물질과 혼합물의 성질

학습 목표 3.1.A: 다음 조건에서 분자의 화학 구조와 분자 간 힘의 상대적 강도 간의 관계를 설명한다: i. 분자가 동일한 화학 종일 때. ii. 분자가 서로 다른 두 화학 종일 때.

• 3.1.A.1 런던 분산력은 임시적이고 변동하는 쌍극자 사이의 쿨롱 상호작용의 결과이다. 런던 분산력은 큰 분자 사이에서 종종 가장 강력한 총괄적인 분자 간 힘이다.
  • i. 분산력은 분자 간의 접촉 면적이 증가함에 따라 커지며, 분자의 극화성이 증가함에 따라 커진다.
  • ii. 분자의 극화성은 분자 내 전자의 수와 전자 구름의 크기가 증가함에 따라 커진다. 파이 결합의 존재에 의해 증강된다.
  • iii. '런던 분산력'이라는 용어는 '반데르발스 힘'이라는 용어와 동의로 사용되어서는 안 된다.
• 3.1.A.2 극성 분자의 쌍극자 모멘트는 다른 화학 종과의 추가 상호작용을 유발한다.
  • i. 극성과 비극성 분자 사이에는 쌍극자-유도 쌍극자 상호작용이 존재한다. 이 힘은 항상 인력이다. 이 힘의 세기는 극성 분자의 쌍극자 모멘트 크기 및 비극성 분자의 극화성에 따라 증가한다.
  • ii. 극성 분자 사이에는 쌍극자-쌍극자 상호작용이 존재한다. 상호작용의 세기는 쌍극자의 크기와 상대적인 방향성에 따라 달라진다. 극성 분자 간의 상호작용은 Comparable 크기의 비극성 분자 간의 상호작용보다 일반적으로 크며, 이는 이러한 상호작용이 런던 분산력에 추가로 작용하기 때문이다.
  • iii. 이온-쌍극자 인력 상호작용은 이온과 극성 분자 사이에 존재한다. 이들은 쌍극자-쌍극자 힘보다 일반적으로 강하다.
• 3.1.A.3 dipole-dipole 및 ion-dipole 힘의 상대적 강도와 방향 의존성은 분자 쌍극자 모멘트를 유발하는 부분 전하의 부호를 고려하고, 이러한 부분 전하가 이온이나 인접한 쌍극자와 어떻게 상호작용하는지를 분석함으로써 질적으로 이해할 수 있다.
• 3.1.A.4 수소 결합은 높은 전기음성도 원자(N, O, F)에 공유 결합된 수소 원자가 다른 분자의 전기음성도 원자(N, O, F) 또는 동일한 분자의 다른 부분에 의해 형성된 쌍극자의 음극侧로 끌리는 경우 존재하는 강한 분자간 상호작용이다.
• 3.1.A.5 거대한 생물대분자에서 비공유 결합 상호작용은 서로 다른 분자 사이나 동일한 거대한 생물대분자의 서로 다른 영역 사이에서 발생할 수 있다.

학습 목표 3.2.A: 물질의anganscopic(거시적) 성질, 물질의 입자 수준 구조, 그리고 이들 입자 간의 상호작용 사이의 관계를 설명하시오.

