
    7. understand and use the term solubility product, $K_{\text{sp}}$
    8. write an expression for $K_{\text{sp}}$
    9. calculate $K_{\text{sp}}$ from concentrations and vice versa
    10. (a) understand and use the common ion effect to explain the different solubility of a compound in a solution containing a common ion (b) perform calculations using $K_{\text{sp}}$ values and concentration of a common ion
    한국어
    1. 공액 산 및 공액 염기라는 용어를 이해하고 사용한다
    2. 공액 산-염기 쌍을 정의하고 반응에서 그러한 쌍을 식별한다
    3. pH, $K_a$, $\text{p}K_a$ 및 $K_w$의 용어를 수학적으로 정의하고 계산에 사용한다 ($K_b$ 및 방정식 $K_w = K_a \times K_b$는 시험 대상이 아님)
    4. 다음에 대해 $[\text{H}^+(\text{aq})]$ 및 pH 값을 계산한다: (a) 강산 (b) 강염기 (c) 약산
    5. (a) 완충 용액을 정의 (b) 완충 용액을 만드는 방법 설명 (c) 완충 용액이 pH를 조절하는 원리 설명; 이러한 설명에는 화학 방정식을 사용 (d) 완충 용액의 용도 설명 및 설명,其中包括$\text{HCO}_3^-$在调节血液pH中的作用
    6. 적절한 데이터를 주어 완충 용액의 pH를 계산한다
    7. 용해도곱 상수, $K_{\text{sp}}$라는 용어를 이해하고 사용한다
    8. $K_{\text{sp}}$에 대한 표현을 작성한다
    9. 농도로부터 $K_{\text{sp}}$를 계산하거나 그 반대로 계산한다
    10. (a) 공통 이온 효과를 이해하여 공통 이온이 포함된 용액에서 화합물의 서로 다른 용해도를 설명하고 (b) $K_{\text{sp}}$ 값과 공통 이온의 농도를 사용하여 계산한다

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

    Titration curve and equivalence point

    When a Brønsted acid loses an $\text{H}^+$, what is left is its conjugate base 共轭碱. When a base gains an $\text{H}^+$, it becomes its conjugate acid 共轭酸. The two species that differ by just one $\text{H}^+$ form a conjugate acid–base pair 共轭酸碱对.

    For example, in $\text{CH}_3\text{COOH} \rightleftharpoons \text{CH}_3\text{COO}^- + \text{H}^+$, the pair is $\text{CH}_3\text{COOH}$ (acid) and $\text{CH}_3\text{COO}^-$ (its conjugate base).

    Ethanoic acid losing a proton to its conjugate base, and ammonia gaining a proton to its conjugate acid, with the conjugate pair bracketed
    Conjugate pairs differ by one proton: an acid loses H$^+$ to give its conjugate base; a base gains H$^+$ to give its conjugate acid
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    pH and H⁺ concentration

    pH = −log[H⁺]: slide it and watch [H⁺] change tenfold per unit. A conjugate acid–base pair differ by a single proton.

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    English 한국어
    conjugate base/ˈkɒndʒuːɡeɪt beɪs/ 공염기
    conjugate acid/ˈkɒndʒuːɡeɪt ˈæsɪd/ 상쇄 산
    conjugate acid–base pair/ˈkɒndʒuːɡeɪt ˈæsɪd beɪs peə/ 공액 산염기 쌍
    25.1

    pH and the equilibrium constants

    • pH measures acidity: $\text{pH} = -\log[\text{H}^+]$, so $[\text{H}^+] = 10^{-\text{pH}}$.
    • the acid dissociation constant 酸解离常数 of a weak acid $\text{HA}$ is $K_a = \dfrac{[\text{H}^+][\text{A}^-]}{[\text{HA}]}$, and $\text{p}K_a = -\log K_a$. A larger $K_a$ (smaller $\text{p}K_a$) means a stronger acid.
    • the ionic product of water 水的离子积 is $K_w = [\text{H}^+][\text{OH}^-] = 1.0 \times 10^{-14}$ at $298\ \text{K}$.
    The pH scale runs from acidic through neutral to alkaline, with pH = -log of the hydrogen ion concentration
    The pH scale: pH = -log of the hydrogen-ion concentration
    pH paper strips beside a colour chart
    pH paper estimates the pH of a solution from the colour it turns

    Calculating pH

    • strong acid 强酸: fully ionised, so $[\text{H}^+]$ equals the acid concentration; then take $-\log$.
    • strong alkali 强碱: find $[\text{OH}^-]$ from the concentration, then use $[\text{H}^+] = K_w / [\text{OH}^-]$.
    • weak acid 弱酸: only partly ionised, so use $[\text{H}^+] = \sqrt{K_a \times [\text{HA}]}$.

    Worked example. Find the pH of $0.050\ \text{mol dm}^{-3}$ hydrochloric acid (a strong acid).

    It is fully ionised, so $[\text{H}^+] = 0.050\ \text{mol dm}^{-3}$, giving $\text{pH} = -\log(0.050) = 1.30$.

    Worked example. Find the pH of $0.10\ \text{mol dm}^{-3}$ sodium hydroxide (a strong base). ($K_w = 1.0 \times 10^{-14}$.)

    $[\text{OH}^-] = 0.10$, so $[\text{H}^+] = K_w/[\text{OH}^-] = (1.0 \times 10^{-14})/0.10 = 1.0 \times 10^{-13}$, giving $\text{pH} = 13.0$.

    Worked example. Find the pH of $0.10\ \text{mol dm}^{-3}$ ethanoic acid (a weak acid). ($K_a = 1.8 \times 10^{-5}$.)

    $$[\text{H}^+] = \sqrt{K_a \times [\text{HA}]} = \sqrt{(1.8 \times 10^{-5})(0.10)} = 1.3 \times 10^{-3}, \qquad \text{pH} = -\log(1.3 \times 10^{-3}) = 2.87.$$
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    English 한국어
    acid dissociation constant/ˈæsɪd dɪˌsəʊsɪˈeɪʃn ˈkɒnstənt/ 산 해리 상수(acid dissociation constant)
    ionic product of water/aɪˈɒnɪk ˈprɒdʌkt ɒv ˈwɔːtə/ 물의 이온곱
    strong acid/strɒŋ ˈæsɪd/ 강산
    strong alkali/strɒŋ ˈælkəlaɪ/ 강염기
    weak acid/wiːk ˈæsɪd/ 약산
    25.1

    Buffer solutions

    A buffer solution 缓冲溶液 resists a change in pH when a small amount of acid or alkali is added. You make one from a weak acid and its conjugate base (for example ethanoic acid and sodium ethanoate).

    It works because the mixture holds a store of both partners:

    • added $\text{H}^+$ is removed by the conjugate base: $\text{CH}_3\text{COO}^- + \text{H}^+ \rightarrow \text{CH}_3\text{COOH}$.
    • added $\text{OH}^-$ is removed by the weak acid: $\text{CH}_3\text{COOH} + \text{OH}^- \rightarrow \text{CH}_3\text{COO}^- + \text{H}_2\text{O}$.
    A buffer store of HA and A-, with added H+ removed by A- and added OH- removed by HA
    A buffer holds a store of a weak acid and its conjugate base: added H$^+$ is mopped up by A$^-$ and added OH$^-$ by HA, so the pH barely changes

    To find the pH, put the concentrations of the acid and its salt into the $K_a$ expression. Buffers are important in living things — for example, $\text{HCO}_3^-$ keeps the pH of blood close to $7.4$.

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    Buffers and the titration curve

    Add alkali to acid: the flat part is where a buffer resists pH change, and the steep jump is the equivalence point.

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    English 한국어
    buffer solution/ˈbʌfə səˈluːʃn/ 완충 용액(buffer solution)
    25.1

    Solubility product

    For a salt that barely dissolves, the solubility product 溶度积 ($K_{\text{sp}}$) is the product of the ion concentrations in a saturated solution, each raised to the power of its number in the formula:

    $$K_{\text{sp}} = [\text{Ag}^+][\text{Cl}^-] \qquad K_{\text{sp}} = [\text{Ca}^{2+}][\text{F}^-]^2$$

    You can find $K_{\text{sp}}$ from the solubility, or the solubility from $K_{\text{sp}}$.

    Stalactites hanging from a cave roof
    Stalactites grow as dissolved calcium carbonate slowly comes back out of solution — a real solubility equilibrium

    The common ion effect

    The common ion effect 同离子效应 is the way a salt becomes less soluble in a solution that already contains one of its ions. The extra ion pushes the dissolving equilibrium back (Le Chatelier), so less salt dissolves. You can calculate the new solubility using $K_{\text{sp}}$ and the concentration of the common ion.

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    Solubility product lab

    ionic product compared with Ksp

    Increase ion concentration and see when precipitation becomes likely.

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    English 한국어
    solubility product/ˌsɒljuːˈbɪlɪti ˈprɒdʌkt/ 용해도 곱
    common ion effect/ˈkɒmən ˈaɪɒn ɪˈfekt/ 공통 이온 효과
    25.2

    Partition coefficients

    Syllabus
    English
    1. state what is meant by the term partition coefficient, $K_{\text{pc}}$
    2. calculate and use a partition coefficient for a system in which the solute is in the same physical state in the two solvents
    3. understand the factors affecting the numerical value of a partition coefficient in terms of the polarities of the solute and the solvents used
    한국어
    1. 용어 분배 계수, $K_{\text{pc}}$의 의미를 제시한다
    2. 용질이 두 용매에서 동일한 물리적 상태인 시스템에 대해 분배 계수를 계산하고 사용한다
    3. 용질 및 사용된 용매의 극성에 대해 분배 계수의 수치적 크기에 영향을 미치는 요인을 이해한다

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

    When a solute is shaken with two solvents that do not mix, it spreads between them. The partition coefficient 分配系数 ($K_{\text{pc}}$) is the ratio of its concentrations in the two layers (at constant temperature):

    $$K_{\text{pc}} = \frac{[\text{solute in solvent 1}]}{[\text{solute in solvent 2}]}$$

    This works when the solute 溶质 is in the same physical state in both solvents. The value depends on the polarity 极性 of the solute and of each solvent 溶剂: a non-polar solute dissolves more in the non-polar solvent, while a polar solute prefers the polar solvent.

    Two immiscible solvent layers with a solute spread between them, more in the non-polar top layer than the water below
    A solute shaken with two immiscible solvents spreads between them; the partition coefficient is the ratio of its concentrations in the two layers
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    Partition coefficient lab

    Kpc = concentration organic / concentration aqueous

    Change organic-layer concentration and see the partition ratio.

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    English 한국어
    partition coefficient/pɑːˈtɪʃn ˌkəʊɪˈfɪʃənt/ 분배 계수
    solute/ˈsɒljuːt/ 용질
    polarity/pəʊˈlærɪti/ 극성
    solvent/ˈsɒlvənt/ 용매
    25.2

    Exam tips

    • $\text{pH} = -\log[\text{H}^+]$; for a strong acid $[\text{H}^+]$ = concentration, for a weak acid use $[\text{H}^+] = \sqrt{K_a[\text{HA}]}$.
    • For a base, get $[\text{H}^+]$ from $K_w = [\text{H}^+][\text{OH}^-] = 1.0 \times 10^{-14}$.
    • For a buffer use $[\text{H}^+] = K_a \times [\text{acid}]/[\text{salt}]$ and explain how it removes added $\text{H}^+$/$\text{OH}^-$.
    • Write the $K_{sp}$ expression with the correct powers; the number of decimal places in a pH equals the significant figures of $[\text{H}^+]$.
  • 26

    Reaction kinetics

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    26.1

    Rate equations and orders

    Syllabus
    1. explain and use the terms rate equation, order of reaction, overall order of reaction, rate constant, half-life, rate-determining step and intermediate
    2. (a) understand and use rate equations of the form $\text{rate} = k [\text{A}]^m[\text{B}]^n$ (for which $m$ and $n$ are 0, 1 or 2) (b) deduce the order of a reaction from concentration–time graphs or from experimental data relating to the initial rates method and half-life method (c) interpret experimental data in graphical form, including concentration–time and rate–concentration graphs (d) calculate an initial rate using concentration data (e) construct a rate equation
    3. (a) show understanding that the half-life of a first-order reaction is independent of concentration (b) use the half-life of a first-order reaction in calculations
    4. calculate the numerical value of a rate constant, for example by: (a) using the initial rates and the rate equation (b) using the half-life, $t_{\frac{1}{2}}$, and the equation $k = 0.693/t_{\frac{1}{2}}$
    5. for a multi-step reaction: (a) suggest a reaction mechanism that is consistent with the rate equation and the equation for the overall reaction (b) predict the order that would result from a given reaction mechanism and rate-determining step (c) deduce a rate equation using a given reaction mechanism and rate-determining step for a given reaction (d) identify an intermediate or catalyst from a given reaction mechanism (e) identify the rate determining step from a rate equation and a given reaction mechanism
    6. describe qualitatively the effect of temperature change on the rate constant and hence the rate of a reaction

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

    A rate equation 速率方程 shows how the rate depends on the concentrations of the reactants:

    $$\text{rate} = k\,[\text{A}]^m[\text{B}]^n$$
    • $m$ is the order of reaction 反应级数 with respect to A, and $n$ the order with respect to B. Each is $0$, $1$ or $2$.
    • the overall order of reaction 总反应级数 is $m + n$.
    • $k$ is the rate constant 速率常数. The rate equation can only be found by experiment, not from the balanced equation.
    A glass gas syringe
    A gas syringe measures the volume of gas made over time, which gives the rate of reaction

    Finding the order

    • initial rates method: change one concentration at a time and see how the starting rate changes. If doubling $[\text{A}]$ doubles the rate, the order in A is 1; if it quadruples the rate, the order is 2; if the rate is unchanged, the order is 0.

    Worked example. In experiments on $\text{A} + \text{B} \rightarrow$ products, doubling $[\text{A}]$ (with $[\text{B}]$ fixed) doubles the rate, and doubling $[\text{B}]$ (with $[\text{A}]$ fixed) quadruples the rate. Write the rate equation and give the overall order.

    Doubling $[\text{A}]$ doubles the rate, so first order in A. Doubling $[\text{B}]$ quadruples ($2^2$) the rate, so second order in B. Hence

    $$\text{rate} = k[\text{A}][\text{B}]^2, \qquad \text{overall order} = 1 + 2 = 3.$$
    • graphs: a concentration–time graph for a first-order reaction has a constant half-life 半衰期 (the time for the concentration to halve). A rate–concentration graph is a straight line through the origin for first order, and a curve for second order.
    Three rate-against-concentration lines: a flat line for zero order, a straight line through the origin for first order, and an upward curve for second order
    Rate against concentration: zero order is a flat line, first order a straight line through the origin, second order an upward curve

    Half-life and the rate constant

    For a first-order reaction the half-life is constant — it does not depend on the concentration. You can find the rate constant from it:

    $$k = \frac{0.693}{t_{\frac{1}{2}}}$$
    A concentration-time decay curve with three equal half-life intervals marked, the concentration halving each time
    A first-order reaction has a constant half-life: the concentration halves in the same time $t_{1/2}$ again and again, whatever the starting value

    Worked example. A first-order reaction has a half-life of $120\ \text{s}$. Find its rate constant.

    $$k = \frac{0.693}{t_{1/2}} = \frac{0.693}{120} = 5.8 \times 10^{-3}\ \text{s}^{-1}.$$

    You can also find $k$ by putting initial-rate data into the rate equation.

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    Rate equations & orders · ⁨속도 방정식 & 반응 차수⁩

    [A] = [A]₀·bᵗ

    A first-order reaction decays exponentially — equal half-lives. · ⁨일차 반응은 지수함수적으로 감소하며 — 동일한 반감기를 가집니다.⁩

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    English 한국어
    rate equation/reɪt ɪˈkweɪʒn/ 속도 방정식
    order of reaction/ˈɔːdə ɒv rɪˈækʃn/ 반응 차수
    overall order of reaction/ˌəʊvəˈrɔːl ˈɔːdə ɒv rɪˈækʃn/ 전체 반응 차수
    rate constant/reɪt ˈkɒnstənt/ 속도 상수
    half-life/hɑːf laɪf/ 반감기
    26.1

    Reaction mechanisms

    Most reactions happen in several steps. The slowest step is the rate-determining step 决速步骤, and it controls the overall rate. Only the species involved up to and including this step appear in the rate equation.

    A reaction energy profile with two humps: a tall first barrier marked as the slow rate-determining step, a dip for the intermediate, then a smaller second barrier
    A two-step profile: the slower step has the bigger barrier and is rate-determining; the dip between the two barriers is an intermediate
    • an intermediate 中间体 is a species made in one step and then used up in a later step. It is not in the overall equation.
    • you can suggest a mechanism that fits both the rate equation and the overall equation, predict the order from a given mechanism, or pick out the rate-determining step.

    If you compare the initial rate 初始速率 of different mixtures, you can deduce the rate equation, and from that work out the mechanism.

    Effect of temperature

    Raising the temperature increases the rate constant $k$ (more molecules pass the activation energy), so the rate goes up.

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    Organic mechanism route · ⁨유기 반응 경로⁩

    Trace electron-pair movement from reagent to product. · ⁨시약에서 생성물까지 전자쌍의 이동 경로를 표시한다.⁩

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    English 한국어
    rate-determining step/reɪt dɪˈtɜːmɪnɪŋ step/ 속도 결정 단계
    intermediate/ˌɪntəˈmiːdɪət/ 중간생성물
    initial rate/ɪˈnɪʃl reɪt/ 초기 속도
    26.2

    Catalysts

    Syllabus
    English
    1. explain that catalysts can be homogeneous or heterogeneous
    2. describe the mode of action of a heterogeneous catalyst to include adsorption of reactants, bond weakening and desorption of products, for example: (a) iron in the Haber process (b) palladium, platinum and rhodium in the catalytic removal of oxides of nitrogen from the exhaust gases of car engines
    3. describe the mode of action of a homogeneous catalyst by being used in one step and reformed in a later step, for example: (a) atmospheric oxides of nitrogen in the oxidation of atmospheric sulfur dioxide (b) $\text{Fe}^{2+}$ or $\text{Fe}^{3+}$ in the $\text{I}^- / \text{S}_2\text{O}_8^{2-}$ reaction
    한국어
    1. 촉매는 균일 또는 이질일 수 있음을 설명한다
    2. 이질 촉매의 작용 방식을 서술하며, 반응물의 흡착, 결합 약화 및 생성물의 탈착을 포함한다. 예시: (a) Haber 공정에서의 철 (b) 자동차 엔진 배기가스에서 질소 산化物를 제거하기 위한 팔라듐, 백금 및 로뎀
    3. 균일 촉매의 작용 방식을 서술하며, 한 단계에서 사용되어 후속 단계에서 다시 형성됨을 포함한다. 예시: (a) 대기 중 산화 황(IV)의 산화 과정에서 발생하는 대기 질소 산化物 (b) $\text{Fe}^{2+}$ 또는 $\text{Fe}^{3+}$이参与的하는 $\text{I}^- / \text{S}_2\text{O}_8^{2-}$ 반응

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

    Catalysts 催化剂 can be homogeneous or heterogeneous.

    Heterogeneous catalysts

    A heterogeneous catalyst 多相催化剂 is in a different physical state from the reactants (usually a solid with gases). It works in three stages:

    1. adsorption 吸附: reactant molecules stick to the catalyst surface.
    2. the bonds in the reactants are weakened, so they react more easily.
    3. desorption 脱附: the product molecules leave the surface.
    Three stages on a catalyst surface: two reactant atoms adsorbing onto it, reacting with weakened bonds, then the product desorbing
    A heterogeneous catalyst works in three stages: the reactants adsorb onto the surface, their weakened bonds let them react, then the product desorbs
    A tray holding many small ceramic catalyst pieces in different shapes: solid cylinders, rings, ribbed rods and discs with holes
    Real heterogeneous catalysts are made as small shaped pellets, rings and perforated discs, which give a large surface area for the reactants to stick to

    Examples are iron in the Haber process, and platinum, palladium and rhodium in a catalytic converter.

    Homogeneous catalysts

    A homogeneous catalyst 均相催化剂 is in the same physical state as the reactants. It is used up in one step and then reformed in a later step, so it comes back unchanged. Examples are oxides of nitrogen helping to oxidise atmospheric sulfur dioxide, and $\text{Fe}^{2+}$ or $\text{Fe}^{3+}$ speeding up the reaction between $\text{I}^-$ and $\text{S}_2\text{O}_8^{2-}$.

