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Group 2

A-Level Chemistry · ⁨A-Level 화학⁩ · Topic 27 · ⁨주제 27⁩

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8:06

2족 (A2)

여기에 퍼즐이 있습니다. 2족을 내려가면 마그네슘부터 바륨까지 하이드록사이드는 더 잘 용해됩니다. 같은 족을 내려가면 황산염은 더难溶解합니다.…

English narration · English + 中文 subtitles burned in · ⁨영어 내레이션 · 영어 + 중국어 자막 burned-in⁩

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.⁩

Vocabulary · ⁨어휘⁩ Train · ⁨연습하기⁩
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.

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