• 3.2.A.1 액체와 고체의 많은 성질은 존재하는 분자간 힘의 강도와 종류에 의해 결정된다. 분자간 상호작용이 물질이 기화될 때 완전히 극복되므로, 증기압과 끓는점은 이러한 상호작용의 강도와 직접적으로 관련된다. 녹는점 또한 상호작용 강도와 상관관계가 있는 경향이 있으나, 상호작용이 단순히 재배열되기 때문에 녹는 과정에서는 관계가 더 미묘할 수 있다.
• 3.2.A.2 여러 상호작용 화학종을 보여주는 입자 수준 표현은 분자간 상호작용이 어떻게 거시적 성질을 형성하는지 전달하거나 이해하는 데 유용한 수단이다.
• 3.2.A.3 이온 간의 강력한 상호작용으로 인해 이온성 고체는 낮은 증기압, 높은 녹는점, 높은 끓는점을 가지는 경향이 있다. 한 층이 다른 층 위를 미끄러질 때 동전하 간의 반발력이 발생하므로 이온성 고체는 깨지기 쉽다(brittle). 이온이 이동 가능한 상태일 때(즉, 이온성 고체가 용융된 상태 또는 물或其他 용매에 용해된 상태)에만 전기를 전도한다.
• 3.2.A.4 공유 결합 네트워크 고체에서 원자들은 3차원 네트워크(예: 다이아몬드) 또는 2차원 네트워크의 층(예: 석영)으로 공유 결합되어 있다. 이들은 비금속 및 금속성 소元素(metalloids)만으로 형성되며, 원소(예: 다이아몬드, 석영) 또는 이원 화합물(예:二氧化硅 및碳化硅)이다. 강력한 공유 결합 상호작용으로 인해 공유 결합 고체는 높은 녹는점을 가진다. 3차원 네트워크 고체는 고정된 공유 결합 각도로 인해 단단하고 딱딱하다. 그러나 인접한 층들이 서로 쉽게 미끄러질 수 있으므로 석영은 부드럽다.
• 3.2.A.5 분자 결정은 공유 결합으로 연결된 개별적인 분자 단위로 구성되며, 이러한 단위는 상대적으로 약한 분자간 힘에 의해 서로 끌어당겨져 있다. 분자 간 힘이 상대적으로 약하기 때문에 분자 결정은 일반적으로 낮은 융점을 가진다. 전자가 공유 결합 내부와 각 구성 분자의 비결합 전자 쌍에 강하게 묶여 있어 전기 전도성을 나타내지 않는다. 분자 결정은 때로는 매우 큰 분자나 고분자로 구성되어 있기도 한다.
• 3.2.A.6 금속 결정은 자유 전자가 존재하여 전기 및 열의 좋은 전도체이다. 또한 금속핵들이 구조를 재배열하는 데易于하기 때문에 연성(유연함)과 신도(인장성)가 있는 경향이 있다. 입자 간 합금에서 입자 간 원자는 격자를 더 경직되게 만들어 연성과 신도를 감소시킨다. 합금은 일반적으로 이동 가능한 전자의 바다를 유지하므로 전도성을 유지한다.
• 3.2.A.7 거대 생물 분자나 고분자에서는 다른 분자 사이 또는 동일한 거대 생물 분자의 다른 영역 사이에 비공유적 상호작용이 발생할 수 있다. 이러한 분자의 기능과 성질은 주로 비공유적 상호작용에 의해 결정되는 분자의 형태에 크게 의존한다.

학습 목표 3.3.A: 입자 수준 모델로 고체, 액체 및 기체 상태 간의 차이를 표현하시오.

• 3.3.A.1 고체는 입자가 규칙적인 3차원 구조로 배열된 결정성일 수도 있으며, 입자가 규칙적이고 질서 있는 배치를 가지지 않은 비정질일 수도 있다. 두 경우 모두 개별 입자의 운동은 제한되어 있으며, 입자들은 서로에 대해 전체적인 평이운 이동을 하지 않는다. 고체의 구조는 입자 간 상호작용과 입자들이 함께 채워질 수 있는 능력에 영향을 받는다.
• 3.3.A.2 액체의 구성 입자들은 서로 밀접하게 접촉해 있으며, 지속적으로运动和 충돌한다. 입자의 배치와 운동은 입자 사이의 힘(예: 극성, 수소 결합, 온도 등)의 성질과 세기에 영향을 받는다.
• 3.3.A.3 특정 물질의 고체 및 액체 상태는 보통 유사한 몰 부피를 갖는데, 이는 두 상태 모두에서 구성 입자들이 항상 밀접하게 접촉하고 있기 때문이다.
• 3.3.A.4 기체 상태에서는 입자가 끊임없이 운동한다. 충돌 빈도와 평균 간격은 온도, 압력, 부피에 의존한다. 이러한 지속적인 운동과 입자 간 힘의 영향이 미미하기 때문에 기체는 일정한 부피나 일정한 모양을 갖지 않는다.
  • 제외 사항: AP 시험에서 상도(상도표)의 이해/해석은 평가되지 않는다.

