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States of matter

A-Level Chemistry · ⁨A-Level 화학⁩ · Topic 4 · ⁨주제 4⁩

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7:31

States of Matter · ⁨물질의 상태⁩

Diamond melts at three thousand five hundred and fifty degrees Celsius. Iodine melts at one hundred and fourteen. Both are made only of non-metal atoms, and in…

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

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

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

p = k / V

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

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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.

Interactive lessons on this topic · ⁨이 주제에 대한 인터랙티브 수업⁩

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Past Papers · ⁨과거 시험지⁩

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