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    How a catalyst speeds a reaction · ⁨촉매가 반응을 가속시키는 원리⁩

    Turn the catalyst on and watch the rate jump — it gives more successful collisions per second by offering a lower-energy path. · ⁨촉매를 켜면 속도가 급격히 증가합니다. 더 낮은 에너지 경로를 제공하여 초당 유효 충돌 횟수를 늘려주기 때문입니다.⁩

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    English 한국어
    catalyst/ˈkætəlɪst/ 촉매
    heterogeneous catalyst/ˌhetrəˈdʒiːnɪəs ˈkætəlɪst/ 이종 촉매(heterogeneous catalyst)
    adsorption/ədˈsɔːpʃn/ 흡착
    desorption/dɪˈsɔːpʃn/ 탈착
    homogeneous catalyst/həˈməʊdʒnɪəs ˈkætəlɪst/ 동종 촉매(homogeneous catalyst)
    26.2

    Exam tips

    • Find orders from initial-rate data: doubling a concentration that doubles the rate is first order, quadruples it is second order, no change is zero order.
    • Write $\text{rate} = k[\text{A}]^m[\text{B}]^n$ and work out the units of $k$ from it.
    • The rate-determining step contains the species (and orders) in the rate equation — use this to test a mechanism.
    • A constant half-life means first order.
  • 27

    Group 2

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    27.1

    Thermal stability of the nitrates and carbonates · ⁨질산염 및 탄산염의 열안정성⁩

    Syllabus
    English
    1. describe and explain qualitatively the trend in the thermal stability of the nitrates and carbonates including the effect of ionic radius on the polarisation of the large anion
    2. describe and explain qualitatively the variation in solubility and of enthalpy change of solution, $\Delta H^{\ominus}_{\text{sol}}$, of the hydroxides and sulfates in terms of relative magnitudes of the enthalpy change of hydration and the lattice energy
    한국어
    1. 열안정성의 질산염 및 탄산염에 대한 경향을 정성적으로 서술하고 설명하며, 큰 음이온의 극화에 미치는 이온 반경의 영향을 포함한다
    2. 수화 엔탈피 변화와 격자 에너지의 상대적 크기에 근거하여 수산화물 및 황산염의 용해도 및 용해 엔탈피 변화, $\Delta H^{\ominus}_{\text{sol}}$,의 변동을 정성적으로 서술하고 설명한다

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

    English

    The thermal stability 热稳定性 of the Group 2 nitrates 硝酸盐 and carbonates 碳酸盐 increases down the group. Here is the reason, in terms of how the ions affect each other.

    A small cation 阳离子 with a small ionic radius 离子半径 has a high charge density. It pulls on the electrons of the nearby anion and distorts its shape — this is polarisation 极化. Distorting the large anion 阴离子 (the carbonate or nitrate ion) weakens a bond inside it, so the compound breaks down more easily.

    Going down the group, the cation gets larger. Its charge density drops, so it polarises the anion less. The anion is less distorted, so the compound is harder to break down — it is more thermally stable and needs a higher temperature to decompose.

    Worked example. Down Group 2 the hydroxides become more soluble while the sulfates become less soluble. Explain why the two trends run in opposite directions. Solubility is a contest between the lattice energy holding the solid together and the hydration energy rewarding the ions for dissolving. Both get less exothermic as the cation grows, so whichever falls faster decides the trend. With the small hydroxide ion, the lattice energy depends strongly on the cation's size, so it falls faster than the hydration energy: the lattice gets relatively easier to break and solubility rises. With the large sulfate ion, the lattice energy is already dominated by that big anion and barely changes down the group, while the cation's hydration energy still falls - so solubility falls. Name both energies and say which one falls faster; simply restating the trends earns no explanation marks.

    한국어

    2족 원소의 질산염 및 탄산염의 열안정성은 그룹 아래로 갈수록 증가합니다. 여기에는 이온끼리의 상호작용 방식에 따른 이유가 있습니다.

    석회 공장의 회전로(로터리 킬n)
    킬n에서 석회석(탄산칼슘)을 가열하면 산화칼슘으로 분해되는데, 이는 열분해입니다

    작은 양이온은 작은 이온 반경으로 인해 높은 전하 밀도를 가집니다. 인접한 음이온의 전자들을 끌어당겨 그 형태를 왜곡시킵니다—이를 극성화라고 합니다. 큰 음이온(탄산 이온 또는 질산 이온)을 왜곡하면 이온 내부의 결합이 약해져 화합물이 더 쉽게 분해됩니다.

    족 아래로 내려갈수록 양이온의 크기가 커집니다. 따라서 전하 밀도는 감소하여 음이온을 더 적게 극성화하지 못합니다. 음이온의 왜곡이 덜发生在因此化合物更难分解——热稳定性更强,需要更高的温度才能分解。

    두 가지 시나리오: 작은 마그네슘 양이온이 탄산 음이온의 전자 구름을 눈물방울 모양으로 강하게 왜곡하는 반면, 큰 바륨 양이온은 거의 왜곡하지 않음
    작은 양이온은 높은 전하 밀도를 가지므로 큰 음이온을 더 심하게 왜곡(극성화)시켜 결합을 약화하고, 결과적으로 화합물의 안정성이 낮아집니다

    해설 예제. 2족에서 아래로 내려갈수록 수산화물은 용해도가 높아지지만, 황산염은 용해도가 낮아집니다. 두 경향이 반대인 이유를 설명하십시오. 용해도는 고체를 묶어 두는 격자 에너지와 이온이 용해됨에 대한 보상을 주는 수화 에너지 사이의 경쟁입니다. 양이온이 커질수록 두 에너지 모두 발열적 변화가 작아지므로, 더 빠르게 감소하는 것이 경향을 결정합니다. 작은 수산화물 이온의 경우 격자 에너지가 양이온의 크기에 강하게 의존하므로 수화 에너지보다 더 빠르게 감소합니다: 격자가 상대적으로 깨지기 쉬워지고 용해도가 상승합니다. 큰 황산염 이온의 경우 격자 에너지는 이미 큰 음이온에 의해 지배되어 족 아래로 거의 변하지 않지만, 양이온의 수화 에너지는 여전히 감소하므로 용해도가 하락합니다. 두 가지 에너지를 명시하고哪一个更快下降; 단순히 경향만 반복해서는 해설 점수를 받을 수 없습니다.

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    Group 2 thermal stability ladder · ⁨2족 열안정성 계단⁩

    Move down Group 2 and see why carbonates become harder to decompose. · ⁨2족을 내려갈 때 탄산염이 분해되기 어려운 이유를 확인하십시오.⁩

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    Group 2 solubility lab · ⁨2족 용해도 실험실⁩

    Classify Group 2 compounds by solubility trend. · ⁨2족 화합물을 용해도 경향에 따라 분류하십시오.⁩

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    English 한국어
    thermal stability/ˈθɜːml stəˈbɪlɪti/ 열안정성
    nitrate/ˈnaɪtreɪt/ 질산
    carbonate/ˈkɑːbəneɪt/ 탄산염
    cation/ˈkætaɪən/ 양이온
    ionic radius/aɪˈɒnɪk ˈreɪdɪəs/ 이온 반경
    polarisation/ˌpəʊləraɪˈzeɪʃn/ 극화
    anion/ˈænaɪən/ 음이온
    enthalpy change of solution/enˈθælpi tʃeɪndʒ ɒv səˈluːʃn/ 용해 엔탈피 변화
    lattice energy/ˈlætɪs ˈenədʒi/ 결정 격자 에너지(lattice energy)
    enthalpy change of hydration/enˈθælpi tʃeɪndʒ ɒv haɪˈdreɪʃn/ 수화 엔탈피 변화
    27.1

    Solubility of the hydroxides and sulfates · ⁨수산화물과 황산염의 용해도⁩

    English

    When an ionic solid dissolves, two energy changes compete. The enthalpy change of solution 溶解焓变 is the sum of them:

    $$\Delta H^{\ominus}_{\text{sol}} = -\Delta H_{\text{latt}} + \Delta H_{\text{hyd}}$$
    • you must first pull the lattice apart (this needs the lattice energy 晶格能).
    • then water surrounds the ions (this releases the enthalpy change of hydration 水合焓变).

    If the energy released on hydration roughly matches (or beats) the energy needed to break the lattice, the solid dissolves easily.

    Going down the group, both the lattice energy and the hydration enthalpy get smaller (less negative), because the cation is larger. But they shrink at different rates, and this explains the opposite trends:

    Compound Trend in solubility 溶解度 down the group Why
    hydroxides 氢氧化物 increases the $\text{OH}^-$ ion is small, so the lattice energy falls a lot down the group; this change outweighs the fall in hydration energy
    sulfates 硫酸盐 decreases the $\text{SO}_4^{2-}$ ion is large, so the lattice energy stays almost the same; the fall in hydration energy then dominates, so dissolving becomes less favourable
    한국어

    이온 고체가 용해될 때 두 가지 에너지 변화가 경쟁합니다. 용해 엔탈피 변화는 이 두 값의 합입니다:

    2족에서 아래로 내려갈수록 수산화물은 더 잘 녹지만 황산염은 덜 녹음
    Group 2를 따라 내려갈수록 수산화물은 더 잘 녹지만 황산염은 덜 녹음
    $$\Delta H^{\ominus}_{\text{sol}} = -\Delta H_{\text{latt}} + \Delta H_{\text{hyd}}$$
    • 먼저 격자를 분리해야 합니다(이에 격자 에너지가 필요합니다).
    • 그 다음 물이 이온 주변을 감쌉니다(이에 수화 엔탈피 변화가 방출됩니다).

    수화 과정에서 방출되는 에너지가 격자를 깨는 데 필요한 에너지와 대략 일치하거나(또는 초과할 경우), 고체는 쉽게 용해됩니다.

    연한 파란색 젤리 모양의 구리(II) 수산화물 침전물
    수용도 불규칙한 금속 수산화물은 격자 에너지가 수화로 상쇄하기에는 너무 클 때 젤리 모양의 침전물로 형성됩니다

    족 아래로 내려갈수록 격자 에너지와 수화 엔탈피 모두 작아집니다(부정적 값이 줄어듭니다). 이는 양이온의 크기 때문이며, 두 에너지가 서로 다른 속도로 감소하므로 반대 경향을 설명합니다:

    수산화물과 황산염을 비교하는 두 상자: 수산화물은 격자 에너지가 크게 감소하지만 황산염은 일정하여 용해도 경향이 반대임
    경향이 반대인 이유: 작은 OH$^-$의 격자 에너지는 족 아래로 크게 감소하여 수산화물이 더 잘 녹지만, 큰 SO$_4^{2-}$의 격자 에너지는 거의 변하지 않아 황산염은 덜 녹음
    화합물 족 아래 용해도의 경향 이유
    수산화물 증가 $\text{OH}^-$ 이온이 작으므로 격자 에너지가 족 아래로 크게 감소하며, 이 변화가 수화 에너지의 감소보다 큼
    황산염 감소 $\text{SO}_4^{2-}$ 이온이 크므로 격자 에너지가 거의 그대로 유지되며, 이후 수화 에너지의 감소가 지배적이 되어 용해가 덜 유리해짐
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    English 한국어
    solubility/ˌsɒljuːˈbɪlɪti/ 용해도
    hydroxide/haɪˈdrɒksaɪd/ 수산화
    sulfate/ˈsʌlfeɪt/ 황산염
    27.1

    Exam tips · ⁨시험 팁⁩

    English
    • Thermal stability of carbonates and nitrates increases down the group — larger cations polarise the anion less.
    • Give the decomposition products: carbonates → oxide + $\text{CO}_2$; nitrates → oxide + $\text{NO}_2$ + $\text{O}_2$ (brown gas).
    • Hydroxides get more soluble and sulfates less soluble down the group.
    • Explain trends with cation charge density (polarising power), not just size.
    한국어
    • 탄산염 및 질산염의 열 안정성은 족 아래로 증가한다—큰 양이온은 음이온을 덜 극성화함.
    • 분해 생성물 제시: 탄산염 → 산化物 + $\text{CO}_2$; 질산염 → 산化物 + $\text{NO}_2$ + $\text{O}_2$ (갈색 기체).
    • 수산화물은 더 잘 녹고, 황산염은 덜 녹음 (족 아래로).
    • 단순한 크기뿐만 아니라 **양이온의 전하 밀도(극성화력)**를 사용하여 경향을 설명하십시오.
  • 28

    Chemistry of transition elements

    Watch lesson · ⁨수업 보기⁩
    28.1

    Transition elements

    Syllabus
    English
    1. define a transition element as a d-block element which forms one or more stable ions with incomplete d orbitals
    2. sketch the shape of a $3\text{d}_{xy}$ orbital and $3\text{d}_{z^2}$ orbital
    3. understand that transition elements have the following properties: (a) they have variable oxidation states (b) they behave as catalysts (c) they form complex ions (d) they form coloured compounds
    4. explain why transition elements have variable oxidation states in terms of the similarity in energy of the 3d and the 4s sub-shells
    5. explain why transition elements behave as catalysts in terms of having more than one stable oxidation state, and vacant d orbitals that are energetically accessible and can form dative bonds with ligands
    6. explain why transition elements form complex ions in terms of vacant d orbitals that are energetically accessible
    한국어
    1. 전이 원소를 불완전한 d 궤도함수를 가지는 하나 이상의 안정적인 이온을 생성하는 d-블록 원소로 정의한다
    2. $3\text{d}_{xy}$ 궤도함수와 $3\text{d}_{z^2}$ 궤도함수의 형태를 스케치한다
    3. 전이 원소가 다음 성질을 가짐을 이해한다: (a) 변동 산화수를 가진다 (b) 촉매 역할을 한다 (c) 복합 이온을 형성한다 (d) 유색 화합물을 형성한다
    4. 3d 및 4s 아부껍질의 에너지 유사성에 근거하여 전이 원소가 변동 산화수를 가지는 이유를 설명한다
    5. 전이 원소가 여러 가지 안정적인 산화수를 가지고 있으며, 에너지를 얻어 접근 가능한 비어 있는 d 궤도함수가 리간드와 배위 결합을 형성할 수 있음에 근거하여 전이 원소가 촉매 역할을 하는 이유를 설명한다
    6. 전이 원소가 에너지를 얻어 접근 가능한 비어 있는 d 궤도함수에 근거하여 복합 이온을 형성하는 이유를 설명한다

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

    A transition element 过渡元素 is a d-block element that forms one or more stable ions with incomplete d orbitals. (Scandium and zinc are in the d-block but are not transition elements, because their stable ions have empty or full d orbitals.)

    The 3d orbitals 轨道 have set shapes: the $3\text{d}_{xy}$ orbital has four lobes pointing between the axes, and the $3\text{d}_{z^2}$ orbital has two lobes along the $z$-axis with a ring around the middle.

    Four key properties (and why)

    Property Reason
    variable oxidation state 氧化态 the 3d and 4s sub-shells are close in energy, so similar small amounts of energy remove different numbers of electrons
    act as a catalyst 催化剂 they have more than one stable oxidation state, and vacant d orbitals that can form dative bonds
    form complex ions vacant d orbitals can accept lone pairs
    form coloured compounds electrons move between split d orbitals (see below)
    Four properties: variable oxidation states, acting as catalysts, forming complex ions, and coloured compounds
    The four key properties of the transition elements
    A red ruby crystal
    A ruby is red because of transition-metal (chromium) ions held in its crystal lattice
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    Transition element property lab

    Sort transition-metal evidence by the property it shows.

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    English 한국어
    transition element/trænˈsɪʃn ˈelɪmənt/ 전이 원소
    orbital/ˈɔːbɪtl/ 오비탈
    oxidation state/ˌɒksɪˈdeɪʃn steɪt/ 산화수
    catalyst/ˈkætəlɪst/ 촉매
    28.2

    Ligands and complexes

    Syllabus
    English
    1. describe and explain the reactions of transition elements with ligands to form complexes, including the complexes of copper(II) and cobalt(II) ions with water and ammonia molecules and hydroxide and chloride ions
    2. define the term ligand as a species that contains a lone pair of electrons that forms a dative covalent bond to a central metal atom/ion
    3. understand and use the terms: (a) monodentate ligand including as examples $\text{H}_2\text{O}$, $\text{NH}_3$, $\text{Cl}^-$ and $\text{CN}^-$ (b) bidentate ligand including as examples 1,2-diaminoethane, en, $\text{H}_2\text{NCH}_2\text{CH}_2\text{NH}_2$ and the ethanedioate ion, $\text{C}_2\text{O}_4^{2-}$ (c) polydentate ligand including as an example $\text{EDTA}^{4-}$
    4. define the term complex as a molecule or ion formed by a central metal atom/ion surrounded by one or more ligands
    5. describe the geometry (shape and bond angles) of transition element complexes which are linear, square planar, tetrahedral or octahedral
    6. (a) state what is meant by coordination number (b) predict the formula and charge of a complex ion, given the metal ion, its charge or oxidation state, the ligand and its coordination number or geometry
    7. explain qualitatively that ligand exchange can occur, including the complexes of copper(II) ions and cobalt(II) ions with water and ammonia molecules and hydroxide and chloride ions
    8. predict, using $E^\ominus$ values, the feasibility of redox reactions involving transition elements and their ions
    9. describe the reactions of, and perform calculations involving: (a) $\text{MnO}_4^- / \text{C}_2\text{O}_4^{2-}$ in acid solution given suitable data (b) $\text{MnO}_4^- / \text{Fe}^{2+}$ in acid solution given suitable data (c) $\text{Cu}^{2+} / \text{I}^-$ given suitable data
    10. perform calculations involving other redox systems given suitable data
    한국어
    1. 전이 원소가 리간드와 반응하여 복합체를 형성하는 과정을 서술하고 설명하며, 구리(II) 및 코발트(II) 이온이 물 및 암모니아 분자, 수산화물 및 염화물 이온과 형성하는 복합체를 포함한다
    2. 리간드를 중심 금속 원자/이온에 배위 공유 결합을 형성하는 비결합 전자쌍을 포함하는 종으로 정의한다.
    3. 다음 용어를 이해하고 활용한다: (a) 단좌 리간드: 예로 $\text{H}_2\text{O}$, $\text{NH}_3$, $\text{Cl}^-$ 및 $\text{CN}^-$ 포함 (b) 이좌 리간드: 예로 1,2-디아미노에탄, en, $\text{H}_2\text{NCH}_2\text{CH}_2\text{NH}_2$ 및 옥살레이트 이온, $\text{C}_2\text{O}_4^{2-}$ 포함 (c) 다좌 리간드: 예로 $\text{EDTA}^{4-}$ 포함
    4. 복합체라는 용어를 중심 금속 원자/이온이 하나 이상의 리간드에 둘러싸여 형성된 분자 또는 이온으로 정의한다
    5. 전이 원소 복합체의 기하학 구조(형태 및 결합각)인 직선형, 사면 평면형, 사면체형 또는 팔면체형을 서술한다
    6. (a) 배数位의 의미를 서술한다 (b) 금속 이온, 그 전하 또는 산화수, 리간드 및 배数位 또는 기하학을 주었을 때 복합 이온의 식과 전하를 예측한다
    7. 리간드 치환이 발생할 수 있음을 정성적으로 설명하며, 구리(II) 이온 및 코발트(II) 이온이 물 및 암모니아 분자, 수산화물 및 염화물 이온과 형성하는 복합체를 포함한다
    8. $E^\ominus$ 값을 사용하여 전이 원소 및 그 이온이 관여하는 산화환원 반응의 타당성을 예측한다
    9. 다음에 대한 반응과 계산을 수행한다: (a) 적절한 데이터를 주었을 때 산성 용액 내의 $\text{MnO}_4^- / \text{C}_2\text{O}_4^{2-}$ (b) 적절한 데이터를 주었을 때 산성 용액 내의 $\text{MnO}_4^- / \text{Fe}^{2+}$ (c) 적절한 데이터를 주었을 때 $\text{Cu}^{2+} / \text{I}^-$
    10. 적절한 데이터를 주었을 때 다른 산화환원 시스템에 대한 계산을 수행한다

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

    A transition metal ion can be surrounded by complex ions 配离子. The species attached are ligands.

    A ligand 配体 is a species with a lone pair of electrons that forms a dative covalent bond 配位键 to the central metal ion. (The lone pair 孤对电子 is what it donates.) Ligands are grouped by how many such bonds they can form:

    • monodentate 单齿: one bond ($\text{H}_2\text{O}$, $\text{NH}_3$, $\text{Cl}^-$, $\text{CN}^-$).
    • bidentate 双齿: two bonds (1,2-diaminoethane "en", and the ethanedioate ion $\text{C}_2\text{O}_4^{2-}$).
    • polydentate 多齿: many bonds ($\text{EDTA}^{4-}$, which uses six).
    A metal ion with a monodentate ligand making one bond, a bidentate ligand making two bonds, and a polydentate ligand making six
    Ligands are grouped by how many dative bonds they form: monodentate (one), bidentate (two) or polydentate (many, like EDTA's six)

    A complex 配合物 is a central metal atom or ion surrounded by one or more ligands. Its shape can be linear 直线形, square planar 平面正方形, tetrahedral 四面体形 or octahedral 八面体形.

    The coordination number 配位数 is the number of dative bonds from the ligands to the central ion (6 → octahedral, 4 → tetrahedral or square planar, 2 → linear). To predict the charge of a complex, add the metal's charge and all the ligand charges.

    Four complexes: a linear two-ligand, a tetrahedral and a square planar four-ligand, and an octahedral six-ligand, each labelled with its coordination number
    Complex shapes follow the coordination number: 2 is linear, 4 is tetrahedral or square planar, 6 is octahedral

    Ligand exchange

    In ligand exchange 配体交换 one ligand replaces another, often with a colour change. For copper(II):

    $$[\text{Cu}(\text{H}_2\text{O})_6]^{2+} \;(\text{pale blue}) \;\xrightarrow{\text{NH}_3}\; [\text{Cu}(\text{NH}_3)_4(\text{H}_2\text{O})_2]^{2+} \;(\text{deep blue})$$

    With concentrated $\text{HCl}$ it becomes yellow $[\text{CuCl}_4]^{2-}$; cobalt(II) behaves in a similar way.