학습 목표 3.4.A: 이상 기체 법칙을 사용하여 기체 또는 기체 혼합물의 시료에 대한anganscopic(거시적) 특성의 관계를 설명하시오.

• 3.4.A.1 이상 기체의anganscopic(거시적) 특성은 이상 기체 법칙을 통해 관련된다:
  • EQN: $PV = nRT$.
• 3.4.A.2 이상 기체의 혼합물이 포함된 시료에서 각 성분(부분 압력)이 가하는 압력은 다른 성분들과 독립적이다. 따라서 혼합물 내 기체의 부분 압력은 몰 분율($X$)에 비례하며, 시료의 총압은 부분 압력의 합이다.
  • EQN: $P_{A} = P_{total} \times X_{A}$, 여기서 $X_{A} =$몰 A/전체 몰수;
  • EQN: $P_{total} = P_{A} + P_{B} + P_{C} + \ldots$
• 3.4.A.3 $P$, $V$, $T$, 그리고 $n$ 간의 관계에 대한 그래프 표현은 기체의 거동을 묘사하는 데 유용하다.

학습 목표 3.5.A: 입자의 운동과 기체의anganscopic(거시적) 특성 간의 관계를 다음과 같이 설명하시오: i. 운동 분자 이론(KMT). ii. 입자 수준 모델. iii. 그래프 표현.

• 3.5.A.1 운동 분자 이론(KMT)은 기체의anganscopic(거시적) 특성을 기체 내 입자의 운동과 연관시킨다. 맥스웰-볼츠만 분포는 특정 온도에서의 입자의 운동 에너지 분포를 묘사한다.
• 3.5.A.2 물질 시료 내 모든 입자는 지속적이고 무작위적인 운동을 한다. 입자의 평균 운동 에너지는 다음 식에 따라 평균 속도와 관련된다:
  • EQN: $KE = \frac{1}{2}\,mv^{2}$.
• 3.5.A.3 물질 시료의 켈빈 온도는 시료 내 입자의 평균 운동 에너지에 비례한다.
• 3.5.A.4 맥스웰-볼츠만 분포는 특정 온도에서의 입자의 에너지/속도에 대한 그래프 표현을 제공한다.

학습 목표 3.6.A: 기체의 비이상적 거동, 입자 간 힘 및/또는 부피 간의 관계를 설명하시오.

• 3.6.A.1 이상 기체 법칙은 실제 기체의 실제 거동을 설명하지 못한다. 기체 분자 간의 입자 간 인력으로 인해 이상 기체 법칙으로부터의 편차가 발생할 수 있는데, 특히 응축 조건에 가까운 상태에서这种现象尤为显著。편차는 또한 입자 자체의 부피로 인해 발생할 수 있으며, 특히 극도로 높은 압력에서是这样。

학습 목표 3.7.A: 용질의 입자 수, 용액의 부피 또는 몰농도를 계산하시오.

• 3.7.A.1 용액은 균일 혼합물(homogeneous mixture)으로도 불리며, 고체, 액체, 기체 중 하나일 수 있다. 용액에서는 시료 전반에 걸쳐anganscopic(거시적) 특성이 변하지 않는다. 이질적 혼합물(heterogeneous mixture)에서는anganscopic(거시적) 특성이 혼합물 내 위치에 따라 달라진다.
• 3.7.A.2 용액의 조성은 다양한 방식으로 표현될 수 있으며, 실험실에서 가장 일반적으로 사용되는 방법은 몰농도이다.
  • EQN: $M = n_{solute}/L_{solution}$

학습목표 3.8.A: 혼합물에 대한 입자 모델 활용: i. 구성 요소 간의 상호작용을 표현한다. ii. 구성 요소의 농도를 표현한다.

