구조, 결합 및 유기화학 도입

왜 미세한 질량의 기체가 큰 플라스크를 채울 수 있습니까? 왜 고체 염화 나트륨은 전기를 전달하지 않지만 그 용액은 전달합니까? 단위 1은 입자 세기, 전자 구조 및 결합을 관측 가능한 현상에 연결하고, 동일한 개념을 사용하여 유기 반응을 설명합니다.

이 참고 자료를 1.1–1.5 시트 및 더 Narrow한 기술 동반자 시트와 함께 사용하십시오. 간단한 대수, 10의 거듭제곱, 평형 방정식이 필요합니다. Pearson 규격의 주제 1–5이 이 단위를 정의합니다. 운동론과 평형은 Unit 2에 속하며, 이 시트의 전제 조건은 아닙니다.

원자는 한 원소의 입자 하나입니다. 원소는 양성자 수로 정의되며 하나의 원자 유형만 포함합니다. 이온은 전자 수가 양성자 수와 다르므로 전기적 전하를 띱니다. 분자는 공유 결합된 원자의 독립된 그룹입니다. 화합물은 화학적으로 결합된 서로 다른 원소를 포함합니다. 임계식(empirical formula)은 가장 간단한 정수 원자 비율을 제공하며, 분자식(molecular formula)은 한 분자 내 실제 원자 수를 제공합니다. 이온 격자는 개별 분자가 아닌 공식 단위(formula units)를 가집니다.

The mole is the unit of amount of substance. The particle count is $N=nL$, where $L=6.02\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}$. Thus one mole contains $6.02\times10^{23}$ of the specified entities. Always say whether you count atoms, molecules, ions or formula units. A mole of methane molecules contains five moles of atoms.

상대 원자 질량, $A_r$,는 질량 가중 평균 원자 질량을 탄소-12 원자 질량의 1/12과 비교합니다. 상대 분자 질량, $M_r$,은 분자 내 상대 원자 질량의 합입니다. 상대 공식 질량은 거대 구조를 포함한 공식 단위에 같은 합을 적용합니다. 둘 다 단위가 없는 비율입니다. 몰 질량, $M$,은 몰당 질량으로, 단위는 $\mathrm{g\,mol^{-1}}$입니다.

Use $n=m/M$ for a mass, $n=cV$ for a solution with $V$ in $\mathrm{dm^3}$, and $pV=nRT$ for a gas with pressure in Pa, volume in $\mathrm{m^3}$ and temperature in K. A stated molar gas volume can replace the gas equation only under its stated conditions. At the usual classroom RTP approximation, use $24\ \mathrm{dm^3\,mol^{-1}}$. Divide $\mathrm{cm^3}$ by 1000 to obtain $\mathrm{dm^3}$.

작업된 반응 질량 방법. 방정식은 $\mathrm{Mg+2HCl\rightarrow MgCl_2+H_2}$입니다. 산은 과잉이며, $0.480\ \mathrm g$의 마그네슘이 있으며, $M(\mathrm{Mg})=24.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}$입니다.

계수 비는 Mg:H₂ = 1:1이므로, $n(\mathrm{H_2})=0.0200\ \mathrm{mol}$이다. 명시된 RTP 근사값에서:

두 반응물의 양이 모두 주어졌을 경우, 계수로 나눈 양을 비교하십시오. 작은 값이 제한 시약(limiting reagent) 을 식별합니다. 질량만으로 비교하지 마십시오.

Mass concentration is $m/V$ in $\mathrm{g\,dm^{-3}}$; amount concentration is $n/V$ in $\mathrm{mol\,dm^{-3}}$. Divide mass concentration by molar mass to convert between them. Parts per million, ppm, is a fraction multiplied by $10^6$; state whether it is a mass fraction or, for gases at the same temperature and pressure, a volume fraction.

** empirical formula **를 구하려면 각 원소의 질량을 그 원소의 $A_r$로 나누고, 얻어진 양을 가장 작은 양으로 나눕니다. 정수가 되도록 전체 비율을 곱해야 합니다. 1.5를 2로 반올림하지 마십시오: 모든 비율을 2로 곱하십시오. 분자 식을 구하려면 측정된 $M_r$를 empirical-formula 질량으로 나누고, 모든 아래첨자를 이 정수로 곱하십시오.