    Three coloured boxes for copper(II): pale blue with water, deep blue after adding ammonia, yellow after adding concentrated HCl
    Ligand exchange changes the colour of copper(II): pale blue with water, deep blue with ammonia, yellow with concentrated HCl

    Redox reactions of transition ions

    Use $E^{\ominus}$ values to predict whether a redox reaction is feasible. Common titrations you should be able to calculate include $\text{MnO}_4^-/\text{C}_2\text{O}_4^{2-}$ and $\text{MnO}_4^-/\text{Fe}^{2+}$ in acid (purple to colourless), and $\text{Cu}^{2+}/\text{I}^-$ (which makes iodine, then titrated with thiosulfate).

    Worked example. In acid, $\text{MnO}_4^-$ reacts with $\text{Fe}^{2+}$ in the ratio $1:5$ (see the balanced equation above). A $25.0\ \text{cm}^3$ sample of $\text{Fe}^{2+}$ solution needs $22.0\ \text{cm}^3$ of $0.0200\ \text{mol dm}^{-3}$ $\text{KMnO}_4$ to reach the end point. Find the concentration of the $\text{Fe}^{2+}$.

    Moles of $\text{MnO}_4^-$ used $= 0.0200 \times \dfrac{22.0}{1000} = 4.40 \times 10^{-4}\ \text{mol}$. Each mole of $\text{MnO}_4^-$ reacts with $5$ moles of $\text{Fe}^{2+}$, so moles of $\text{Fe}^{2+} = 5 \times 4.40 \times 10^{-4} = 2.20 \times 10^{-3}\ \text{mol}$. This was in $25.0\ \text{cm}^3$, so

    $$[\text{Fe}^{2+}] = \frac{2.20 \times 10^{-3}}{25.0/1000} = 0.0880\ \text{mol dm}^{-3}.$$
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    Ligand and complex lab

    Identify the part of a complex ion that controls its structure.

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    Ligand exchange route

    Follow one ligand replacing another around a metal ion.

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    English 한국어
    complex ion/ˈkɒmpleks ˈaɪɒn/ 복합 이온
    ligand/ˈlɪɡænd/ 리간드
    dative covalent bond/ˈdætɪv ˈkəʊvələnt bɒnd/ 배위 공유 결합
    lone pair/ləʊn peə/ 비공유 전자쌍
    monodentate/ˈmɒnəʊdenteɪt/ 단일 치타이트
    bidentate/baɪˈdenteɪt/ 이중 치타이트
    polydentate/ˌpɒlɪˈdenteɪt/ 다발성
    complex/ˈkɒmpleks/ 복잡한
    linear/ˈlɪnɪə/ 선형임
    square planar/skweə ˈpleɪnə/ 평방 평면형
    tetrahedral/ˌtetrəˈhiːdrəl/ 사면체
    octahedral/ˌɒktəˈhiːdrəl/ 팔면체
    coordination number/kəʊˈɔːdɪneɪʃn ˈnʌmbə/ 배위수
    ligand exchange/ˈlɪɡænd eksˈtʃeɪndʒ/ 리간드 교환
    28.3

    Why complexes are coloured

    Syllabus
    English
    1. define and use the terms degenerate and non-degenerate d orbitals
    2. describe the splitting of degenerate d orbitals into two non-degenerate sets of d orbitals of higher energy, and use of $\Delta E$ in: (a) octahedral complexes, two higher and three lower d orbitals (b) tetrahedral complexes, three higher and two lower d orbitals
    3. explain why transition elements form coloured compounds in terms of the frequency of light absorbed as an electron is promoted between two non-degenerate d orbitals
    4. describe, in qualitative terms, the effects of different ligands on $\Delta E$, frequency of light absorbed, and hence the complementary colour that is observed
    5. use the complexes of copper(II) ions and cobalt(II) ions with water and ammonia molecules and hydroxide and chloride ions as examples of ligand exchange affecting the colour observed
    한국어
    1. 등가 및 비등가 d 궤도함수라는 용어의 의미와 사용을 정의한다
    2. 비간섭성 d 궤도함수가 두 가지 간섭이 없는 d 궤도함스 집합으로 쪼개지는 현상을 서술하고, $\Delta E$을 (a) 팔면체 복합체(높은 에너지 2개, 낮은 에너지 3개 d 궤도함수), (b) 사면체 복합체(높은 에너지 3개, 낮은 에너지 2개 d 궤도함수)에서 사용하는 법을 서술하십시오.
    3. 전이 원자가 비등가 d 궤도함수 사이에서 전자가遷移될 때 흡수되는 빛의 진동수에 근거하여 전이 원자가 유색 화합물을 형성하는 이유를 설명한다
    4. 다양한 리간드가 $\Delta E$, 흡수되는 빛의 진동수, 그리고 결과적으로 관찰되는 보충 색상에 미치는 영향을 정성적으로 서술한다
    5. 리간드 교환이 관찰되는 색상에 미치는 영향을 예로 들어, 물 분자 및 암모니아 분자와의 복합체와 하이드록시드 이온 및 염화물 이온과의 구리(II) 이온 및 코발트(II) 이온 복합체를 사용한다.

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

    In a free ion the five d orbitals are degenerate 简并 — they have the same energy. When ligands come close, they split the d orbitals into two non-degenerate 非简并 sets, separated by an energy gap $\Delta E$:

    • octahedral: three lower and two higher orbitals.
    • tetrahedral: two lower and three higher orbitals.

    A complex absorbs light whose frequency matches $\Delta E$, promoting an electron from a lower to a higher d orbital. The colour you see is the complementary colour 互补色 of the light absorbed. Different ligands give a different $\Delta E$, so they change the frequency absorbed and hence the colour — which is why ligand exchange changes the colour.

    The five equal d orbitals of a free ion splitting into a lower and a higher set, separated by an energy gap, for octahedral and tetrahedral complexes
    Ligands split the five d orbitals into two sets separated by a gap $\Delta E$; the complex absorbs light of that energy, so we see the complementary colour
    Six beakers of transition-metal solutions in a row, each a strong different colour: red, orange, yellow, green, blue and violet
    Different metals and oxidation states give different colours: cobalt(II) (red), dichromate (orange), chromate (yellow), nickel(II) (green), copper(II) (blue) and permanganate (violet)
    Explore · ⁨탐색하기⁩

    Complex colour route

    Follow light absorption from d-orbital splitting to observed colour.

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    English 한국어
    degenerate/dɪˈdʒenəreɪt/ 중첩성(복수성)
    non-degenerate/nɒn dɪˈdʒenəreɪt/ 비 등가
    complementary colour/ˌkɒmplɪˈmentəri ˈkʌlə/ 보완색
    28.4

    Stereoisomerism in complexes

    Syllabus
    English
    1. describe the types of stereoisomerism shown by complexes, including those associated with bidentate ligands: (a) geometrical (cis/trans) isomerism, e.g. square planar such as $[\text{Pt}(\text{NH}_3)_2\text{Cl}_2]$ and octahedral such as $[\text{Co}(\text{NH}_3)_4(\text{H}_2\text{O})_2]^{2+}$ and $[\text{Ni}(\text{H}_2\text{NCH}_2\text{CH}_2\text{NH}_2)_2(\text{H}_2\text{O})_2]^{2+}$ (b) optical isomerism, e.g. $[\text{Ni}(\text{H}_2\text{NCH}_2\text{CH}_2\text{NH}_2)_3]^{2+}$ and $[\text{Ni}(\text{H}_2\text{NCH}_2\text{CH}_2\text{NH}_2)_2(\text{H}_2\text{O})_2]^{2+}$
    2. deduce the overall polarity of complexes such as those described in 28.4.1(a) and 28.4.1(b)
    한국어
    1. 입체이성질성의 유형을 서술하되, 이중 결합 리간드 관련 복합체를 포함한다: (a) 기하 이성질성(시스/트랜스), 예: 평면 사각형 구조인 $[\text{Pt}(\text{NH}_3)_2\text{Cl}_2]$ 및 팔면체 구조인 $[\text{Co}(\text{NH}_3)_4(\text{H}_2\text{O})_2]^{2+}$과 $[\text{Ni}(\text{H}_2\text{NCH}_2\text{CH}_2\text{NH}_2)_2(\text{H}_2\text{O})_2]^{2+}$ (b) 광학 이성질성, 예: $[\text{Ni}(\text{H}_2\text{NCH}_2\text{CH}_2\text{NH}_2)_3]^{2+}$과 $[\text{Ni}(\text{H}_2\text{NCH}_2\text{CH}_2\text{NH}_2)_2(\text{H}_2\text{O})_2]^{2+}$
    2. 28.4.1(a) 및 28.4.1(b)에서 서술된 복합체와 같은 복합체의 전체 극성을 추론한다.

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

    • geometrical isomerism 几何异构 (cis 顺式 / trans 反式) appears in square planar complexes such as $[\text{Pt}(\text{NH}_3)_2\text{Cl}_2]$, and in octahedral complexes such as $[\text{Co}(\text{NH}_3)_4(\text{H}_2\text{O})_2]^{2+}$.
    A square planar platinum complex drawn twice: cis with the two ammonia ligands adjacent, trans with them opposite
    Geometrical isomerism in a square planar complex: the two identical ligands are adjacent (cis) or opposite (trans)
    • optical isomerism 旋光异构 appears in octahedral complexes with bidentate ligands, such as $[\text{Ni}(\text{en})_3]^{2+}$, which has two non-superimposable mirror images.

    You can also deduce the polarity of a complex: a cis form may be polar, while the matching trans form is often non-polar because its dipoles cancel.

    Explore · ⁨탐색하기⁩

    Complex stereoisomer lab

    Classify complex isomers by ligand arrangement.

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    English 한국어
    geometrical isomerism/ˌdʒiːəʊˈmetrɪkl ˈaɪsəmərɪzəm/ 기하 이성질체(geometrical isomerism)
    cis/sɪs/ cis
    trans/trænz/ trans
    optical isomerism/ˈɒptɪkl ˈaɪsəmərɪzəm/ 광학 이성체성
    28.5

    Stability constants

    Syllabus
    English
    1. define the stability constant, $K_{\text{stab}}$, of a complex as the equilibrium constant for the formation of the complex ion in a solvent (from its constituent ions or molecules)
    2. write an expression for a $K_{\text{stab}}$ of a complex ($[\text{H}_2\text{O}]$ should not be included)
    3. use $K_{\text{stab}}$ expressions to perform calculations
    4. describe and explain ligand exchanges in terms of $K_{\text{stab}}$ values and understand that a large $K_{\text{stab}}$ is due to the formation of a stable complex ion
    한국어
    1. 안정 상수, $K_{\text{stab}}$를 용매 내에서 복합 이온의 생성에 대한 평형 상수(구성 이온 또는 분자로부터)로 정의한다.
    2. 복합체의 $K_{\text{stab}}$에 대한 식을 쓴다. ($[\text{H}_2\text{O}]$은 포함하지 않는다)
    3. $K_{\text{stab}}$ 식을 사용하여 계산을 수행한다.
    4. $K_{\text{stab}}$ 값을 기준으로 리간드 교환을 서술하고 설명하며, 큰 $K_{\text{stab}}$이 안정적인 복합 이온의 형성에 기인함을 이해한다.

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

    The stability constant 稳定常数 ($K_{\text{stab}}$) is the equilibrium constant for forming a complex ion from the metal ion and its ligands in solution (water is left out of the expression).

    A large $K_{\text{stab}}$ means a very stable complex. In a ligand exchange, the position moves towards the complex with the larger $K_{\text{stab}}$ — that is why a ligand that forms a more stable complex can push out a weaker one.

    Explore · ⁨탐색하기⁩

    Stability constant lab

    larger Kstab favours complex

    Increase ligand binding strength and see complex formation become more complete.

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    English 한국어
    stability constant/stəˈbɪlɪti ˈkɒnstənt/ 안정성 상수
    28.5

    Exam tips

    • Define a transition element: it forms at least one ion with a partially filled d sub-shell — so Sc and Zn are excluded.
    • Colour comes from d-d transitions (ligands split the d orbitals); the colour seen is the complement of the light absorbed.
    • State the ligand and coordination number and predict the shape (6 = octahedral, 4 = tetrahedral or square planar).
    • Ligand exchange can change colour and coordination number; a larger stability constant = a more stable complex.
  • 29

    An introduction to A Level organic chemistry

    Watch lesson · ⁨수업 보기⁩
    29.1

    New functional groups and naming

    Syllabus
    English
    1. understand that the compounds in the table on page 47 contain a functional group which dictates their physical and chemical properties
    2. interpret and use the general, structural, displayed and skeletal formulas of the classes of compound stated in the table on page 47
    3. understand and use systematic nomenclature of simple aliphatic organic molecules (including cyclic compounds containing a single ring of up to six carbon atoms) with functional groups detailed in the table on page 47, up to six carbon atoms (six plus six for esters and amides, straight chains only for esters and nitriles)
    4. understand and use systematic nomenclature of simple aromatic molecules with one benzene ring and one or more simple substituents, for example 3-nitrobenzoic acid or 2,4,6-tribromophenol
    한국어
    1. 47페이지 표에 있는 화합물에 기능기가 포함되어 있어 이들의 물리적·화학적 성질을 결정함을 이해한다.
    2. 47페이지 표에 명시된 화합물 부류의 일반식, 구조식, 표시식 및 골격식을 해석하고 사용한다.
    3. 47페이지 표에 상세히 기술된 기능기를 가진 단순 알리프틱 유기 분자의 체계적 명명법을 이해하고 사용한다. (단일 고리-containing 환상 화합물 포함, 최대 6개 탄소原子, 에스터 및 아미드인 경우 6+6, 에스터 및 니트릴인 경우 직쇄만 가능)
    4. 벤젠環 하나와 하나 이상의 단순 치환기를 가진 단순 아로마틱 분자의 체계적 명명법을 이해하고 사용한다. 예: 3-니트로벤조산 또는 2,4,6-トリ브로モフェノール

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

    At A Level you meet more functional group 官能团 families, including the amide 酰胺 group and aromatic 芳香 compounds (those built on a benzene ring). As before, the functional group decides the properties, and you read it from the general, structural, displayed or skeletal formula.

    Naming aromatic compounds

    A benzene 苯 molecule is a ring of six carbons. When you name an aromatic compound, use the benzene ring 苯环 as the parent and number the positions of the substituents. For example, 3-nitrobenzoic acid has a $\text{–NO}_2$ group on carbon 3, and 2,4,6-tribromophenol has three bromine atoms on a phenol ring. You can also name cyclic compounds with a single ring of up to six carbons.

    Two numbered benzene rings: 3-nitrobenzoic acid with COOH at position 1 and a nitro group at position 3, and 2,4,6-tribromophenol with OH at position 1 and bromine at positions 2, 4 and 6
    Number the ring from the principal group (carbon 1); the substituent positions then give the name
    Explore · ⁨탐색하기⁩

    Aromatic naming lab · ⁨방향족 명명 실험실⁩

    Classify aromatic substituents by how they are named. · ⁨방향족 치환기를 명명 방식에 따라 분류하시오.⁩

    Vocabulary · ⁨어휘⁩ Train · ⁨연습하기⁩
    English 한국어
    functional group/ˈfʌŋkʃənl ɡruːp/ 기능기
    amide/əˈmaɪd/ 아미드
    aromatic/ərəʊˈmætɪk/ 방향족
    benzene/ˈbenziːn/ 벤젠
    benzene ring/ˈbenziːn rɪŋ/ 벤젠 고리
    29.2

    Two new types of mechanism

    Syllabus
    English
    1. understand and use the following terminology associated with types of organic mechanisms: (a) electrophilic substitution (b) addition–elimination
    한국어
    1. 유기 메커니즘 유형과 관련된 다음 용어를 이해하고 사용한다: (a) 전자吸引 치환 (b) 가속-제거

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

    • electrophilic substitution 亲电取代: an electrophile replaces a hydrogen atom on a benzene ring (this is how benzene reacts).
    • addition–elimination 加成消去: a molecule first adds on, then a small molecule is removed (seen with 2,4-DNPH and with acyl chlorides).
    Electrophilic substitution and addition-elimination
    Two aromatic mechanisms: electrophilic substitution and addition-elimination
    Explore · ⁨탐색하기⁩

    Electrophilic substitution on benzene · ⁨벤젠에서의 친전자성 치환⁩

    Step through how benzene reacts. An electrophile swaps for a hydrogen — keeping the stable ring — instead of adding across it. · ⁨벤젠이 어떻게 반응하는지 단계별로 살펴보시오. 친전자체는 고리에 Addition되지 않고, 안정된 고리를 유지한 채 수소 원자와交換된다.⁩

    Vocabulary · ⁨어휘⁩ Train · ⁨연습하기⁩
    English 한국어
    electrophilic substitution/ɪˌlektrəʊˈfɪlɪk ˌsʌbstɪˈtjuːʃn/ 전자친화적 치환 반응
    addition–elimination/əˈdɪʃn ɪˌlɪmɪˈneɪʃn/ 첨가-탈리 반응
    29.3

    The shape of benzene

    Syllabus
    1. describe and explain the shape of benzene and other aromatic molecules, including $\text{sp}^2$ hybridisation, in terms of $\sigma$ bonds and a delocalised $\pi$ system

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

    Benzene is a flat, regular hexagon. Each carbon is sp² hybridised, using its three hybridisation 杂化 orbitals to make sigma bonds σ键 to two neighbouring carbons and one hydrogen. This gives the ring of σ bonds.

    Each carbon also has one electron left in a p orbital, standing up at right angles to the ring. These p orbitals overlap sideways all the way round, making a single delocalised 离域 pi bond π键 system — a ring of electrons above and below the plane. Because the electrons are shared evenly, all six C–C bonds are the same length, and benzene is very stable.

    A benzene hexagon with a p orbital standing up at each carbon, overlapping into a shaded delocalised cloud above and below the ring
    Benzene's bonding: an sp$^2$ $\sigma$ framework makes the flat hexagon, while the p orbitals overlap into one delocalised $\pi$ system above and below the ring

    How do we know benzene really is delocalised? One strong piece of evidence is its enthalpy change of hydrogenation 氢化焓变. Adding hydrogen to one C=C double bond (as in cyclohexene) releases about $120\ \text{kJ}\,\text{mol}^{-1}$, so a Kekulé ring of three separate double bonds should release about $3 \times 120 = 360\ \text{kJ}\,\text{mol}^{-1}$. Real benzene releases only $208\ \text{kJ}\,\text{mol}^{-1}$ — it is about $152\ \text{kJ}\,\text{mol}^{-1}$ more stable than the model predicts.

    An energy-level diagram: hydrogenating the Kekulé model would release 360 kJ/mol but real benzene releases only 208, so real benzene lies about 152 kJ/mol lower in energy than the model
    Evidence for delocalisation: real benzene releases far less on hydrogenation ($-208\ \text{kJ}\,\text{mol}^{-1}$) than the Kekulé model predicts ($-360 = 3\times$ cyclohexene), so it is about $152\ \text{kJ}\,\text{mol}^{-1}$ more stable than expected
    Explore · ⁨탐색하기⁩

    Benzene bonding lab · ⁨벤젠 결합 실험실⁩

    Follow the evidence for a planar delocalised benzene ring. · ⁨평면 비국소화 벤젠 고리에 대한 증거를 따르시오.⁩

    Vocabulary · ⁨어휘⁩ Train · ⁨연습하기⁩
    English 한국어
    hybridisation/ˌhaɪbrɪdaɪˈzeɪʃn/ 교잡(하이브리다이제이션)
    sigma bond/ˈsɪɡmə bɒnd/ 시그마 결합
    delocalised/dɪˈlɒkəlaɪzd/ 비국소화된
    pi bond/paɪ bɒnd/ π 결합
    enthalpy change of hydrogenation/enˈθælpi tʃeɪndʒ ɒv haɪˈdrɒdʒəneɪʃn/ 수소화 엔탈피 변화
    29.4

    Optical isomerism

    Syllabus
    English
    1. understand that enantiomers have identical physical and chemical properties apart from their ability to rotate plane polarised light and their potential biological activity
    2. understand and use the terms optically active and racemic mixture
    3. describe the effect on plane polarised light of the two optical isomers of a single substance
    4. explain the relevance of chirality to the synthetic preparation of drug molecules including: (a) the potential different biological activity of the two enantiomers (b) the need to separate a racemic mixture into two pure enantiomers (c) the use of chiral catalysts to produce a single pure optical isomer (Candidates should appreciate that compounds can contain more than one chiral centre, but knowledge of meso compounds and nomenclature such as diastereoisomers is not required.)
    한국어
    1. 엔antiomers가 편광된 빛을 회전시키는 능력과 잠재적 생물학적 활동성을 제외하고 동일한 물리적·화학적 성질을 가짐을 이해한다.
    2. 광학 활성과 라세믹 혼합물이라는 용어의 의미를 이해하고 사용할 수 있어야 합니다.
    3. 단일 물질의 두 광학 이성질체가 편광된 빛에 미치는 효과를 서술한다.
    4. ** chirality**가 약물 분자 합성 준비에 미치는 중요성을 설명하십시오. 다음을 포함: (a) 두 거울상 이성질체의 잠재적인 다른 생물학적 활동 (b) 라세믹 혼합물을 순수한 두 거울상 이성질체로 분리해야 하는 필요성 (c) 단일 순수 광학 이성질체를 생산하기 위한 키랄 촉매의 사용. (시험관은 화합물이 여러 개의 키랄 중심을 가질 수 있음을 인지해야 하지만, 메소 화합물에 대한 지식이나 디아스테레오머와 같은 명명법은 요구되지 않습니다.)