• 3.8.A.1 용액의 입자 표현은 용액 내 구성 요소의 상대적 농도를 그림으로 보여주거나 구성 요소 간 상호작용을 나타내는 도면을 통해 용액의 구조와 성질을 전달한다.
  • 제외 사항: AP 시험에서 합동성질(colligative properties)은 평가되지 않는다.
  • 제외 사항: 용액에 대한 몰분율, 질량 분율 및 부피 분율 계산은 AP 시험에서 평가되지 않는다.

학습목표 3.9.A: 분자 간 상호작용에 기반하여 분리 실험 결과를 설명한다.

• 3.9.A.1 액체 용액의 구성 요소는 여과로 분리할 수 없다. 그러나 구성 요소 간의 분자 간 상호작용 차이를 이용하는 공정을 통해 분리할 수 있다.
  • i. 크로마토그래피(종이, 얇은층, 컬럼)는 용액(유동상)의 구성 요소 간 및 정지상의 표면 구성 요소와의 분자 간 상호작용 강도의 차이를 이용하여 화학 종을 분리한다. 생성된 크로마토그램을 사용하여 혼합물 내 구성 요소의 상대적 극성을 유추할 수 있다.
  • ii. 증류는 구성 요소 간 및 구성 요소와 정지상 간의 분자 간 상호작용 강도의 차이와 이러한 상호작용이 혼합물 내 구성 요소의 증기압에 미치는 영향을 이용하여 화학 종을 분리한다.

학습 목표 3.10.A: 수용성 및 비수용성 용매에서의 이온성 및 분자성 화합물의 용해도와 입자 간의 분자간 상호작용 사이의 관계를 설명하시오.

• 3.10.A.1 유사한 분자간 상호작용을 가진 물질들은 서로Miscible하거나 용해되는 경향이 있다.

학습 목표 3.11.A: 전자기 스펙트럼의 특정 영역과 해당 영역에 연관된 분자 또는 전자 전이 유형의 관계를 설명하시오.

• 3.11.A.1 다양한 스펙트럼 영역에서의 광자 흡수 또는 방출의 차이는 분자 운동 또는 전자 전이의 종류에 따라 달라진다:
  • i. 마이크로파 복사는 분자 회전 에너지 준위의 전이와 관련된다.
  • ii. 적외선 복사는 분자 진동 에너지 준위의 전이와 관련된다.
  • iii. 자외선/가시광선 복사는 전자 에너지 준위의 전이와 관련된다.

학습 목표 3.12.A: 원자나 분자의 전자 전이에 대한 흡수되거나 방출되는 광자의 성질을 설명하시오.

• 3.12.A.1 광자가 원자나 분자에 흡수(또는 방출)되면, 해당 종의 에너지는 광자의 에너지 값만큼 증가(또는 감소)한다.
• 3.12.A.2 전자기파의 파장은 주파수와 빛의 속도를 다음과 같은 식으로 연결한다:
  • EQN: $c = \lambda\nu$.

광자의 에너지는 플랑크의 식을 통해 전자기파의 주파수와 연결된다:

• EQN: $E = h\nu$.

학습 목표 3.13.A: 분자 또는 이온의 용액이 흡수하는 빛의 양이 농도,光路长度(경로 길이), 및 몰 흡광계수와의 관계를 설명하시오.

• 3.13.A.1 베어-람베르트 법칙은 다음 식에 따라 용액의 빛 흡수를 세 가지 변수와 연결한다:

  • EQN: $A = \varepsilon bc$.

  몰 흡광계수 $\varepsilon$는 화학적 종이 특정 파장의 빛을 얼마나 강하게 흡수하는지를 나타낸다. 경로 길이 $b$와 농도 $c$는 빛의 경로 내에 있는 빛 흡수 입자의 수에 비례한다.

• 3.13.A.2 대부분의 실험에서는 경로 길이와 빛의 파장이 일정하게 유지된다. 이러한 경우 흡광도는 흡수하는 분자 또는 이온의 농도에만 비례한다. 분광광도계는 측정의 최대 민감도를 보장하기 위해 일반적으로 분석 대상 종의 최대 흡광도(최적 파장)로 설정된다.