Worked check. A compound contains 2.40 g carbon and 0.600 g hydrogen. Carbon amount is $n=m/M=2.40/12.0=0.200\ \mathrm{mol}$; hydrogen atom amount is $n=m/M=0.600/1.00=0.600\ \mathrm{mol}$. C:H = 1:3, so the empirical formula is CH₃. If $M_r=30.0$, the factor is $30.0/15.0=2$, giving C₂H₆. The element masses add to the sample mass, 3.00 g.

Balance full equations without changing substance formulae, and include states: (s), (l), (g), (aq). For a precipitation, $\mathrm{Ag^+(aq)+Cl^-(aq)\rightarrow AgCl(s)}$ omits spectator ions. For an acid and carbonate, $\mathrm{CO_3^{2-}(aq)+2H^+(aq)\rightarrow CO_2(g)+H_2O(l)}$ conserves both atoms and charge. A precipitate or gas is an observation; an equation explains the change. Zinc in copper(II) sulfate gives a reddish copper deposit while the blue solution fades: Zn(s) + Cu²⁺(aq) → Zn²⁺(aq) + Cu(s). Magnesium in dilute acid dissolves with hydrogen bubbles: Mg(s) + 2H⁺(aq) → Mg²⁺(aq) + H₂(g). An acid with a soluble base can warm without gas or precipitate: H⁺(aq) + OH⁻(aq) → H₂O(l). Match each equation to the actual observation rather than treating every acid reaction as gas formation.

Percentage yield compares actual with theoretical product amount. For a theoretical 4.00 g and actual isolated dry 3.20 g, yield = 3.20/4.00 × 100% = 80.0%. Atom economy compares the balanced desired-product mass with all balanced product masses. Include equation coefficients. A high atom economy does not guarantee a high experimental yield.

In the molar-gas-volume practical, use a known limiting amount and collect the gas under measured conditions. Account for leaks, gas dissolving, incomplete reaction and dead space. A leak lowers measured gas volume and therefore the calculated molar volume. To confirm a formula by reaction with oxygen, heat to constant mass, cool before weighing and explain how loss of solid or incomplete oxidation changes the inferred ratio. Practical reasoning remains part of this theory unit.

Protons and neutrons are in the nucleus; electrons occupy orbitals around it. Relative particle masses are approximately 1, 1 and $1/1836$; charges are +1, 0 and −1. Atomic number $Z$ counts protons; mass number $A$ counts protons plus neutrons. Thus neutrons = $A-Z$. A positive ion has fewer electrons than protons. Isotopes have the same proton number but different neutron numbers.

A mass spectrometer forms gaseous positive ions, separates them by mass-to-charge ratio, $m/z$, and detects relative abundance, the proportion of the sample contributing each ion type. Vaporisation, ionisation, acceleration, separation and detection have distinct roles. In magnetic separation at a given accelerating potential, a lower $m/z$ ion bends more; a higher charge lowers $m/z$, rather than making bending smaller. A doubly charged mass-40 ion appears at $m/z=20$.

Worked isotope mean. For 60% mass-69 and 40% mass-71 gallium, $A_r=(69\times60+71\times40)/100=69.8$. The mean lies between the isotope masses, closer to the more abundant isotope. Molecular-ion peaks can identify $M_r$ when charge is known. With chlorine isotope proportions 3:1, Cl₂ molecular-ion peaks at 70, 72 and 74 have probabilities $9/16$, $6/16$ and $1/16$: the middle combination occurs in two orders.

An orbital holds at most two electrons with opposite spins. An s orbital is spherical; a p orbital has two lobes. There are 1, 3 and 5 orbitals in s, p and d subshells, holding at most 2, 6 and 10 electrons. Fill equal-energy orbitals singly before pairing. The first four quantum shells have maximum capacities 2, 8, 18 and 32 electrons. Their available subshells are 1s; 2s/2p; 3s/3p/3d; and 4s/4p/4d/4f. An f subshell has seven orbitals and holds fourteen electrons. The periodic table has s, p and d blocks according to the subshell receiving the differentiating electron. Write configurations through krypton, including the chromium and copper exceptions: Cr is [Ar]3d⁵4s¹ and Cu is [Ar]3d¹⁰4s¹. For their positive ions, remove 4s electrons before 3d electrons. Electron-box notation must show both occupancy and spin.