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

    Two enantiomers 对映体 (mirror-image isomers) have identical physical and chemical properties, with two exceptions:

    • they rotate plane polarised light 平面偏振光 in opposite directions. A substance that does this is optically active 旋光活性.
    • they may have different effects in living things (biological activity).

    A racemic mixture 外消旋混合物 is a 50:50 mix of the two enantiomers. It does not rotate plane polarised light, because the two opposite rotations cancel out.

    Plane-polarised light passing through each enantiomer: one rotates the plane clockwise, the mirror-image enantiomer rotates it anticlockwise
    The two enantiomers rotate plane-polarised light in opposite directions; a 50:50 racemic mixture gives no net rotation

    Why chirality matters for drugs

    Chirality 手性 is important when making medicines. A molecule with a chiral centre 手性中心 has two enantiomers, and they can behave very differently in the body — one may cure while the other does harm. So drug makers either:

    • separate a racemic mixture into the two pure enantiomers, or
    • use a chiral catalyst 手性催化剂 to make just the single enantiomer they want.

    Worked example. Which of butan-1-ol, butan-2-ol and 2-methylpropan-2-ol is chiral? A molecule is chiral if it has a carbon carrying four different groups. Take the carbons one at a time. In butan-2-ol, $\text{CH}_3\text{CH(OH)CH}_2\text{CH}_3$, carbon 2 carries $\text{OH}$, $\text{H}$, $\text{CH}_3$ and $\text{C}_2\text{H}_5$ - four different groups, so it is a chiral centre and butan-2-ol exists as two optical isomers. Butan-1-ol's carbon 1 carries two hydrogens, and the central carbon of 2-methylpropan-2-ol carries two identical methyl groups, so neither is chiral. It takes only one repeated group on a carbon to destroy the chirality there - and compare groups properly: $\text{CH}_3$ and $\text{C}_2\text{H}_5$ differ, but only once you look past the first atom.

    Explore · ⁨탐색하기⁩

    Optical isomerism lab · ⁨광학 이성질체 실험⁩

    Identify when a molecule can have non-superimposable mirror images. · ⁨분자가 겹칠 수 없는 거울상을 가질 수 있는 조건을 식별하시오.⁩

    Vocabulary · ⁨어휘⁩ Train · ⁨연습하기⁩
    English 한국어
    enantiomers/eˈnæntɪəməz/ 거울 이성질체
    plane polarised light/pleɪn ˈpəʊləraɪzd laɪt/ 평면 편광
    optically active/ˈɒptɪkli ˈæktɪv/ 광학 활성(optically active)
    racemic mixture/rəˈsiːmɪk ˈmɪkstʃə/ 라세믹 혼합물
    chirality/kaɪˈrælɪti/ 카이랄성
    chiral centre/ˈkaɪrəl ˈsentə/ 키랄 중심
    chiral catalyst/ˈkaɪrəl ˈkætəlɪst/ 카이랄 촉매
    29.4

    Exam tips

    • Optical isomers need a chiral carbon (four different groups); they are non-superimposable mirror images that rotate plane-polarised light oppositely.
    • A racemic mixture forms when a planar intermediate (carbocation or $\text{C}=\text{O}$) is attacked equally from both sides.
    • Benzene's delocalised ring (equal bond lengths, planar) explains its stability versus the Kekulé model.
    • Learn the two new mechanisms — electrophilic substitution of arenes, and nucleophilic addition-elimination.
  • 30

    Hydrocarbons

    Watch lesson · ⁨수업 보기⁩
    30.1

    Arenes · ⁨방향족 화합물(Arenes)⁩

    Syllabus
    1. describe the chemistry of arenes as exemplified by the following reactions of benzene and methylbenzene: (a) substitution reactions with $\text{Cl}_2$ and with $\text{Br}_2$ in the presence of a catalyst, $\text{AlCl}_3$ or $\text{AlBr}_3$, to form halogenoarenes (aryl halides) (b) nitration with a mixture of concentrated $\text{HNO}_3$ and concentrated $\text{H}_2\text{SO}_4$ at a temperature between $25\text{ }^{\circ}\text{C}$ and $60\text{ }^{\circ}\text{C}$ (c) Friedel–Crafts alkylation by $\text{CH}_3\text{Cl}$ and $\text{AlCl}_3$ and heat (d) Friedel–Crafts acylation by $\text{CH}_3\text{COCl}$ and $\text{AlCl}_3$ and heat (e) complete oxidation of the side-chain using hot alkaline $\text{KMnO}_4$ and then dilute acid to give a benzoic acid (f) hydrogenation of the benzene ring using $\text{H}_2$ and $\text{Pt/Ni}$ catalyst and heat to form a cyclohexane ring
    2. describe the mechanism of electrophilic substitution in arenes: (a) as exemplified by the formation of nitrobenzene and bromobenzene (b) with regards to the effect of delocalisation (aromatic stabilisation) of electrons in arenes to explain the predomination of substitution over addition
    3. predict whether halogenation will occur in the side-chain or in the aromatic ring in arenes depending on reaction conditions
    4. describe that in the electrophilic substitution of arenes, different substituents direct to different ring positions (limited to the directing effects of $-\text{NH}_2$, $-\text{OH}$, $-\text{R}$, $-\text{NO}_2$, $-\text{COOH}$ and $-\text{COR}$)

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

    English

    Arenes 芳烃 are aromatic hydrocarbons, built on the benzene 苯 ring. The delocalised ring of electrons is stable and electron-rich, so benzene mostly reacts by electrophilic substitution 亲电取代 — keeping the ring — rather than by addition.

    Reactions of benzene and methylbenzene

    Reaction Reagents and conditions Product
    halogenation $\text{Cl}_2$ or $\text{Br}_2$, with $\text{AlCl}_3$ or $\text{AlBr}_3$ as a catalyst 催化剂 a halogenoarene 卤代芳烃 (aryl halide)
    nitration 硝化 concentrated $\text{HNO}_3$ + concentrated $\text{H}_2\text{SO}_4$, $25$–$60\,°\text{C}$ nitrobenzene
    Friedel–Crafts alkylation 傅克烷基化 $\text{CH}_3\text{Cl}$ + $\text{AlCl}_3$, heat methylbenzene (adds an alkyl group)
    Friedel–Crafts acylation 傅克酰基化 $\text{CH}_3\text{COCl}$ + $\text{AlCl}_3$, heat a phenyl ketone (adds an acyl group)
    side-chain oxidation hot alkaline $\text{KMnO}_4$, then dilute acid benzoic acid 苯甲酸
    hydrogenation 氢化 $\text{H}_2$, $\text{Pt/Ni}$ catalyst, heat cyclohexane

    In the side-chain oxidation, the whole side-chain 侧链 (such as the $\text{–CH}_3$ on methylbenzene) is turned into a $\text{–COOH}$ group, giving benzoic acid. In the hydrogenation, three molecules of $\text{H}_2$ add to the benzene ring 苯环 to make a saturated cyclohexane ring.

    The mechanism: electrophilic substitution

    Take nitration as the example. The acid mix makes the electrophile $\text{NO}_2^+$. Then:

    1. the delocalised electrons of the ring form a bond to the electrophile, giving an unstable intermediate.
    2. an $\text{H}^+$ is lost from that carbon, which restores the stable ring.

    Substitution wins over addition because the delocalisation 离域 (aromatic stabilisation) of the ring is kept. Addition would destroy this stable system, so it is not favoured.

    Side-chain or ring?

    Where a halogen reacts depends on the conditions:

    • with a halogen-carrier catalyst (such as $\text{AlCl}_3$) and no UV light → substitution in the ring.
    • with UV light and no catalyst → free-radical substitution in the side-chain.

    Directing effects

    A group already on the ring decides where the next group goes — its directing effect 定位效应:

    Group already present Directs the new group to
    $\text{–NH}_2$, $\text{–OH}$, $\text{–R}$ positions 2 and 4
    $\text{–NO}_2$, $\text{–COOH}$, $\text{–COR}$ position 3

    Worked example. Methylbenzene and nitrobenzene are each nitrated. Predict where the new $\text{NO}_2$ group goes, and which compound reacts faster. Look at the group already on the ring. In methylbenzene the $\text{–CH}_3$ is an alkyl group: it directs the new group to positions 2 and 4, and it releases electrons into the ring, making the ring more attractive to an electrophile - so methylbenzene nitrates faster than benzene. In nitrobenzene the $\text{–NO}_2$ directs to position 3, and it withdraws electrons from the ring - so nitrobenzene nitrates more slowly than benzene. The group already present controls both the position and the rate, and the two always travel together: 2,4-directors activate the ring, 3-directors deactivate it.

    한국어

    방향족 화합물(Arenes) 은 벤젠 고리를 기반으로 constructed芳香族烃类。电子离域环是稳定且富电子的,因此苯主要通过亲电取代反应(保留环结构)进行反应,而不是通过加成反应。

    나프탈렌 달걀 모양의 흰색 방충제 덩어리
    방충제에 사용되는 나프탈렌은 단순한 방향족 화합물입니다 — 두 개의 벤젠 고리가 융합된 구조입니다

    벤젠 및 메틸벤젠의 반응

    반응 시약 및 조건 생성물
    할로겐화 $\text{Cl}_2$ 또는 $\text{Br}_2$, 촉매로 $\text{AlCl}_3$ 또는 $\text{AlBr}_3$ 사용 할로겐아렌(아릴 할라이드)
    니트로화 농축 $\text{HNO}_3$ + 농축 $\text{H}_2\text{SO}_4$, $25$–$60\,°\text{C}$ 니트로벤젠
    프リード-캠프 알킬화 $\text{CH}_3\text{Cl}$ + $\text{AlCl}_3$, 가열 메틸벤젠(알킬기 추가)
    프リード-캠프 아실화 $\text{CH}_3\text{COCl}$ + $\text{AlCl}_3$, 가열 페닐 케톤(아실기 추가)
    측쇄 산화 뜨거운 염기성 $\text{KMnO}_4$, 이후 희석산 벤조산
    수소화 $\text{H}_2$, $\text{Pt/Ni}$ 촉매, 가열 시클로헥سان
    프リード-캠프 알킬화는 알킬기를 추가하고, 아실화는 아실기를 추가합니다
    프リード엘-크래프트: 알킬화는 알킬 그룹을 추가하고, 아실화는 아실 그룹을 추가합니다
    가운데 벤젠을 중심으로 클로로벤젠, 니트로벤젠, 메틸벤젠, 페닐 케톤, 시클로헥سان으로 화살표가 뻗어 있으며 각 생성물에 시약이 표기됨
    벤젠은 안정적인 고리를 유지하며, 주로 전자가심유입 치환반응(수소와의 첨가반응 제외)을 거칩니다

    측쇄 산화에서 측쇄(메틸벤젠의 $\text{–CH}_3$ 등) 전체가 $\text{–COOH}$ 기로 변해 벤조산을 만듭니다. 수소화에서는 세 분자의 $\text{H}_2$이 벤젠 고리에 붙어 포화 시클로헥SAN 고리가 됩니다.

    반응 기전: 전자가심유입 치환반응

    니트로화를 예로 들겠습니다. 산 혼합물은 전자가심유입체 $\text{NO}_2^+$를 만듭니다. 그러면:

    1. 고리의 비국지화 전자가 전자가심유입체와 결합하여 불안정 중간체를 만듭니다.
    2. 해당 탄소에서 $\text{H}^+$가 빠지며, 이는 안정한 고리를 복원합니다.

    고리의 비국지화(-aromatic 안정화)가 유지되므로 치환반응이 첨가반응보다 유리합니다. 첨가반응은 이 안정된 체계를 파괴하므로 선호되지 않습니다.

    니트로화 기전: 고리가 NO2+를 공격하는 곡선 화살표로 양이온 중간체를 만들고, H+를 잃어 고리를 복원해 니트로벤젠이 됩니다
    전자吸引성 치환(니트레이션): 고리가 전자吸引체 NO$_2^+$를 공격하여 불안정한 중간체를 만들고, 그 후 H$^+$을 잃어 고리를 회복합니다

    측쇄인지 고리인지?

    할로겐이 반응하는 위치는 조건에 따라 다릅니다:

    • 할로겐 운반 촉매(예: $\text{AlCl}_3$)가 있고 **자외선(UV)**이 없는 경우 → 고리에서의 치환반응.
    • 자외선이 있고 촉매가 없는 경우 → 측쇄에서의 자유 라디칼 치환반응.
    메틸벤젠에 염소가 두 방향으로 분지됨: AlCl3가 있고 자외선(UV)이 없는 경우 염소는 고리에 치환되고, UV가 있고 촉매가 없는 경우 측쇄 메틸기에 치환됨
    조건이 결정함: 할로겐 운반제(AlCl₃)는 고리에 치환, 자외선은 측쇄에 치환함

    지향 효과

    고리에 이미 있는 그룹이 다음 그룹이 들어갈 위치를 결정함—지향 효과:

    두 번호 매겨진 벤젠 고리: 하나는 아민, 하이드록실, 알킬 그룹의 위치 2, 4 강조, 다른 하나는 니트로, 카복실, 아실 그룹의 위치 3 강조
    고리에 이미 있는 그룹이 다음 것을 지향함: –NH$_2$/–OH/–R은 위치 2, 4로, –NO$_2$/–COOH/–COR은 위치 3로
    기존에 존재하는 그룹 새로운 그룹을 다음 위치로 지향함
    $\text{–NH}_2$, $\text{–OH}$, $\text{–R}$ 위치 2 및 4
    $\text{–NO}_2$, $\text{–COOH}$, $\text{–COR}$ 위치 3

    작업 예제. 메틸벤젠과 니트로벤젠을 각각 니트레이션합니다. 새로운 $\text{NO}_2$ 그룹이 어디로 갈지, 그리고 어떤 화합물이 더 빠르게 반응하는지 예측해 보십시오. 고리에 이미 붙어 있는 그룹을 보십시오. 메틸벤젠에서 $\text{–CH}_3$은 알킬 그룹입니다: 이 그룹은 새로운 그룹이 2과 4 위치로 유도하고, 전자를 고리로 방출하여 고리가 전자吸引체에 더 매력적이게 만듭니다 - 따라서 메틸벤젠의 니트레이션은 벤젠보다 빠릅니다. 니트로벤젠에서 $\text{–NO}_2$은 3 위치로 유도하고, 고리로부터 전자를 탈취합니다 - 따라서 니트로벤젠의 니트레이션은 벤젠보다 느립니다. 이미 존재하는 그룹은 위치와 속도 모두를 통제하며, 두 가지는 항상 함께 움직입니다: 2,4-유도기는 고리를 활성화시키고, 3-유도기는 고리를 비활성화시킵니다.

    Explore · ⁨탐색하기⁩

    Arene substitution route · ⁨아렌 치환 경로⁩

    Follow electrophilic substitution on benzene. · ⁨벤젠의 전자 친화적 치환을 따르시오.⁩

    Explore · ⁨탐색하기⁩

    Directing effects lab · ⁨지향 효과 실험⁩

    Classify substituents by how they affect the benzene ring. · ⁨벤젠 고리에 미치는 영향에 따라 치환기를 분류하시오.⁩

    Vocabulary · ⁨어휘⁩ Train · ⁨연습하기⁩
    English 한국어
    arene/ˈæren/ 아레인
    benzene/ˈbenziːn/ 벤젠
    electrophilic substitution/ɪˌlektrəʊˈfɪlɪk ˌsʌbstɪˈtjuːʃn/ 전자친화적 치환 반응
    catalyst/ˈkætəlɪst/ 촉매
    halogenoarene/ˈheɪləʊdʒnɔːren/ 할로겐 아릴 화합물
    nitration/naɪˈtreɪʃn/ 니트로화
    Friedel–Crafts alkylation/ˈfriːdl kræfts ˌælkɪˈleɪʃn/ 프リード렐-크래프트 알킬화 반응
    Friedel–Crafts acylation/ˈfriːdl kræfts əkɪˈleɪʃn/ 프리델-크래프트 아실화
    benzoic acid/benˈzəʊɪk ˈæsɪd/ 벤조산
    hydrogenation/haɪˈdrɒdʒəneɪʃn/ 수소화
    side-chain/saɪd tʃeɪn/ 측정 사슬
    benzene ring/ˈbenziːn rɪŋ/ 벤젠 고리
    delocalisation/dɪˌlɒkəlaɪˈzeɪʃn/ 비국소화
    directing effect/daɪˈrektɪŋ ɪˈfekt/ 지向导 효과 (배향 효과)
    30.1

    Exam tips · ⁨시험 팁⁩

    English
    • Benzene undergoes electrophilic substitution, not addition, because addition would destroy the stable delocalised ring.
    • Learn nitration (concentrated $\text{HNO}_3$/$\text{H}_2\text{SO}_4$, $50-60\ ^\circ\text{C}$) and halogenation (halogen + $\text{AlCl}_3$) with the electrophile-generating step.
    • Compare reactivity: benzene resists addition far more than an alkene because of delocalisation.
    한국어
    • 벤젠은 전자심유입 치환반응을 거치며, 안정한 비국지화 고리가 파괴되기 때문에 첨가반응은 거치지 않습니다.
    • 니트로화(농축 $\text{HNO}_3$/$\text{H}_2\text{SO}_4$, $50-60\ ^\circ\text{C}$)와 할로겐화(할로겐 + $\text{AlCl}_3$)를 전자가심유입체 생성 단계와 함께 학습하십시오.
    • 반응성 비교: 비국지화로 인해 벤젠은 알켄보다 첨가반응을 훨씬 더 저항합니다.
  • 31

    Halogen compounds

    Watch lesson · ⁨수업 보기⁩
    31.1

    Making halogenoarenes · ⁨할로겐아렌 만들기⁩

    Syllabus
    1. recall the reactions by which halogenoarenes can be produced: substitution of an arene with $\text{Cl}_2$ or $\text{Br}_2$ in the presence of a catalyst, $\text{AlCl}_3$ or $\text{AlBr}_3$ to form a halogenoarene, exemplified by benzene to form chlorobenzene and methylbenzene to form 2-chloromethylbenzene and 4-chloromethylbenzene
    2. explain the difference in reactivity between a halogenoalkane and a halogenoarene as exemplified by chloroethane and chlorobenzene

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

    English

    A halogenoarene 卤代芳烃 (also called an aryl halide) is formed when an arene 芳烃 reacts with $\text{Cl}_2$ or $\text{Br}_2$, using $\text{AlCl}_3$ or $\text{AlBr}_3$ as a catalyst 催化剂. This is the electrophilic substitution from the arenes topic — the halogen replaces a hydrogen on the ring.

    • benzene gives chlorobenzene.
    • methylbenzene gives 1-chloro-2-methylbenzene and 1-chloro-4-methylbenzene (the methyl group directs the chlorine to positions 2 and 4).
    한국어

    할로겐아렌(아릴 할라이드라고도 함)은 아렌이 $\text{Cl}_2$ 또는 $\text{Br}_2$과 반응하고, 촉매로 $\text{AlCl}_3$ 또는 $\text{AlBr}_3$을 사용할 때 형성됩니다. 이는 아렌 단원의 전자심유입 치환반응이며, 할로겐이 고리의 수소 하나를 대체합니다.

    • 벤젠은 클로로벤젠을 만듭니다.
    • 메틸벤젠은 1-클로로-2-메틸벤젠과 1-클로로-4-메틸벤젠을 만듭니다(메틸기가 클로根的을 위치 2와 4로 지향함).
    벤젠이 알루미늄 염화물 촉매를 사용하여 염소와 반응해 클로로벤젠과 염화수소를 만 — 고리의 수소 하나가 클로겐으로 대체됨
    전자심유입 치환반응을 통해 할로겐아렌 만들기: AlCl₃ 촉매 존재 시 고리의 수소가 클로겐으로 대체되어(HCl 생성)
    농장에서 작물에 살충제를 뿌리는 트럭
    많은 제초제와 살충제는 할로겐아렌입니다 — 벤젠 고리에 결합된 염소 원자들
    Explore · ⁨탐색하기⁩

    Halogenoarene lab · ⁨할로겐아렌 실험⁩

    Compare halogenoarenes with halogenoalkanes. · ⁨할로겐아렌과 할로겐알kan을 비교하시오.⁩

    Vocabulary · ⁨어휘⁩ Train · ⁨연습하기⁩
    English 한국어
    halogenoarene/ˈheɪləʊdʒnɔːren/ 할로겐 아릴 화합물
    arene/ˈæren/ 아레인
    catalyst/ˈkætəlɪst/ 촉매
    halogenoalkane/ˈheɪləʊdʒnəʊlkeɪn/ 할로젠알케인
    nucleophilic substitution/ˌnjuːklɪəˈfɪlɪk ˌsʌbstɪˈtjuːʃn/ 친핵 치환 반응
    lone pair/ləʊn peə/ 비공유 전자쌍
    delocalised/dɪˈlɒkəlaɪzd/ 비국소화된
    nucleophile/ˈnjuːklɪɒfaɪl/ 친핵체
    31.1

    Why a halogenoarene is less reactive than a halogenoalkane · ⁨할로겐아렌이 할로겐알케인보다 반응성이 낮은 이유⁩

    English

    Compare chloroethane (a halogenoalkane 卤代烷) with chlorobenzene (a halogenoarene).

    A halogenoalkane reacts easily by nucleophilic substitution 亲核取代: its C–Cl bond is polar, so a nucleophile can attack the slightly positive carbon and push the halogen out.

    A halogenoarene is very unreactive towards nucleophilic substitution. There are two reasons:

    • a lone pair 孤对电子 on the chlorine overlaps sideways with the delocalised 离域 ring of electrons. This gives the C–Cl bond partial double-bond character, making it shorter and stronger, so it is much harder to break.
    • the electron-rich ring repels an approaching nucleophile 亲核试剂.

    So chlorobenzene does not react with nucleophiles such as $\text{OH}^-$ under normal conditions, while chloroethane does.

    한국어

    클로로에탄( 할로겐알케인 )과 클로로벤젠(할로겐아렌)을 비교하십시오.

    할로겐알케인은 핵종 치환반응을 쉽게 거칩니다: C–Cl 결합이 극성이므로 핵종이 약양성 탄소를 공격할 수 있고 할로겐을 밀어낼 수 있습니다.

    할로겐아렌은 핵종 치환반응에 매우 비활성입니다. 그 이유는 두 가지입니다:

    • 염소의 고유전자쌍이 비국소화된 전자環과 측면으로 중첩됩니다. 이로 인해 C–Cl 결합은 부분적인 이중결합 성질을 띠게 되어 더 짧고 강해지며, 따라서 훨씬 더 깨지기 어렵습니다.
    • 전자가 풍부한環은 접근하는 핵친화체를 반발합니다.

    따라서 클로로벤젠은.normal 조건에서 $\text{OH}^-$와 같은 핵친화체와 반응하지만, 클로로에탄은 반응합니다.

    클로로에탄의 약간 양전하를 띤 탄소에 핵친화체가 공격하는 모습과, 염소의 고유전자쌍이 ring과 중첩되고 ring이 핵친화체를 반발하는 클로로벤젠
    클로로에탄은 반응합니다(핵친화체가 $\delta+$ 탄소를 공격), 그러나 클로로벤젠은 그렇지 않습니다: Cl의 고유전자쌍이 C–Cl 결합을 강화하고环이 핵친화체를 반발하기 때문입니다
    31.1

    Exam tips · ⁨시험 팁⁩

    English
    • A halogenoarene is less reactive than a halogenoalkane: the lone pair delocalises into the ring, giving the $\text{C-X}$ bond partial double-bond character.
    • Distinguish a halogen on the ring (needs a catalyst, unreactive to substitution) from one on a side chain (reacts like a halogenoalkane).
    한국어
    • 할로겐아레인은 할로겐알케인보다 반응성이 낮습니다: 고유전자쌍이 ring으로 비국소화되어 $\text{C-X}$ 결합에 부분적인 이중결합 성질을 부여합니다.
    • Ring 위의 할로겐(촉매 필요, 치환에는 불활성)과 사이드체인 위의 할로겐(할로겐알케인처럼 반응)을 구별하십시오.
  • 32

    Hydroxy compounds

    Watch lesson · ⁨수업 보기⁩
    32.1

    Alcohols with acyl chlorides · ⁨아실 염화물과의 알코올 반응⁩

    Syllabus
    English
    1. describe the reaction with acyl chlorides to form esters using ethyl ethanoate
    한국어
    1. 아실 클로라이드와의 반응을 사용하여 에스터를 형성하고, 에틸 아세테이트를 예시로 들다

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

    English

    At A Level you meet one more reaction of an alcohol 醇: it reacts with an acyl chloride 酰氯 to make an ester 酯. This works faster and more completely than using a carboxylic acid. For example, ethanol and ethanoyl chloride give ethyl ethanoate, plus fumes of $\text{HCl}$.

    한국어

    A-Level 과정에서 알코올의 또 다른 반응에 접하게 됩니다: 이는 아실 염화물과 반응하여 에스터를 만듭니다. 이는 카복실산 대신 사용할 때 더 빠르고 완전히 진행됩니다. 예를 들어, 에탄올과 에타노일 염화물은 에틸 에타노에이트를 생성하며, 동시에 $\text{HCl}$ 연기가 발생합니다.

    에탄올이 에타노일 염화물과 반응하여 에스터인 에틸 에타노에이트와 염화수소(HCl)를 생성하는 과정
    아실 염화물은 카복실산보다 알코올과 더 빠르고 완전히 반응하여 에스터와 HCl 연기를 생성합니다
    Explore · ⁨탐색하기⁩

    Acyl chloride with alcohol route · ⁨아실 염화물과 알코올 경로⁩

    Follow nucleophilic acyl substitution to an ester. · ⁨염기성 아실 치환을 따라 에스터로 진행함.⁩

    Vocabulary · ⁨어휘⁩ Train · ⁨연습하기⁩
    English 한국어
    alcohol/ˈælkəhɒl/ 알코올
    acyl chloride/əˈkɪl ˈklɔːraɪd/ 아실 염화물
    ester/ˈestə/ 에스터
    32.2

    Phenol · ⁨페놀⁩

    Syllabus
    1. recall the reactions (reagents and conditions) by which phenol can be produced: (a) reaction of phenylamine with $\text{HNO}_2$ or $\text{NaNO}_2$ and dilute acid below $10\text{ }^\circ\text{C}$ to produce the diazonium salt; further warming of the diazonium salt with $\text{H}_2\text{O}$ to give phenol
    2. recall the chemistry of phenol, as exemplified by the following reactions: (a) with bases, for example $\text{NaOH(aq)}$ to produce sodium phenoxide (b) with $\text{Na(s)}$ to produce sodium phenoxide and $\text{H}_2\text{(g)}$ (c) in $\text{NaOH(aq)}$ with diazonium salts, to give azo compounds (d) nitration of the aromatic ring with dilute $\text{HNO}_3\text{(aq)}$ at room temperature to give a mixture of 2-nitrophenol and 4-nitrophenol (e) bromination of the aromatic ring with $\text{Br}_2\text{(aq)}$ to form 2,4,6-tribromophenol
    3. explain the acidity of phenol
    4. describe and explain the relative acidities of water, phenol and ethanol
    5. explain why the reagents and conditions for the nitration and bromination of phenol are different from those for benzene
    6. recall that the hydroxyl group of a phenol directs to the 2-, 4- and 6-positions
    7. apply knowledge of the reactions of phenol to those of other phenolic compounds, e.g. naphthol

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

    English

    Phenol 苯酚 has an $\text{–OH}$ group joined directly to a benzene 苯 ring. This changes the chemistry of both the $\text{–OH}$ group and the ring.

    Making phenol

    Cool phenylamine 苯胺 with $\text{NaNO}_2$ and dilute acid below $10\,°\text{C}$ to make a diazonium salt 重氮盐. Warming this salt with water then gives phenol (and nitrogen gas).

    Reactions of phenol

    • with a base such as $\text{NaOH(aq)}$: phenol reacts to give sodium phenoxide and water. (Ordinary alcohols do not react with $\text{NaOH}$ — this shows phenol is more acidic.)
    • with sodium metal: gives sodium phenoxide and hydrogen.
    • with a diazonium salt in $\text{NaOH(aq)}$: forms a coloured azo compound 偶氮化合物 (used in dyes).
    • nitration 硝化 with dilute $\text{HNO}_3$ at room temperature: gives a mixture of 2-nitrophenol and 4-nitrophenol.
    • bromination 溴化 with bromine water at room temperature (no catalyst): gives a white precipitate of 2,4,6-tribromophenol.

    Acidity of phenol

    Phenol loses its $\text{H}^+$ to form a phenoxide ion. This ion is stabilised because its negative charge is spread (delocalised) into the ring. So phenol's acidity 酸性 is higher than that of water or ethanol:

    $$\text{ethanol} < \text{water} < \text{phenol}$$

    (Phenol is still a weak acid — weaker than a carboxylic acid.)

    Why the conditions are milder than for benzene

    A lone pair on the phenol oxygen is partly delocalised 离域 into the ring. This makes the ring more electron-rich, so it attracts electrophiles more strongly. Phenol therefore reacts faster and under much milder conditions than benzene — no catalyst is needed, and dilute reagents work at room temperature.

    The $\text{–OH}$ group directs new substituents to the 2-, 4- and 6-positions. The same ideas apply to other phenolic compounds, such as naphthol.

    Worked example. Phenol, ethanol and ethanoic acid are each shaken with aqueous $\text{NaOH}$ and then with aqueous $\text{Na}_2\text{CO}_3$. Predict what happens, and order the three by acidity. Acidity depends on how well the anion left behind is stabilised. Ethanol's ethoxide keeps its charge stuck on one oxygen, so ethanol is weakest and reacts with neither. Phenol's phenoxide spreads the charge into the ring, making phenol acidic enough to react with the strong base $\text{NaOH}$ but not with the weaker $\text{Na}_2\text{CO}_3$ - so no fizzing. Ethanoate spreads the charge over two oxygens, the most effective of the three, so ethanoic acid reacts with both and fizzes with the carbonate. Order: ethanol < phenol < ethanoic acid. The carbonate is the discriminating test - only a carboxylic acid fizzes, which is exactly how you tell phenol from an acid.

    한국어

    페놀은 벤젠 Ring에 직접 연결된 $\text{–OH}$ 기를 가지고 있습니다. 이는 $\text{–OH}$ 기와 Ring 모두의 화학적 성질을 변화시킵니다.

    분홍색으로 변한 페놀 시료
    페놀은 저융점 고체이며, 공기 중 산화로 인해 천천히 분홍색으로 변합니다

    페놀 제조법

    페닐아민을 냉각시켜 $\text{NaNO}_2$와 희석 산을 $10\,°\text{C}$ 이하로 사용하여 디아조늄 염을 만듭니다. 이 염을 물과 함께 가열하면 페놀( 및 질소 가스)이 생성됩니다.

    페놀의 반응

    • $\text{NaOH(aq)}$와 같은 염기: 페놀이 반응하여 나트륨 페녹사이드와 물을 생성합니다. (일반 알코올은 $\text{NaOH}$과 반응하지 않습니다—이는 페놀의 산도가 더 높음을 보여줍니다.)
    • 나트륨 금속: 나트륨 페녹사이드와 수소 가스를 생성합니다.
    • $\text{NaOH(aq)}$에서의 디아조늄 염: 색이 있는 아조 화합물(염료 용도)을 형성합니다.
    • 실온에서 희석 $\text{HNO}_3$를 이용한 질산화: 2-니트로페놀과 4-니트로페놀의 혼합물을 생성합니다.
    • 실온에서 브롬수를 이용한 브로밍(촉매 없음): 2,4,6-トリ브로모페놀의 흰색 침전물이 생성됩니다.

    페놀의 산성

    페놀은 $\text{H}^+$를 잃어 페록사이드 이온을 형성합니다. 이 이온은 음전하가 Ring으로 퍼져(비국소화되어) 안정화되므로, 페놀의 산성은 물이나 에탄올보다 높습니다:

    $$\text{ethanol} < \text{water} < \text{phenol}$$
    페놀이 프로톤을 잃어 페록사이드 이온이 되며, 곡선 화살표가 음전하가 Ring으로 퍼지는 과정을 나타냄
    페놀은 물이나 알코올보다 산도가 높습니다: H$^+$를 잃으면 페록사이드 이온이 생성되며, 이 이온의 음전하가 Ring으로 퍼져 안정화됩니다

    (페놀은 여전히 약한 산입니다—카복실산보다는 약합니다.)

    벤젠보다 조건이 온화한 이유

    페놀의 산소 원자에 있는 고유전자쌍이 Ring으로 일부 비국소화됩니다. 이로 인해 Ring이 더 전자적으로 풍부해져 전자를 선호하는 물질(전자 친화체)을 더 강하게 끌어당깁니다. 따라서 페놀은 벤젠보다 훨씬 온화한 조건에서 더 빠르게 반응하며—촉매가 필요 없으며, 희석 시약이 실온에서 작동합니다.

    실온에서 브롬수와 반응하여 흰색 침전물인 2,4,6-トリブ로모페놀을 생성하는 페놀
    페놀의 Ring은 활성화되어 있어 촉매 없이 실온에서 브롬수가 2, 4, 6번 위치를 브로밍하여 흰색 침전물을 생성합니다

    $\text{–OH}$ 기는 새로운 치환기를 2-, 4-, 6-위치로 유도합니다. 나프톨과 같은 다른 페놀류에도 동일한 원리가 적용됩니다.

    분홍색의 카볼릭 비누 막대
    카볼릭 비누에는 페놀이 포함되어 있으며, 이는 최초의 소독제 중 하나였습니다

    작업 예시. 페놀, 에탄올, 에타노산을 각각 수용액 $\text{NaOH}$와 그 다음 수용액 $\text{Na}_2\text{CO}_3$과 흔들어 보냅니다. 어떻게 될지 예측하고 세 가지 물질을 산도에 따라排序하십시오. 산도는 남아있는 음이온이 얼마나 잘 안정화되는지에 달려 있습니다. 에탄올의 에톡사이드는 전하가 한氧原子上 고정되어 있으므로 에탄올은 가장 약하며 두 시약 모두와 반응하지 않습니다. 페놀의 페록사이드는 전하를 Ring으로 퍼뜨려 페놀을 강염기 $\text{NaOH}$과 반응할 정도로 산성으로 만들지만, 약한 $\text{Na}_2\text{CO}_3$과는 반응하지 않으므로 거품이产生되지 않습니다. 에타노酸盐는 전하를 두 개의 산소원자에 걸쳐最广分散되므로 세 가지 중 가장 효과적인 안정화 효과를 가지며, 에타노산은 두 시약 모두와 반응하며 탄산염과 반응할 때 거품을 생성합니다. 순서: 에탄올 < 페놀 < 에타노산. 탄산염은 선택적 시험입니다—카복실산만이 거품을 생성하므로, 이것이 바로 페놀과 산을 구분하는 방법입니다.

    Explore · ⁨탐색하기⁩

    Phenol reaction lab · ⁨페놀 반응 실험⁩

    Classify phenol reactions by the role of the aromatic OH group. · ⁨芳香族 OH 그룹의 역할에 따라 페놀 반응을 분류함.⁩

    Vocabulary · ⁨어휘⁩ Train · ⁨연습하기⁩
    English 한국어
    phenol/ˈfenɒl/ 페놀
    benzene/ˈbenziːn/ 벤젠
    phenylamine/ˌfiːˈnaɪləmiːn/ 페닐아민
    diazonium salt/ˌdaɪəˈzəʊnɪəm sɒlt/ 디아조늄 염
    azo compound/ˈɑːzəʊ ˈkɒmpaʊnd/ 아조 화합물
    nitration/naɪˈtreɪʃn/ 니트로화
    bromination/ˌbrəʊmɪˈneɪʃn/ 브롬화 반응
    acidity/æˈsɪdɪti/ 산성도
    delocalised/dɪˈlɒkəlaɪzd/ 비국소화된
    32.2

    Exam tips · ⁨시험 팁⁩

    English
    • Phenol is a stronger acid than alcohols (its anion is stabilised by delocalisation) but weaker than carboxylic acids — it does not react with carbonates.
    • Phenol decolourises bromine water and gives a white precipitate without a catalyst (the ring is activated by oxygen).
    • Acyl chlorides react with alcohols/phenols to give esters readily (better than the reversible acid route); misty HCl fumes are the observation.
    한국어
    • 페놀은 알코올보다 강한 산입니다(이온이 비국소화에 의해 안정화됨) nhưng 카복실산보다는 약하여 탄산염과는 반응하지 않습니다.
    • 페놀은 브롬수를 탈색시키고 촉매 없이 흰색 침전물을 생성합니다(Ring이 산소에 의해 활성화됨).
    • 아실 염화물은 알코올/페놀과 쉽게 반응하여 에스터를 생성합니다(가역적인 산 경로보다 우수함); 유난한 HCl 연기가 관측 현상입니다.
  • 33

    Carboxylic acids and derivatives

    Watch lesson · ⁨수업 보기⁩
    33.1

    Carboxylic acids · ⁨카복실산⁩

    Syllabus
    English
    1. recall the reaction by which benzoic acid can be produced: (a) reaction of an alkylbenzene with hot alkaline $\text{KMnO}_4$ and then dilute acid, exemplified by methylbenzene
    2. describe the reaction of carboxylic acids with $\text{PCl}_3$ and heat, $\text{PCl}_5$ or $\text{SOCl}_2$ to form acyl chlorides
    3. recognise that some carboxylic acids can be further oxidised: (a) the oxidation of methanoic acid, $\text{HCOOH}$, with Fehling’s reagent or Tollens’ reagent or acidified $\text{KMnO}_4$ or acidified $\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$ to carbon dioxide and water (b) the oxidation of ethanedioic acid, $\text{HOOCCOOH}$, with warm acidified $\text{KMnO}_4$ to carbon dioxide
    4. describe and explain the relative acidities of carboxylic acids, phenols and alcohols
    5. describe and explain the relative acidities of chlorine-substituted carboxylic acids
    한국어
    1. 벤조산이 생성되는 반응을 기억하시오: (a) 알킬벤젠을 뜨거운 알칼리 $\text{KMnO}_4$와 반응시킨 후 희석 산으로 처리하는 반응(메틸벤젠 등 예시)
    2. 카복실산과 $\text{PCl}_3$ 및 가열, $\text{PCl}_5$ 또는 $\text{SOCl}_2$ 사이의 반응을 서술하여 아실 염화물을 형성함을 기술하시오
    3. 일부 카복실산은 추가 산화될 수 있음을 인지하시오: (a) 메탄산 $\text{HCOOH}$의 산화: 푸링 시약 또는 톨렌스 시약 또는 산화된 $\text{KMnO}_4$ 또는 산화된 $\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$에 의해 이산화탄소와 물로 산화됨 (b) 옥살산 $\text{HOOCCOOH}$의 산화: 따뜻한 산화된 $\text{KMnO}_4$에 의해 이산화탄소로 산화됨
    4. 카복실산, 페놀 및 알코올의 상대적 산성을 서술하고 설명하시오
    5. 염소 치환 카복실산의 상대적 산성을 서술하고 설명하시오

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

    English

    Making and reacting

    • an alkylbenzene 烷基苯 (such as methylbenzene) is oxidised by hot alkaline $\text{KMnO}_4$, then dilute acid, to give benzoic acid 苯甲酸. The whole side-chain becomes a $\text{–COOH}$ group.
    • a carboxylic acid reacts with $\text{PCl}_3$ and heat, $\text{PCl}_5$, or $\text{SOCl}_2$ to form an acyl chloride 酰氯.

    Acids that can be oxidised further

    Two carboxylic acids 羧酸 are special because they can still be oxidised:

    • methanoic acid ($\text{HCOOH}$) is oxidised by Fehling's or Tollens' reagent, or acidified $\text{KMnO}_4$ / $\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$, to carbon dioxide and water.
    • ethanedioic acid ($\text{HOOCCOOH}$) is oxidised by warm acidified $\text{KMnO}_4$ to carbon dioxide.

    Relative acidities

    The acidity 酸性 order is:

    $$\text{alcohol} < \text{phenol} < \text{carboxylic acid}$$

    A carboxylic acid is the strongest because, when it loses $\text{H}^+$, the negative charge is spread over two oxygen atoms, making the ion very stable. In a phenol 苯酚 the charge spreads only into the ring, and in an alcohol 醇 (giving $\text{RO}^-$) it is not spread at all.

    Chlorine atoms make a carboxylic acid more acidic. Chlorine is electron-withdrawing 吸电子: through the inductive effect 诱导效应 it pulls electron density away, helping to spread the negative charge and stabilise the ion. So more chlorine atoms (closer to the $\text{–COOH}$) give a stronger acid.

    한국어
    통째와 자른 레몬
    감귤류는 신맛이 나는 이유는 카복실산인 시트르산을 포함하고 있기 때문입니다

    제조 및 반응

    • 알킬벤젠(예: 메틸벤젠)은 뜨거운 알칼리성 $\text{KMnO}_4$에 의해 산화된 후 희석 산소로 처리되어 벤조산을 생성합니다. 전체 측쇄가 $\text{–COOH}$ 그룹이 됩니다.
    • 카복실산은 $\text{PCl}_3$ 및 열, $\text{PCl}_5$, 또는 $\text{SOCl}_2$와 반응하여 아실 염화물을 만듭니다.
    Hot KMnO4는 고리에 있는 메틸 측사슬을 COOH기로 산화시켜 벤조산을 생성함
    뜨거운 KMnO4는 메틸 측면사슬을 COOH 그룹으로 산화함

    더 산화될 수 있는 산

    두 가지 카복실산은 여전히 산화될 수 있어 특별합니다:

    • 메탄산($\text{HCOOH}$)은 페링 시약이나 톨렌스 시액, 또는 산화된 $\text{KMnO}_4$ / $\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$에 의해 산소와 물로 산화됩니다.
    • 에탄산($\text{HOOCCOOH}$)은 따뜻한 산화된 $\text{KMnO}_4$에 의해 이산화탄소로 산화됩니다.

    상대적인 산도

    산도의 순서는 다음과 같습니다:

    $$\text{alcohol} < \text{phenol} < \text{carboxylic acid}$$

    카복실산이 가장 강합니다. 왜냐하면 $\text{H}^+$를 잃었을 때 음전하가 두 산소 원자 위에 퍼지기 때문에 이온이 매우 안정적이기 때문입니다. 페놀에서는 전하가 고리 내부로만 퍼지고, 알코올($\text{RO}^-$ 생성)에서는 전하가 전혀 퍼지지 않습니다.

    바닥의 알코올부터 페놀, 상단의 카복실산까지 3단계 스케일로 각 아니온이 음전하를 얼마나 넓게 퍼뜨리는지 보여줌
    알코올에서 페놀, 그리고 카복실산으로 갈수록 산도가 증가합니다: 공유염기의 음전하가 더 넓게 퍼질수록 이온이 더 안정적이며, 따라서 산이 더 강합니다

    염소 원자는 카복실산을 더 강하게 만듭니다. 염소는 전자 끌어당김 성질을 가지고 있으며, 유도 효과를 통해 전자 밀도를 away로 당겨 음전하를 퍼뜨리고 이온을 안정화하는 데 도움을 줍니다. 따라서 더 많은 염소 원자($\text{–COOH}$에 가까울수록일수록)는 더 강한 산을 만듭니다.

    Explore · ⁨탐색하기⁩

    Carboxylic acid A2 map · ⁨카복실산 A2 지도⁩

    Follow carboxylic acids through acyl derivatives and salts. · ⁨카복실산은 아실 유도체 및 염을 통해 따름.⁩

    Vocabulary · ⁨어휘⁩ Train · ⁨연습하기⁩
    English 한국어
    carboxylic acid/ˌkɑːbəkˈsɪlɪk ˈæsɪd/ 카복실산
    acidity/æˈsɪdɪti/ 산성도
    phenol/ˈfenɒl/ 페놀
    alcohol/ˈælkəhɒl/ 알코올
    electron-withdrawing/ɪˈlektrɒn wɪθˈdrɔːɪŋ/ 전자吸引기
    inductive effect/ɪnˈdʌktɪv ɪˈfekt/ 유도 효과
    ester/ˈestə/ 에스터
    ammonia/æˈməʊnɪə/ 암모니아
    amide/əˈmaɪd/ 아미드
    amine/ˈæmaɪn/ 아민
    addition–elimination/əˈdɪʃn ɪˌlɪmɪˈneɪʃn/ 첨가-탈리 반응
    hydrolysis/haɪˈdrɒləsɪs/ 가수분해(hydrolysis)
    33.2

    Esters · ⁨에스터⁩

    Syllabus
    English
    1. recall the reaction by which esters can be produced: (a) reaction of alcohols with acyl chlorides using the formation of ethyl ethanoate and phenyl benzoate as examples
    한국어
    1. 에스터가 생성되는 반응을 기억하시오: (a) 알코올과 아실 염화물의 반응(에틸 아세테이트 및 페닐 벤조에이트 형성을 예시로 사용)

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

    English

    An alcohol (or phenol) reacts with an acyl chloride at room temperature to give an ester 酯 and $\text{HCl}$. Examples are ethyl ethanoate (from ethanol) and phenyl benzoate (from phenol).

    한국어

    알코올(또는 페놀)은 실온에서 아실 염화물과 반응하여 에스터와 $\text{HCl}$를 생성합니다. 예로는 에탄올로부터 얻는 에틸 에타노이트와 페놀로부터 얻는フェ닐 벤조에이트가 있습니다.

    아스피린 정제 병
    아스피린은 살리실산으로부터 만든 에스터입니다
    Explore · ⁨탐색하기⁩

    Ester A2 reaction map · ⁨에스터 A2 반응도⁩

    Compare ester formation, hydrolysis and transesterification routes. · ⁨에스터 형성, 가수분해 및 트랜스에스터화 경로를 비교하십시오.⁩

    33.3

    Acyl chlorides · ⁨아실 염화물⁩

    Syllabus
    English
    1. recall the reactions (reagents and conditions) by which acyl chlorides can be produced: (a) reaction of carboxylic acids with $\text{PCl}_3$ and heat, $\text{PCl}_5$ or $\text{SOCl}_2$
    2. describe the following reactions of acyl chlorides: (a) hydrolysis on addition of water at room temperature to give the carboxylic acid and $\text{HCl}$ (b) reaction with an alcohol at room temperature to produce an ester and $\text{HCl}$ (c) reaction with phenol at room temperature to produce an ester and $\text{HCl}$ (d) reaction with ammonia at room temperature to produce an amide and $\text{HCl}$ (e) reaction with a primary or secondary amine at room temperature to produce an amide and $\text{HCl}$
    3. describe the addition–elimination mechanism of acyl chlorides in reactions in 33.3.2(a)–(e)
    4. explain the relative ease of hydrolysis of acyl chlorides, alkyl chlorides and halogenoarenes (aryl chlorides)
    한국어
    1. 아실 염화물이 생성되는 반응(시약 및 조건)을 기억하시오: (a) 카복실산과 $\text{PCl}_3$ 및 가열, $\text{PCl}_5$ 또는 $\text{SOCl}_2$의 반응
    2. 아실 염화물의 다음 반응을 서술하십시오: (a) 상온에서 물 추가 시 가수분해되어 카복실산과 $\text{HCl}$ 생성 (b) 상온에서 알코올과 반응하여 에스터와 $\text{HCl}$ 생성 (c) 상온에서 페놀과 반응하여 에스터와 $\text{HCl}$ 생성 (d) 상온에서 암모니아와 반응하여 아마이드와 $\text{HCl}$ 생성 (e) 상온에서 일차 또는 이차 아민과 반응하여 아마이드와 $\text{HCl}$ 생성
    3. 33.3.2(a)–(e)의 반응에서 아실 염화물의 가입-제거 기전(addition–elimination mechanism) 을 서술하시오
    4. 아실 염화물, 알킬 염화물 및 할로겐아릴염화물(아릴 클로라이드)의 가수분해 용이도의 차이를 설명하시오

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

    English

    Acyl chlorides are made from carboxylic acids (with $\text{PCl}_3$, $\text{PCl}_5$ or $\text{SOCl}_2$). They are very reactive. At room temperature they react with:

    Reactant Product (plus $\text{HCl}$)
    water the carboxylic acid
    an alcohol an ester
    phenol an ester
    ammonia 氨 an amide 酰胺
    a primary or secondary amine 胺 an amide

    The addition–elimination mechanism

    All these reactions follow an addition–elimination 加成消去 mechanism: a nucleophile first adds to the slightly positive carbonyl carbon, then $\text{HCl}$ is eliminated.

    Ease of hydrolysis

    Compare how easily three chlorides react with water (hydrolysis 水解):

    $$\text{acyl chloride} \gg \text{alkyl chloride} \gg \text{aryl chloride}$$

    An acyl chloride reacts violently with cold water; an alkyl chloride reacts slowly; an aryl chloride (halogenoarene) does not react, because its C–Cl bond is strengthened by the ring.

    Worked example. Ethanoyl chloride reacts violently with cold water, while ethyl ethanoate needs prolonged reflux with acid or alkali. Explain the difference. Both are attacked at the carbonyl carbon, so compare how open that carbon is to attack and how good the leaving group is. In ethanoyl chloride the chlorine is strongly electronegative and withdraws electrons, making the carbonyl carbon much more $\delta+$ and so far more open to a nucleophile; and $\text{Cl}^{-}$, the anion of a strong acid, is a good leaving group. In the ester the $\text{–OR}$ oxygen donates a lone pair into the carbonyl, reducing that $\delta+$ charge, and $\text{RO}^{-}$ is a poor leaving group. So the acyl chloride hydrolyses far more easily. Argue from both the $\delta+$ on the carbon and the leaving group: either one alone is usually only half the marks.

    한국어

    아실 염화물은 카복실산($\text{PCl}_3$, $\text{PCl}_5$ 또는 $\text{SOCl}_2$ 포함)으로부터制备됩니다. 그들은 매우 반응성이 높습니다. 실온에서 다음과 반응합니다:

    시약 생성물 ( plus $\text{HCl}$)
    물 카복실산
    알코올 에스터
    페놀 에스터
    암모니아 아마이드
    일차 또는 이차 아민 아미드
    아실 염화물이 중심에 있고 물, 알코올, 페놀, 암모니아 및 아민과의 생성물로 가는 화살표가 있음
    아실 염화물은 매우 반응성이 높습니다: 물, 알코올, 페놀, 암모니아 또는 아민과 반응하면 표시된 생성물과 HCl을 만듭니다

    첨가-제거 기전

    이 모든 반응은 첨가-제거 기전을 따릅니다: 핵반응제가 먼저 약간의 양전하를 띤 카보닐 탄소에게 첨가되고, 이후 $\text{HCl}$가 제거됩니다.

    아실 염화물 기전: 핵반응제가 카보닐 탄소에 첨가하여 사면체 중간체를 형성하고, 이후 염화수소가 HCl로 빠져나감
    첨가-제거: 핵반응제가 $\delta+$ 카보닐 탄소에 첨가된 후 C=O가 재형성되고 Cl$^-$이 HCl로 이탈함

    가수분해 용이성

    세 가지 염화물이 물과 반응하기 쉬운 정도를 비교합니다(가수분해):

    $$\text{acyl chloride} \gg \text{alkyl chloride} \gg \text{aryl chloride}$$

    아실 염화물은 찬 물과 격렬하게 반응하지만, 알킬 염화물은 천천히 반응하고, 아릴 염화물(할로겐아르엔)은 반응하지 않습니다. 이는 고리에 의해 C–Cl 결합이 강화되기 때문입니다.

    작은 문제 풀이. 에탄oyl chloride은 찬 물과 격렬하게 반응하는 반면, 에틸 에타노이트는 산 또는 염기 존재 하에 장시간 환류가 필요합니다. 차이를 설명하십시오. 둘 다 카보닐 탄소에서 공격받으므로, 해당 탄소가 공격에 얼마나 개방되어 있는지와 departing group이 얼마나 좋은지를 비교하십시오. 에탄oyl chloride에서는 염소가 강하게 전기음성도를 가지고 전자를 빼앗아 카보닐 탄소를 훨씬 더 $\delta+$로 만들고 핵반응제의 공격에 훨씬 더 개방되게 하며, 또한 $\text{Cl}^{-}$은 강력한 산의 아니온으로서 좋은 departing group입니다. 에스터에서는 $\text{–OR}$ 산소가 고립전자쌍을 카보닐로 공여하여 그 $\delta+$ 전하를 감소시키고, $\text{RO}^{-}$은 나쁜 departing group입니다. 따라서 아실 염화물은 훨씬 더 쉽게 가수분해됩니다. 탄소에 대한 $\delta+$ 및 departing group의 관점에서 모두 논증하십시오: 보통 하나만 언급하면 점수의 절반만 받습니다.

    Explore · ⁨탐색하기⁩

    Acyl chloride reaction map · ⁨아실 클로라이드 반응도⁩

    Follow why acyl chlorides are reactive acylating agents. · ⁨아실 클로라이드가 반응성 있는 아실화제인 이유를 따르십시오.⁩

    Vocabulary · ⁨어휘⁩ Train · ⁨연습하기⁩
    English 한국어
    alkylbenzene/ˈælkɪlbenziːn/ 알킬 벤젠
    benzoic acid/benˈzəʊɪk ˈæsɪd/ 벤조산
    acyl chloride/əˈkɪl ˈklɔːraɪd/ 아실 염화물
    33.3

    Exam tips · ⁨시험 팁⁩

    English
    • Acyl chlorides are very reactive — learn their products with water (HCl), alcohols (esters), ammonia (amides) and amines.
    • Reactivity order of derivatives: acyl chloride > ester > amide.
    • Acid strength: electron-withdrawing groups (e.g. Cl) increase it — explain via the carboxylate ion.
    한국어
    • 아실 염화물은 매우 반응성이 높습니다: 물(HCl), 알코올(에스터), 암모니아(아미드) 및 아민과의 생성물을 외우십시오.
    • 유도체의 반응성 순서: 아실 염화물 > 에스터 > 아미드.
    • 산의 강도: 전자 끌어당김 그룹(Cl 등)은 증가시킵니다 - 카복실레이트 이온을 통해 설명하십시오.
  • 34

    Nitrogen compounds

    Watch lesson · ⁨수업 보기⁩
    34.1

    Primary and secondary amines

    Syllabus
    English
    1. recall the reactions (reagents and conditions) by which primary and secondary amines are produced: (a) reaction of halogenoalkanes with $\text{NH}_3$ in ethanol heated under pressure (b) reaction of halogenoalkanes with primary amines in ethanol, heated in a sealed tube/under pressure (c) the reduction of amides with $\text{LiAlH}_4$ (d) the reduction of nitriles with $\text{LiAlH}_4$ or $\text{H}_2/\text{Ni}$
    2. describe the condensation reaction of ammonia or an amine with an acyl chloride at room temperature to give an amide
    3. describe and explain the basicity of aqueous solutions of amines
    한국어
    1. 일차 및 이차 아민이 생성되는 반응(시약 및 조건)을 기억하십시오: (a) 할로알카네를duplicate ethanol 중에서 압력 하에 가열하여 $\text{NH}_3$과 반응 (b) 할로알카네를duplicate ethanol 중에서 밀폐된 튜브/압력 하에 가열하여 일차 아민과 반응 (c) 아마이드를 $\text{LiAlH}_4$로 환원 (d) 니트릴을 $\text{LiAlH}_4$ 또는 $\text{H}_2/\text{Ni}$로 환원
    2. 암모니아 또는 아민이 상온에서 아실 염화물과 축합 반응하여 아미드를 생성함을 서술하시오
    3. 아민 수용액의 염기성을 서술하고 설명하시오

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

    An amine 胺 has an $\text{–NH}_2$ (primary) or $\text{–NH}$ (secondary) group.

    A primary amine has -NH2; a secondary amine has -NH between two carbons
    A primary amine has -NH2; a secondary amine has -NH-

    Making amines

    • a halogenoalkane 卤代烷 with $\text{NH}_3$ in ethanol, heated under pressure → a primary amine.
    • a halogenoalkane with a primary amine, heated under pressure → a secondary amine.
    • reduction 还原 of an amide 酰胺 with $\text{LiAlH}_4$.
    • reduction of a nitrile 腈 with $\text{LiAlH}_4$ or $\text{H}_2/\text{Ni}$.
    Two routes: a halogenoalkane with ammonia, or reducing a nitrile
    Two routes to an amine: from a halogenoalkane, or by reducing a nitrile

    An amine (or ammonia 氨) reacts with an acyl chloride in a condensation 缩合 reaction to give an amide. The reagent is an acyl chloride 酰氯.

    Basicity of amines

    The basicity 碱性 of an amine comes from the lone pair on its nitrogen, which can accept an $\text{H}^+$ from water.

    Explore · ⁨탐색하기⁩

    Amine type lab · ⁨아민 유형 실험실⁩

    Classify amines by substitution at nitrogen and basic behaviour. · ⁨질소의 치환 및 염기적 거동에 따라 아민을 분류하십시오.⁩

    Vocabulary · ⁨어휘⁩ Train · ⁨연습하기⁩
    English 한국어
    amine/ˈæmaɪn/ 아민
    halogenoalkane/ˈheɪləʊdʒnəʊlkeɪn/ 할로젠알케인
    reduction/rɪˈdʌkʃn/ 환원
    amide/əˈmaɪd/ 아미드
    nitrile/ˈnaɪtraɪl/ 니트릴
    ammonia/æˈməʊnɪə/ 암모니아
    condensation/kɒndenˈseɪʃn/ 축합 반응
    acyl chloride/əˈkɪl ˈklɔːraɪd/ 아실 염화물
    basicity/beɪˈsɪsɪti/ 염기성
    34.2

    Phenylamine and azo compounds

    Syllabus
    English
    1. describe the preparation of phenylamine via the nitration of benzene to form nitrobenzene followed by reduction with hot Sn/concentrated $\text{HCl}$ followed by $\text{NaOH(aq)}$
    2. describe: (a) the reaction of phenylamine with $\text{Br}_2\text{(aq)}$ at room temperature (b) the reaction of phenylamine with $\text{HNO}_2$ or $\text{NaNO}_2$ and dilute acid below $10\text{ }^\circ\text{C}$ to produce the diazonium salt; further warming of the diazonium salt with $\text{H}_2\text{O}$ to give phenol
    3. describe and explain the relative basicities of aqueous ammonia, ethylamine and phenylamine
    4. recall the following about azo compounds: (a) describe the coupling of benzenediazonium chloride with phenol in $\text{NaOH(aq)}$ to form an azo compound (b) identify the azo group (c) state that azo compounds are often used as dyes (d) that other azo dyes can be formed via a similar route
    한국어
    1. 페닐아민의 제조법을 서술하시오: 벤젠의 질산화를 통해 니트로벤젠을 생성한 뒤, 뜨거운 Sn/농도 $\text{HCl}$로 환원한 후 $\text{NaOH(aq)}$ 처리
    2. 다음을 서술하시오: (a) 상온에서 페닐아민과 $\text{Br}_2\text{(aq)}$의 반응 (b) 페닐아민을 $\text{HNO}_2$ 또는 $\text{NaNO}_2$ 및 희석 산과 함께 $10\text{ }^\circ\text{C}$ 이하에서 반응시켜 디아조늄 염을 생성함; 디아조늄 염을 더 가열하여 $\text{H}_2\text{O}$와 반응시켜 페놀을 얻음
    3. 수용성 암모니아, 에틸아민 및 페닐아민의 상대적 염기성을 서술하고 설명하시오
    4. 아조 화합물에 대해 다음을 기억하시오: (a) 벤젠디아조늄 염화물을 알칼리성 $\text{NaOH(aq)}$ 중의 페놀과 결합시켜 아조 화합물을 형성함 서술 (b) 아조 기 식별 (c) 아조 화합물이 종종 염료로 사용됨 진술 (d) 유사한 경로를 통해 다른 아조 염료를 생성할 수 있음

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

    Making phenylamine

    Make phenylamine 苯胺 from benzene in two steps: nitrate benzene to nitrobenzene, then reduce it with hot $\text{Sn}$ and concentrated $\text{HCl}$, followed by $\text{NaOH(aq)}$.

    Reactions

    • with bromine water at room temperature → 2,4,6-tribromophenylamine (a white precipitate). The ring is activated, like phenol.
    • with $\text{HNO}_2$ (from $\text{NaNO}_2$ and dilute acid) below $10\,°\text{C}$ → a diazonium salt; warming this with water gives phenol.

    Relative basicity

    $$\text{phenylamine} < \text{ammonia} < \text{ethylamine}$$

    Ethylamine is the strongest base: its alkyl group pushes electron density onto the nitrogen, making the lone pair more available. Phenylamine is the weakest, because its lone pair is delocalised 离域 into the benzene ring, so it is less available to accept an $\text{H}^+$.

    Phenylamine, ammonia and ethylamine along a basicity scale, with the ring pulling the lone pair away in phenylamine and the alkyl group pushing electrons in ethylamine
    Basicity depends on the nitrogen lone pair: an alkyl group makes it more available (ethylamine strongest), a benzene ring pulls it away (phenylamine weakest)

    Azo compounds

    A diazonium salt 重氮盐 (benzenediazonium chloride) couples with phenol 苯酚 in $\text{NaOH(aq)}$ to form an azo compound 偶氮化合物. The azo group is $\text{–N=N–}$. Azo compounds are brightly coloured and are often used as dye 染料s; many other azo dyes are made the same way.

    A small pile of bright orange methyl orange dye powder on a pale background
    Methyl orange, a bright orange azo dye; the strong colour comes from the $\text{–N=N–}$ azo group, which is why azo compounds are so widely used as dyes

    Worked example. An amino acid has an isoelectric point of pH 6.0. Give its charge, and the electrode it moves towards in electrophoresis, at pH 2, at pH 6.0 and at pH 11. Compare the solution's pH with the isoelectric point each time. At pH 2, well below it, the solution is acidic, so the $\text{–NH}_2$ gains an $\text{H}^{+}$: the amino acid is positive and moves to the cathode (negative electrode). At pH 6.0, exactly its isoelectric point, it is the zwitterion with no net charge, so it does not move. At pH 11, well above it, the $\text{–COOH}$ loses its $\text{H}^{+}$: the amino acid is negative and moves to the anode. Compare the pH with the isoelectric point, never with 7 - and note the zwitterion still carries both charges, it simply has no net charge.

    Explore · ⁨탐색하기⁩

    Phenylamine to azo dye route · ⁨페닐아민에서 아조 염료 경로⁩

    Follow phenylamine from diazotisation to coloured azo compound. · ⁨디아조화에서 색-containing 아조 화합물까지 페닐아민을 따르십시오.⁩

    Vocabulary · ⁨어휘⁩ Train · ⁨연습하기⁩
    English 한국어
    phenylamine/ˌfiːˈnaɪləmiːn/ 페닐아민
    delocalised/dɪˈlɒkəlaɪzd/ 비국소화된
    diazonium salt/ˌdaɪəˈzəʊnɪəm sɒlt/ 디아조늄 염
    phenol/ˈfenɒl/ 페놀
    azo compound/ˈɑːzəʊ ˈkɒmpaʊnd/ 아조 화합물
    dye/daɪ/ 색소
    34.3

    Amides

    Syllabus
    English
    1. recall the reactions (reagents and conditions) by which amides are produced: (a) the reaction between ammonia and an acyl chloride at room temperature (b) the reaction between a primary amine and an acyl chloride at room temperature
    2. describe the reactions of amides: (a) hydrolysis with aqueous alkali or aqueous acid (b) the reduction of the CO group in amides with $\text{LiAlH}_4$ to form an amine
    3. state and explain why amides are much weaker bases than amines
    한국어
    1. 아마이드가 생성되는 반응(시약 및 조건)을 기억하십시오: (a) 상온에서 암모니아와 아실 염화물의 반응 (b) 상온에서 일차 아민과 아실 염화물의 반응
    2. 아마이드의 반응을 서술하십시오: (a) 수용성 알칼리 또는 수용성 산과 함께 가수분해 (b) 아마이드의 CO 그룹을 $\text{LiAlH}_4$로 환원하여 아민 생성
    3. 아미드가 아민보다 훨씬 약한 염기인 이유를 진술하고 설명하시오

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

    An amide is made from ammonia or a primary amine with an acyl chloride at room temperature.

    A bottle of paracetamol tablets
    Paracetamol is a common painkiller that contains the amide group (–CONH–)

    Its reactions:

    • hydrolysis with aqueous acid or alkali, giving the carboxylic acid (or its salt) and the amine (or ammonium).
    • reduction of the C=O group with $\text{LiAlH}_4$ to give an amine.

    An amide is a much weaker base than an amine, because the nitrogen lone pair is delocalised onto the neighbouring C=O group, so it is not available to accept an $\text{H}^+$.

    Explore · ⁨탐색하기⁩

    Amide formation route · ⁨아마이드 형성 경로⁩

    Follow acyl chloride or acid derivative to an amide. · ⁨아실 클로라이드 또는 산 유도체를 따라 아마이드로 연결합니다.⁩

    34.4

    Amino acids

    Syllabus
    English
    1. describe the acid/base properties of amino acids and the formation of zwitterions, to include the isoelectric point
    2. describe the formation of amide (peptide) bonds between amino acids to give di- and tripeptides
    3. interpret and predict the results of electrophoresis on mixtures of amino acids and dipeptides at varying pHs (the assembling of the apparatus will not be tested)
    한국어
    1. 아미노산의 산/염기 성질과 지용이온(zwitterions) 의 형성을 서술하시오. 등전점(isoelectric point) 포함
    2. 아미노산 간 아미드(펩타이드) 결합 형성을 서술하여 디펩타이드 및 트립еп티드 형성
    3. 다양한 pH에서의 아미노산 및 디펩타이드 혼합물에 대한 전기영동(electrophoresis) 결과를 해석하고 예측하시오(장비 조립은 시험 대상 아님)

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

    An amino acid 氨基酸 has both a basic $\text{–NH}_2$ group and an acidic $\text{–COOH}$ group.

    Zwitterions and the isoelectric point

    The $\text{–COOH}$ can give its $\text{H}^+$ to the $\text{–NH}_2$ in the same molecule, forming a zwitterion 两性离子 ($\text{H}_3\text{N}^+\text{–CHR–COO}^-$) — an ion with both a positive and a negative end but no overall charge.

    • in acid (low pH), the amino acid gains $\text{H}^+$ and becomes positive.
    • in alkali (high pH), it loses $\text{H}^+$ and becomes negative.
    • at one special pH, the isoelectric point 等电点, it is mostly the zwitterion with no net charge.
    An amino acid drawn three ways: positively charged in acid, a neutral zwitterion at the isoelectric point, and negatively charged in alkali
    An amino acid's charge depends on pH: positive in acid, the neutral zwitterion at the isoelectric point, negative in alkali

    Peptide bonds

    Two amino acids join in a condensation reaction: the $\text{–COOH}$ of one and the $\text{–NH}_2$ of the other react, losing water and forming a peptide bond 肽键 (an amide link). Two amino acids give a dipeptide 二肽, three give a tripeptide.

    Two amino acids condensing: the OH from one carboxyl and the H from the other amino group leave as water, forming a peptide bond
    Two amino acids condense: the –OH from one –COOH and the –H from the other –NH$_2$ leave as water, forming the peptide (amide) bond

    Electrophoresis

    In electrophoresis 电泳, a mixture is placed in an electric field at a chosen pH:

    • above its isoelectric point, an amino acid is negative and moves to the positive electrode.
    • below its isoelectric point, it is positive and moves to the negative electrode.
    • at its isoelectric point, it does not move. So different amino acids separate.
    A gel strip with a negative and a positive electrode: a positive amino acid moves towards the negative electrode, a negative one towards the positive, and a neutral one stays put
    Electrophoresis at a chosen pH: a positive amino acid moves to the negative electrode, a negative one to the positive, and a neutral one stays — so they separate
    Explore · ⁨탐색하기⁩

    Amino acid lab · ⁨아미노산 실험⁩

    Classify amino acid behaviour by the group that reacts. · ⁨반응하는 기능기에 따라 아미노산의 성질을 분류함.⁩

    Vocabulary · ⁨어휘⁩ Train · ⁨연습하기⁩
    English 한국어
    amino acid/əˈmiːnəʊ ˈæsɪd/ 아미노산
    zwitterion/zwɪˈtɪərɪən/ 지트리오니온
    isoelectric point/ˌaɪsəʊˈlektrɪk pɔɪnt/ 등전점
    peptide bond/ˈpeptaɪd bɒnd/ 펩타이드 결합
    dipeptide/ˈdaɪpptaɪd/ 디펩타이드
    electrophoresis/ɪˌlektrəʊfɔːˈriːsɪs/ 전기 영동
    34.4

    Exam tips

    • Phenylamine is a weaker base than aliphatic amines because the N lone pair delocalises into the ring.
    • Diazotisation ($\text{NaNO}_2$/HCl, below $10\ ^\circ\text{C}$) then coupling gives azo dyes — learn the conditions and the coloured product.
    • Amino acids are zwitterions (both $-\text{NH}_2$ and $-\text{COOH}$), so they are amphoteric; describe behaviour either side of the isoelectric point.
  • 35

    Polymerisation

    Watch lesson · ⁨수업 보기⁩
    35.1

    Condensation polymerisation · ⁨탈수중합(Condensation polymerisation)⁩

    Syllabus
    English
    1. describe the formation of polyesters: (a) the reaction between a diol and a dicarboxylic acid or dioyl chloride (b) the reaction of a hydroxycarboxylic acid
    2. describe the formation of polyamides: (a) the reaction between a diamine and a dicarboxylic acid or dioyl chloride (b) the reaction of an aminocarboxylic acid (c) the reaction between amino acids
    3. deduce the repeat unit of a condensation polymer obtained from a given monomer or pair of monomers
    4. identify the monomer(s) present in a given section of a condensation polymer molecule
    한국어
    1. 폴리에스터의 형성을 서술하시오: (a) 디올과 디카복실산 또는 디아실 염화물 간의 반응 (b) 하이드록시카복실산의 반응
    2. 폴리아미드의 형성을 서술하시오: (a) 다이아민과 디카복실산 또는 디아실 염화물 간의 반응 (b) 아미노카복실산의 반응 (c) 아미노산 간의 반응
    3. 주어진 모노머 또는 모노머 쌍으로부터 얻어지는 축합 고분자의 반복 단위(repeat unit) 를 추론하시오
    4. 주어진 축합 고분자 분자의 특정 구간에 존재하는 모노머를 식별하시오

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

    English

    In condensation polymerisation 缩合聚合, monomers join into a long chain and a small molecule (such as water or $\text{HCl}$) is lost each time a new bond forms. Each monomer needs two reactive groups, so the chain can grow at both ends.

    Polyesters

    A polyester 聚酯 has many ester links along its chain. You can make one from:

    • a diol 二醇 (two $\text{–OH}$ groups) and a dicarboxylic acid 二羧酸 (two $\text{–COOH}$ groups), or a dioyl chloride.
    • a single hydroxycarboxylic acid, which has both an $\text{–OH}$ and a $\text{–COOH}$.

    Polyamides

    A polyamide 聚酰胺 has many amide links. You can make one from:

    • a diamine 二胺 (two $\text{–NH}_2$ groups) and a dicarboxylic acid or a dioyl chloride.
    • a single aminocarboxylic acid, or from amino acids 氨基酸 joining together (proteins are natural polyamides).

    Repeat units and monomers

    The repeat unit 重复单元 of a condensation polymer contains parts of both monomers, minus the atoms lost as the small molecule. To find the monomers 单体 from a section of polymer, break the chain at each ester or amide link, then add back $\text{–OH}$ and $\text{–H}$ (or $\text{–Cl}$).

    Worked example. A polymer chain contains repeating $\text{–CONH–}$ links. Name the type of polymer, identify the monomers, and give the small molecule lost. A $\text{–CONH–}$ link is an amide, so this is a polyamide made by condensation polymerisation. To find the monomers, break the chain at each amide link and give the cut ends their atoms back: the carbon side takes $\text{–OH}$, making a dicarboxylic acid, and the nitrogen side takes $\text{–H}$, making a diamine. The small molecule lost at each link is water (or $\text{HCl}$, if an acyl dichloride was used in place of the acid). Each monomer must have two functional groups, or the chain could never keep growing - if the monomer you propose has only one, you have broken the chain in the wrong place.

    한국어

    탈수중합에서 단량체가 긴 사슬로 연결될 때마다 새로운 결합 형성에 따라 작은 분자(물 또는 $\text{HCl}$ 등)가 하나씩 빠진다. 각 단량체는 두 개의 반응성 기를 가져야 하므로 사슬이 양쪽 끝으로 성장할 수 있다.

    카복실기가 하이드록실기와 결합하여 에스터 결합과 물 분자를 방출하고, 카복실기가 아민과 결합하여 아마이드 결합과 물 분자를 방출하는 과정
    축합 결합: 폴리에스터는 에스터 결합을 형성하고, 폴리아마이드는 아미드 결합을 형성하며, 각 새로운 결합이 작은 분자(여기서는 물)를 방출함

    폴리에스터

    폴리에스터는 사슬 전체에 많은 에스터 결합을 포함합니다. 다음으로 만들 수 있습니다:

    • 다이올(두 $\text{–OH}$ 그룹)과 디카르복실산(두 $\text{–COOH}$ 그룹), 또는 디아실 염화물.
    • 단일 하이드록시카르복실산으로, 이는 $\text{–OH}$과 $\text{–COOH}$을 모두 가집니다.
     Crushed clear plastic drink bottles의 뭉치
    PET 음료병은 폴리에스터인 축합 고분자입니다. 여기서는 재활용을 위해 수집된 상태입니다

    폴리아마이드

    폴리아마이드는 많은 아미드 결합을 포함합니다. 다음으로 만들 수 있습니다:

    • 다이아민(두 $\text{–NH}_2$ 그룹)과 디카르복실산 또는 디아실 염화물.
    • 단일 아ミノ카르복실산, 또는 아미노산들이 결합하는 경우(단백질은 천연 폴리아마이드임).
     비커에서 위로 당겨져 있는 분홍색 나일론 실, 액체 표면에서 연속적인 실로 형성됨
    '나일론 로프 트릭': 나일론(폴리아마이드)은 두 반응 용액이 만나는 곳에서 형성되므로, 한 줄의 긴 실을 빼낼 수 있습니다(여기에서는 추가된 지시약 때문에 분홍색입니다)

    반복 단위와 단량체

    축합 고분자의 반복 단위에는 두 단량체의 일부가 포함되어 있으며, 작은 분자가 빠진 원자들은 제외됩니다. 고분자의 일부분에서 단량체를 찾는 법은 에스터 또는 아미드 결합마다 사슬을 끊고, $\text{–OH}$과 $\text{–H}$(또는 $\text{–Cl}$)을 다시 붙이는 것입니다.

     에스터 결합에서 끊어진 폴리에스터 사슬 및 끊어진 끝部分에 -OH와 -H를 다시 붙여 다이올과 디카르복실산 단량체를 회수한 모습
    단량체를 찾기 위해 결합마다 사슬을 끊고 끊어진 끝部分에 –OH와 –H를 다시 붙입니다—여기서는 다이올과 디카르복실산을 제공합니다

    해설 예제. 고분자 사슬에 반복되는 $\text{–CONH–}$ 결합이 포함되어 있습니다. 이 고분자의 종류를 named하고, 단량체를 식별하며, 빠진 작은 분자를 쓰십시오. $\text{–CONH–}$ 결합은 아미드이므로, 이는 축합 중합으로 만들어진 폴리아마이드입니다. 단량체를 찾기 위해 각 아미드 결합마다 사슬을 끊고 끊어진 끝部分에 원자를 다시 부여합니다: 탄소 측에는 $\text{–OH}$을 받아 디카르복실산이 되고, 질소 측에는 $\text{–H}$을 받아 다이아민이 됩니다. 각 결합에서 빠진 작은 분자는 물이며(또는 산 대신 아실 염화물이 사용되었을 경우 $\text{HCl}$), 각 단량체는 반드시 두 개의 기능기를 가져야 합니다. 그렇지 않으면 사슬은 더 이상 자라지 못합니다—만약 제안한 단량체가 하나만 가진다면, 사슬을 잘못 끊은 것입니다.

    Explore · ⁨탐색하기⁩

    Condensation polymer route · ⁨중합 고분자 경로⁩

    Watch monomers join while a small molecule leaves each time. · ⁨모노머가 결합할 때마다 작은 분자가 빠져나가는 과정을 관찰하십시오.⁩

    Vocabulary · ⁨어휘⁩ Train · ⁨연습하기⁩
    English 한국어
    condensation polymerisation/kɒndenˈseɪʃn ˌpɒlɪməraɪˈzeɪʃn/ 축중중합
    polyester/ˌpɒlɪˈestə/ 폴리에스터
    diol/dɪˈɒl/ 다이올(diols)
    dicarboxylic acid/ˌdɪkɑːbəkˈsɪlɪk ˈæsɪd/ 이कारboxylic 산 (디카복실산)
    polyamide/ˌpɒlɪˈeɪmaɪd/ 폴리아미드
    diamine/ˈdaɪəmaɪn/ diamine
    amino acid/əˈmiːnəʊ ˈæsɪd/ 아미노산
    repeat unit/rɪˈpiːt ˈjuːnɪt/ 반복 단위
    monomer/ˈmɒnəʊmə/ 단량체
    addition polymerisation/əˈdɪʃn ˌpɒlɪməraɪˈzeɪʃn/ 가중중합
    poly(alkene)/ˈpɒlɪ/ poly(alkene)
    biodegradable/ˌbaɪəʊdɪˈɡreɪdəbl/ 생분해성
    hydrolysis/haɪˈdrɒləsɪs/ 가수분해(hydrolysis)
    35.2

    Predicting the type of polymerisation · ⁨중합 유형 예측하기⁩

    Syllabus
    English
    1. predict the type of polymerisation reaction for a given monomer or pair of monomers
    2. deduce the type of polymerisation reaction which produces a given section of a polymer molecule
    한국어
    1. 주어진 모노머 또는 모노머 쌍에 대한 중합 반응 유형을 예측하시오
    2. 주어진 고분자 분자의 특정 구간을 생성하는 중합 반응 유형을 추론하시오

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

    English
    Clue Type
    the monomer has a C=C double bond, and nothing else is lost addition polymerisation 加成聚合
    each monomer has two functional groups, and a small molecule is lost; the chain has ester or amide links condensation polymerisation
    한국어
    단서 유형
    단량체에 C=C 이중결합이 있고 다른 것은 빠지지 않음 가중 중합
    각 단량체에 두 개의 기능기가 있고, 작은 분자가 빠지며, 사슬에 에스터 또는 아미드 결합이 있음 축합 중합
     가중 중합(C=C가 열리고 무언가가 빠지지 않음)과 축합 중합(두 기능기 단량체가 결합하고 작은 분자가 빠짐)을 비교하는 두 개의 패널
    두 종류의 중합: 가중 중합은 C=C를 열고 아무것도 잃지 않으며, 축합 중합은 두 기능기 단량체를 결합시키고 작은 분자를 잃습니다
    Explore · ⁨탐색하기⁩

    Polymerisation type lab · ⁨중합 종류 실험⁩

    Classify monomers by whether they form addition or condensation polymers. · ⁨단량체가 가중 중합인지 축합 중합을 만드는지 분류한다.⁩

    35.3

    Degradable polymers · ⁨생분해성 고분자⁩

    Syllabus
    English
    1. recognise that poly(alkenes) are chemically inert and can therefore be difficult to biodegrade
    2. recognise that some polymers can be degraded by the action of light
    3. recognise that polyesters and polyamides are biodegradable by acidic and alkaline hydrolysis
    한국어
    1. 폴리(알켄)은 화학적으로 비활성이며, 이로 인해 생분해가 어려울 수 있음을 인식한다
    2. 일부 고분자가 빛의 작용에 의해 분해될 수 있음을 인식한다
    3. 폴리에스터와 폴리아미드가 산 및 염기성 수해에 의해 생분해됨을 인식한다

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

    English
    • poly(alkene)s 聚烯烃 are chemically inert — they have only strong, non-polar C–C and C–H bonds, so they are hard to biodegrade 可生物降解 and last a long time.
    • some polymers are made so that light can break them down (they are photodegradable).
    • polyesters and polyamides are biodegradable, because their ester and amide links can be broken by acidic or alkaline hydrolysis 水解.
    한국어
    • 폴리알켄은 화학적으로 비활성입니다—강하고 극성이 없는 C–C 및 C–H 결합만 가지므로 생분해되기 어렵고 오래 지속됩니다.
    • 빛에 의해 분해되도록 설계된 일부 고분자가 있습니다(광분해성).
    • 폴리에스터와 폴리아마이드는 생분해성입니다. 그들 사이의 에스터 및 아미드 결합은 산성 또는 알칼리성 가수분해에 의해 파괴될 수 있기 때문입니다.
    Explore · ⁨탐색하기⁩

    Degradable polymer route · ⁨분해성 중합체 경로⁩

    Follow how polymer structure controls breakdown. · ⁨중합체 구조가 분해를 어떻게 제어하는지 추적한다.⁩

    35.3

    Exam tips · ⁨시험 팁⁩

    English
    • Condensation polymers (polyesters, polyamides) form with loss of a small molecule ($\text{H}_2\text{O}$ or HCl) — draw the repeat unit and the lost molecule.
    • Identify the monomers from the polymer by breaking the ester or amide link — a common question.
    • Predict the type from the monomers: a $\text{C}=\text{C}$ gives addition; two functional groups give condensation.
    • Polyesters and polyamides are hydrolysable (more degradable); addition polymers are not.
    한국어
    • 축합 고분자(폴리에스터, 폴리아마이드)는 작은 분자의 방출과 함께 생성됩니다($\text{H}_2\text{O}$ 또는 HCl)—반복 단위와 빠진 분자를 그리십시오.
    • 고분자로부터 단량체를 식별하기 위해 에스터 또는 아미드 결합을 끊으십시오—자주 출제되는 문제 유형입니다.
    • 단량체로부터 중합 유형을 예측: $\text{C}=\text{C}$은 가중 중합을, 두 개의 기능기는 축합 중합을 의미합니다.
    • 폴리에스터와 폴리아마이드는 가수분해 가능(더 쉽게 분해됨)한 반면, 가중 고분자는 그렇지 않습니다.
  • 36

    Organic synthesis

    Watch lesson · ⁨수업 보기⁩
    36.1

    Organic synthesis · ⁨유기 합성⁩

    Syllabus
    English
    1. for an organic molecule containing several functional groups: (a) identify organic functional groups using the reactions in the syllabus (b) predict properties and reactions
    2. devise multi-step synthetic routes for preparing organic molecules using the reactions in the syllabus
    3. analyse a given synthetic route in terms of type of reaction and reagents used for each step of it, and possible by-products
    한국어
    1. 여러 **官能团(functional groups)**을 포함하는 유기 분자에 대해: (a) 과목 요강의 반응을 사용하여 유기官能团을 식별 (b) 성질 및 반응 예측
    2. 과목 요강의 반응을 사용하여 유기 분자를制备하기 위한 **다단계 합성 경로(multi-step synthetic routes)**를 설계하시오.
    3. 주어진 합성 경로를 각 단계의 반응 유형, 사용된 시약, 그리고 가능한 부산물 관점에서 분석하시오.

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

    English

    Like the AS synthesis topic, this asks you to join up known reactions to build a target molecule. Now you also have the A Level reactions of arenes, phenol, amines, amides and acyl chlorides.

    Identifying functional groups

    A molecule may carry several functional group 官能团 types. Use the test reactions to spot each one, then predict its behaviour. For example:

    • decolourises bromine water with no catalyst, giving a white precipitate → a phenol or a phenylamine (the ring is activated).
    • reacts violently with cold water, giving fumes of $\text{HCl}$ → an acyl chloride 酰氯.
    • gives a purple colour with neutral $\text{FeCl}_3$ → a phenol 苯酚.

    A map of the A Level reactions

    Start Reagent and conditions Product
    benzene (an arene 芳烃) $\text{HNO}_3$ / $\text{H}_2\text{SO}_4$ (electrophilic substitution 亲电取代) nitrobenzene
    nitrobenzene $\text{Sn}$ / conc $\text{HCl}$, then $\text{NaOH}$ (reduction 还原) phenylamine
    phenylamine $\text{HNO}_2$, below $10\,°\text{C}$ a diazonium salt
    diazonium salt warm water phenol; or couple with phenol → azo dye
    methylbenzene hot $\text{KMnO}_4$ (oxidation 氧化) benzoic acid
    carboxylic acid 羧酸 $\text{SOCl}_2$ or $\text{PCl}_5$ acyl chloride
    acyl chloride alcohol / phenol an ester 酯
    acyl chloride ammonia / amine 胺 an amide 酰胺
    amide or nitrile 腈 $\text{LiAlH}_4$ an amine
    halogenoalkane $\text{KCN}$ a nitrile (adds one carbon)

    Planning and analysing a route

    To devise a synthetic route 合成路线, work backwards from the target: which single reaction makes it, and from what? Repeat until you reach the starting material, then write each step with its reagent 试剂 and conditions.

    When you analyse a route, state the type of reaction for each step (for example electrophilic substitution, addition–elimination 加成消去, oxidation or reduction) and watch for likely by-products 副产物 — for example, making an amine from a halogenoalkane also gives over-substituted amines, lowering the yield.

    Worked example. Devise a route from benzene to phenylamine, $\text{C}_6\text{H}_5\text{NH}_2$. Work backwards: phenylamine comes from reducing nitrobenzene, and nitrobenzene comes from nitrating benzene - so the route is two steps. Step 1: benzene with concentrated $\text{HNO}_3$ and concentrated $\text{H}_2\text{SO}_4$ at $55\ °\text{C}$; electrophilic substitution gives nitrobenzene (keep below $55\ °\text{C}$, or further substitution follows). Step 2: reduce the nitrobenzene with tin and concentrated $\text{HCl}$, then add $\text{NaOH}$ to free the amine from its salt. There is no direct route - you cannot put an $\text{–NH}_2$ straight onto a ring, which is exactly why this nitrate-then-reduce pair is worth knowing by heart.

    한국어

    AS 합성 주제처럼, 알려진 반응을 연결하여 목표 분자를 구성하라는 요청입니다. 이제 A-Level 아렌, 페놀, 아민, 아미드 및 아실 염화물의 반응도 사용할 수 있습니다.

    기능기 식별

    분子是 여러 기능기 종류를 가질 수 있습니다. 각 기능을 발견하고 거동을 예측하기 위해 시험 반응을 사용하십시오. 예를 들어:

    • 촉매 없이 브롬수를 탈색시켜 흰 침전물을 만듦 → 페놀 또는 페닐아민(환이 활성화됨).
    • 찬 물과 격렬하게 반응하여 $\text{HCl}$ 연기를 발생시킴 → 아실 염화물.
    • 중성 $\text{FeCl}_3$과 반응하여 보라색 색상을 나타냄 → 페놀.
     A-Level 시험 표: 촉매 없는 브롬수, 찬 물, 중성 철(III) 염화물, 그리고 각각의 관찰 결과와 기능기
    A-Level에서 추가된 식별 시험: 각 시약은 기능기를 가리키는 특징적인 결과를 줍니다

    A-Level 반응 지도

    시작 시약 및 조건 생성물
    벤젠(아렌) $\text{HNO}_3$ / $\text{H}_2\text{SO}_4$ (전자공유 치환) 니트로벤젠
    니트로벤젠 $\text{Sn}$ / 농 $\text{HCl}$, 이후 $\text{NaOH}$ (환원) 페닐아민
    페닐아민 $\text{HNO}_2$, 아래 $10\,°\text{C}$ 디아조늄 염
    디아조늄 염 따뜻한 물 페놀; 또는 페놀과 커플링 → 아조 염료
    메틸벤젠 뜨거운 $\text{KMnO}_4$ (산화) 벤조산
    카복실산 $\text{SOCl}_2$ 또는 $\text{PCl}_5$ 아실 염화물
    아실 클로라이드 알코올 / 페놀 에스터
    아실 클로라이드 암모니아 / 아민 아마이드
    아마이드 또는 니트릴 $\text{LiAlH}_4$ 아민
    할로젠알케인 $\text{KCN}$ 니트릴 (탄소 하나 추가)
    A Level 반응 네트워크: 벤젠→니트로벤젠→페닐아민→디아조늄염→페놀 또는 아조 염료, 그리고 카복실산→아실 클로라이드→에스터 및 아마이드
    A Level 반응 지도: 방향족 사슬(상단)과 아실-클로라이드 사슬(하단), 그리고 공급 원료. 목표 물질에서 시작하여 거꾸로 작업하십시오.

    경로 계획 및 분석하기

    합성 경로를 설계하려면 목표 물질에서 거꾸로 작업하십시오: 어떤 단일 반응으로 만들어지고, 어떤物质로부터 만들어지는가? 시작 물질에 도달할 때까지 반복한 후, 각 단계마다 시약과 조건을 기록하십시오.

    벤젠에서 아조 염료까지의 합성 경로, 각 전진 단계에 사용된 시약이 표시되어 있으며, 목표 물질로부터 시작 지점까지의 계획 과정이 위쪽에 큰 뒤 화살표로 표시됨
    목표 분자에서 역방향으로 계산하여, 한 번에 하나의 반응씩 원료에 도달할 때까지 경로를 계획하십시오

    경로를 분석할 때, 각 단계의 반응 유형(예: 전자 친화 치환, 가입-제거, 산화 또는 환원)을 명시하고 부산물 발생 가능성을 주의 깊게 확인해야 합니다. 예를 들어 할로겐알케인으로부터 아민을 제조할 경우 과치환된 아민도 함께 생성되어 수율을 낮출 수 있습니다.

    작업 예시. 벤젠에서 페닐아민까지의 경로를 설계하십시오. $\text{C}_6\text{H}_5\text{NH}_2$. 역방향으로 접근합니다: 페닐아민은 니트로벤젠을 환원하여 얻을 수 있으며, 니트로벤젠은 벤젠의 질산화를 통해 얻어지므로 이 경로는 두 단계로 구성됩니다. 단계 1: 벤젠에 농축 $\text{HNO}_3$와 농축 $\text{H}_2\text{SO}_4$를 ⟨$55\ °\text{C}$⟩ 온도에서 가합니다. 전자 친화 치환 반응에 의해 니트로벤젠이 생성됩니다($55\ °\text{C}$ 이하로 온도를 유지하지 않으면 추가 치환이 일어난다). 단계 2: 니트로벤젠을 **주석과 농축 $\text{HCl}$**으로 환원한 후, 염 형태로 존재하는 아민을游离(해방)시키기 위해 $\text{NaOH}$를 첨가합니다. 직접적인 경로는 없으며, 고리에 directly $\text{–NH}_2$를 붙일 수 없기 때문에 질산화 후 환원의这套 조합을 암기해 두는 것이 매우 중요합니다.

    Explore · ⁨탐색하기⁩

    A-Level synthesis planner · ⁨A-Level 합성 계획서⁩

    Build a route by matching functional-group changes to reagents. · ⁨기능기 변화를 시약과 매칭하여 경로를 구성한다.⁩

    Vocabulary · ⁨어휘⁩ Train · ⁨연습하기⁩
    English 한국어
    functional group/ˈfʌŋkʃənl ɡruːp/ 기능기
    acyl chloride/əˈkɪl ˈklɔːraɪd/ 아실 염화물
    phenol/ˈfenɒl/ 페놀
    arene/ˈæren/ 아레인
    electrophilic substitution/ɪˌlektrəʊˈfɪlɪk ˌsʌbstɪˈtjuːʃn/ 전자친화적 치환 반응
    reduction/rɪˈdʌkʃn/ 환원
    oxidation/ˌɒksɪˈdeɪʃn/ 산화
    carboxylic acid/ˌkɑːbəkˈsɪlɪk ˈæsɪd/ 카복실산
    ester/ˈestə/ 에스터
    amine/ˈæmaɪn/ 아민
    amide/əˈmaɪd/ 아미드
    nitrile/ˈnaɪtraɪl/ 니트릴
    synthetic route/sɪnˈθetɪk ruːt/ 합성 경로
    reagent/rɪˈeɪdʒənt/ 시약
    addition–elimination/əˈdɪʃn ɪˌlɪmɪˈneɪʃn/ 첨가-탈리 반응
    by-product/baɪ ˈprɒdʌkt/ 부산물
    36.1

    Exam tips · ⁨시험 팁⁩

    English
    • Combine AS and A-level steps and watch for benzene-ring reactions and carbon-count changes.
    • State every reagent and condition, and note when a step produces a racemic mixture.
    • Choose the shortest route that reaches the target functional group.
    한국어
    • AS 및 A-Level 단계들을 결합하고 벤젠 고리 반응 및 탄소 수 변화에 주의를 기울이십시오.
    • 모든 시제와 조건을 명시하며, 특정 단계에서 라塞미 혼합물이 생성되는지 확인하십시오.
    • 목표 기능 기에 도달할 수 있는 가장 짧은 경로를 선택하십시오.
  • 37

    Analytical techniques

    Watch lesson · ⁨수업 보기⁩
    37.1

    Thin-layer chromatography

    Syllabus
    English
    1. describe and understand the terms (a) stationary phase, for example aluminium oxide (on a solid support) (b) mobile phase; a polar or non-polar solvent (c) $R_{\text{f}}$ value (d) solvent front and baseline
    2. interpret $R_{\text{f}}$ values
    3. explain the differences in $R_{\text{f}}$ values in terms of interaction with the stationary phase and of relative solubility in the mobile phase
    한국어
    1. 다음 용어를 설명하고 이해한다: (a) 정지상, 예: 알루미나(고체 지지체 위), (b) 이동상: 극성 또는 비극성 용매, (c) $R_{\text{f}}$ 값, (d) 용매 전선 및 기준선
    2. $R_{\text{f}}$ 값을 해석한다
    3. 정지상과의 상호작용 및 이동상 내 상대적 용해도 관점에서 $R_{\text{f}}$ 값의 차이를 설명한다

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

    Chromatography 色谱 separates a mixture using two "phases" — one that stays still and one that moves. In thin-layer chromatography 薄层色谱 (TLC):

    • the stationary phase 固定相 stays still (for example aluminium oxide on a plate).
    • the mobile phase 流动相 moves (a polar or non-polar solvent that travels up the plate).
    • the baseline 基线 is the starting line where the spots are placed; the solvent front 溶剂前沿 is the highest level the solvent reaches.

    The $R_{\text{f}}$ value compares how far a spot moves with how far the solvent moves:

    $$R_{\text{f}} = \frac{\text{distance moved by the spot}}{\text{distance moved by the solvent front}}$$

    It is always between 0 and 1. A substance that sticks more strongly to the stationary phase, or is less soluble in the mobile phase, moves less and has a smaller $R_{\text{f}}$.

    A TLC plate with a baseline, a solvent front, and a spot that has moved partway up, with the spot and solvent distances marked
    Thin-layer chromatography: the $R_\text{f}$ value is how far the spot moved divided by how far the solvent front moved
    A developed TLC plate glowing under ultraviolet light
    A real TLC plate under UV light: each glowing spot is a separated component of the mixture
    Explore · ⁨탐색하기⁩

    TLC route · ⁨TLC 경로⁩

    Follow a spot up a plate and use Rf to identify substances. · ⁨플레이트 위의 스팟을 따라 올라가고 Rf를 사용하여 물질을 식별한다.⁩

    Vocabulary · ⁨어휘⁩ Train · ⁨연습하기⁩
    English 한국어
    chromatography/krəʊməˈtɒɡrəfi/ 크로마토그래피
    thin-layer chromatography/θɪn ˈleɪə krəʊməˈtɒɡrəfi/ 박층 크로마토그래피
    stationary phase/ˈsteɪʃənəri feɪz/ 고정상(stationary phase)
    mobile phase/ˈməʊbaɪl feɪz/ 이동상
    baseline/ˈbeɪslaɪn/ 베이스라인 (baseline)
    solvent front/ˈsɒlvənt frʌnt/ 용매 전진선
    37.2

    Gas/liquid chromatography

    Syllabus
    English
    1. describe and understand the terms (a) stationary phase; a high boiling point non-polar liquid (on a solid support) (b) mobile phase; an unreactive gas (c) retention time
    2. interpret gas/liquid chromatograms in terms of the percentage composition of a mixture
    3. explain retention times in terms of interaction with the stationary phase
    한국어
    1. 다음 용어를 설명하고 이해한다: (a) 정지상: 높은 끓는점의 비극성 액체(고체 지지체 위), (b) 이동상: 비활성 기체, (c) 유지 시간(retention time)
    2. 기체/액체 크로마토그램에서 혼합물의 백분율 조성을 바탕으로 해석한다
    3. 유지 시간을 정지상과의 상호작용으로 설명한다

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

    In gas/liquid chromatography 气液色谱 (GLC):

    • the stationary phase is a high-boiling-point non-polar liquid on a solid support.
    • the mobile phase is an unreactive carrier gas.
    • the retention time 保留时间 is how long a component takes to pass through.

    The area of each peak gives the percentage of that component in the mixture. A component that interacts more with the stationary phase has a longer retention time.

    A chromatogram with three peaks at different retention times, the peak area giving the percentage of each component
    A gas–liquid chromatogram: each component gives a peak at its own retention time, and the peak area is its percentage in the mixture
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    Gas/liquid chromatography route · ⁨기체/액체 크로마토그래피 경로⁩

    Follow a volatile sample through column separation to a chromatogram. · ⁨휘발성 시료를 칼럼 분리를 통해 크로마토그램으로 연결하세요.⁩

    Vocabulary · ⁨어휘⁩ Train · ⁨연습하기⁩
    English 한국어
    gas/liquid chromatography/ɡæs ˈlɪkwɪd krəʊməˈtɒɡrəfi/ 가스/액체 크로마토그래피
    retention time/rɪˈtenʃn taɪm/ 체류 시간
    37.3

    Carbon-13 NMR spectroscopy

    Syllabus
    English
    1. analyse and interpret a carbon-13 NMR spectrum of a simple molecule to deduce: (a) the different environments of the carbon atoms present (b) the possible structures for the molecule
    2. predict or explain the number of peaks in a carbon-13 NMR spectrum for a given molecule
    한국어
    1. 단순 분자의 탄소-13 NMR 스펙트럼을 분석하여 다음과 같은 것을 추론한다: (a) 존재하는 탄소 원자의 서로 다른 환경, (b) 분자의 가능한 구조
    2. 주어진 분자에서의 탄소-13 NMR 스펙트럼 피크 수를 예측하거나 설명한다

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

    NMR 核磁共振 (nuclear magnetic resonance) studies how certain nuclei behave in a strong magnetic field.

    A tall cylindrical NMR spectrometer standing in a laboratory, marked with a strong magnetic field warning
    An NMR spectrometer: the large cylinder holds a superconducting magnet that makes the very strong magnetic field the technique needs

    In carbon-13 NMR, each different chemical environment 化学环境 of carbon gives one peak. So:

    • the number of peaks tells you how many different carbon environments there are (equivalent carbons share a peak).
    • the position of each peak (its chemical shift) suggests the type of carbon, which helps you deduce possible structures.
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    Carbon-13 NMR lab · ⁨탄소-13 NMR 실험실⁩

    Match carbon environments to C-13 NMR evidence. · ⁨탄소 환경을 C-13 NMR 증거와 매칭하시오.⁩

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    English 한국어
    NMR/ˌen em ˈɑː/ NMR
    chemical environment/ˈkemɪkl enˈvaɪrənmənt/ 화학적 환경
    37.4

    Proton (¹H) NMR spectroscopy

    Syllabus
    English
    1. analyse and interpret a proton ($^1\text{H}$) NMR spectrum of a simple molecule to deduce: (a) the different environments of proton present using chemical shift values (b) the relative numbers of each type of proton present from relative peak areas (c) the number of equivalent protons on the carbon atom adjacent to the one to which the given proton is attached from the splitting pattern, using the $n + 1$ rule (limited to singlet, doublet, triplet, quartet and multiplet) (d) the possible structures for the molecule
    2. predict the chemical shifts and splitting patterns of the protons in a given molecule
    3. describe the use of tetramethylsilane, TMS, as the standard for chemical shift measurements
    4. state the need for deuterated solvents, e.g. $\text{CDCl}_3$, when obtaining a proton NMR spectrum
    5. describe the identification of O–H and N–H protons by proton exchange using $\text{D}_2\text{O}$
    한국어
    1. 단순 분자의 양성자($^1\text{H}$) NMR 스펙트럼을 분석하여 다음과 같은 것을 추론한다: (a) 화학적 이동 값을 사용하여 존재하는 양성자의 서로 다른 환경, (b) 상대적인 피크 면적을 통해 각类型의 양성자의 상대적 수, (c) 분열 패턴(splitting pattern), $n + 1$ 규칙(싱글릿, 더블릿, 트리플릿, 쿼텟, 멀티플릿에 한정)을 사용하여 주어진 양성자가 결합된 탄소 원자와 인접한 탄소 원子上의 등가 양성자 수, (d) 분자의 가능한 구조
    2. 주어진 분자의 양성자에 대한 화학적 이동과 분열 패턴을 예측한다
    3. 테트라메틸실란, TMS을 화학적 이동 측정의 표준으로 사용하는 방법을 설명한다
    4. 양성자 NMR 스트럼을 얻을 때 중수소화 용매, 예: $\text{CDCl}_3$가 필요한 이유를 서술한다
    5. 프로톤 교환을 사용하여 O–H 및 N–H 양성자를 식별하는 방법을 서술하십시오. 시약: $\text{D}_2\text{O}$

    Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

    Proton NMR looks at the hydrogen atoms (proton 质子 nuclei). From the spectrum you read off:

    • chemical environments: protons in different environments appear at different chemical shift 化学位移 values.
    • relative numbers: the relative peak areas give the ratio of each type of proton.
    • splitting 裂分: a peak is split by the protons on the neighbouring carbon, following the $n+1$ rule — $n$ equivalent neighbours split a peak into $n+1$ lines:
    Neighbours ($n$) Pattern
    0 singlet 单峰
    1 doublet 双峰
    2 triplet 三峰
    3 quartet 四峰
    many multiplet 多重峰
    Four NMR peak patterns: a single line, two lines, three lines and four lines, labelled singlet, doublet, triplet and quartet
    The $n+1$ rule: $n$ equivalent neighbouring protons split a peak into $n+1$ lines (singlet, doublet, triplet, quartet)
    A proton NMR spectrum of ethanol with three groups of peaks: a CH3 triplet, a CH2 quartet and an OH singlet, plus the TMS reference at zero
    Proton NMR of ethanol: three environments give a CH$_3$ triplet, a CH$_2$ quartet and an OH singlet, with areas in the ratio $3:2:1$

    Practical points

    • tetramethylsilane 四甲基硅烷 (TMS) is the standard, set at a chemical shift of $0$.
    • a deuterated solvent 氘代溶剂 (such as $\text{CDCl}_3$) is used so that the solvent itself gives no proton signal.
    • shaking the sample with $\text{D}_2\text{O}$ makes the O–H and N–H peaks disappear (their hydrogen is swapped for deuterium), which identifies those protons.

    Worked example. A compound $\text{C}_4\text{H}_8\text{O}_2$ gives three proton NMR peaks: a triplet at $\delta\ 1.2$ (area 3), a quartet at $\delta\ 4.1$ (area 2), and a singlet at $\delta\ 2.0$ (area 3). Deduce the structure. Read the areas first, then the splitting. Areas $3:2:3$ give three proton environments holding 3, 2 and 3 hydrogens. Apply the $n+1$ rule in reverse: a triplet (area 3) is a $\text{CH}_3$ with 2 neighbours, and a quartet (area 2) is a $\text{CH}_2$ with 3 neighbours - each splitting the other, which is the classic ethyl group, $\text{CH}_3\text{CH}_2-$. That $\text{CH}_2$ lies far downfield at $\delta\ 4.1$, so it is attached to an oxygen. The remaining singlet (area 3) is a $\text{CH}_3$ with no neighbours at $\delta\ 2.0$, so it sits next to the C=O. Together: $\text{CH}_3\text{COOCH}_2\text{CH}_3$, ethyl ethanoate. A triplet-and-quartet pair is almost always an ethyl group - spot it first and the rest follows.

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    Proton NMR lab · ⁨양자(NMR) 실험실⁩

    Match proton evidence to chemical environment and neighbours. · ⁨양자 증거를 화학 환경 및 이웃과 매칭하시오.⁩

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    English 한국어
    proton/ˈprəʊtɒn/ proton
    chemical shift/ˈkemɪkl ʃɪft/ 화학 이동
    splitting/ˈsplɪtɪŋ/ 분열
    singlet/ˈsɪŋɡlɪt/ 싱글릿
    doublet/ˈdʌblət/ 더블릿
    triplet/ˈtrɪplɪt/ 삼중선
    quartet/kwɔːˈtet/ 사중선
    multiplet/ˈmʌltɪplɪt/ 복선
    tetramethylsilane/ˈtetrəmiːθɪlsɪleɪn/ 테트라메틸실란
    deuterated solvent/ˈdjuːtəreɪtɪd ˈsɒlvənt/ 중수소 용매
    37.4

    Exam tips

    • In $^{13}\text{C}$ NMR the number of peaks equals the number of carbon environments — use symmetry to count them.
    • In $^1\text{H}$ NMR use chemical shift (data booklet), integration (ratio of H's) and splitting (the $n+1$ rule): a triplet + quartet means an ethyl group.
    • TMS is the reference ($\delta = 0$); a $\text{D}_2\text{O}$ shake removes O-H and N-H peaks.
    • Combine IR, mass spectrum and NMR to deduce a structure, stating which evidence gives which feature.

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