첫 이온화 에너지는 $\mathrm{X(g)\rightarrow X^+(g)+e^-}$당 몰당 필요한 에너지입니다. 두 번째 이온화는 X⁺(g)에서 전자 하나를 제거하며, 세 번째 이온화는 X²⁺(g) → X³⁺(g) + e⁻로 진행됩니다. 모든 이온화 단계는 흡열 반응입니다. 핵 전하가 클수록 인력이 강해지고, 차폐 효과와 전자 간 거리가 커질수록 인력이 약해집니다. 연속적인 에너지의 큰 증가는 가장 바깥 껍질의 전자가 모두 제거되었음을 나타냅니다. 이는 주족 원소의 바깥 전자 수를 확인하게 하지만, 모든 채워진 껍질의 개수를 직접 세어주지는 않습니다.

주기 3를 가로지르면서 핵전하는 증가하지만 내각 껍질의 차폐 효과는 거의 변하지 않아 첫 번째 이온화 에너지가 전반적으로 증가합니다. 알루미늄은 마그네슘이 3s 전자를 잃는 것보다 더 높은 에너지의 3p 전자를 쉽게 잃습니다. 황은 인에 있는 단일 채워진 3p 궤도보다 전자 간 반발력이 큰 짝을 이루는 3p 전자를 가집니다. 족을 내려갈 때, 거리 증가와 차폐 효과는 핵전하 증가를 상쇄합니다. 주기에 걸쳐 반복되는 경향은 주기성(periodicity) 입니다. 축에 레이블을 붙이고, 로그 축은 등간격 에너지 증분이 아닌 비율로 해석하십시오.

제시된 첫-36-원소 그래프 작성 과업은 1.2.2 시트에서 일반 축과 로그 축을 모두 테스트합니다. 비활성 기체 피크 이후 새로운 바깥 껍질이 시작되면 감소가 따르며, 하위 껍질 및 전자 쌍 효과로 인해 주기 내에서 추가적인 감쇠가 발생합니다. 전이 계열은 완벽하게 매끄러운 상승 곡선을 형성하지 않습니다. 헬륨은 비활성 기체 열에 속하지만, 1s²에 의해 s 블록에 분류됩니다.

이온 결합은 거대 격자 전체에서 서로 다른 전하를 가진 이온 간의 순 전기적 인력입니다. 전자 이동으로 이온이 형성되고, 그 인력이 결합입니다. 용융 상태나 용해 상태에서의 전도성, 이온 이동 및 전자 밀도 증거가 이온 모델을 지지합니다. 용액에서 색을 띤 양이온은 음극으로 이동합니다. 전자 밀도 도표는 원자핵 주변 전자의 분포를 보여줍니다; 전자 밀도를 이온 모델과 비교하여 전자 이동의 역사를 직접 기록한 것으로 간주하지 마십시오. 이온 고체는 이동 가능한 이온을 가지지 않습니다. 작은 이온과 높은 전하 수는 일반적으로 격자 인력을 강화합니다. 등전자 series에서 더 큰 양성자 번호는 동일한 전자 수를 더 가까이 끌어당겨 반지름이 N³⁻에서 Al³⁺로 감소합니다. 그룹을 따라 내려갈수록 추가적으로 차 있는 껍질이 반지름을 증가시킵니다.

공유 결합은 두 원자핵과 공유된 전자 쌍 사이의 인력입니다. 점과 십자선 도표(electron dot-and-cross diagrams)는 전자의 기원을 확인하는 데 사용됩니다. 비결합 전자쌍(lone pairs)과 이온에 괄호/전하를 포함해야 합니다. 좌표 결합은 공유된 전자 쌍을 한 원자가 초기에 제공할 때 발생하며, 예를 들어 NH₃가 H⁺에게 전자 쌍을 제공하여 NH₄⁺를 형성할 때와 같습니다. 알루미늄 염화물(AlCl₃)은 두 개의 염화물 브릿지와 좌표 결합을 통해 Al₂Cl₆를 형성할 수 있으며, 전자 도표는 모든 외부 전자를 고려해야 합니다.

중앙 원자 주변의 전자 쌍은 서로 반발하여 멀리 배치됩니다. 비결합 전자쌍은 결합 전자쌍보다 더 강하게 반발하지만, 비결합 전자쌍당 고정된 각도 감소를 규정하는 보편적인 규칙은 없습니다. 중앙 원자 주위의 영역(region)을 세우십시오; 다중 결합은 하나의 영역을 차지합니다. 결합 길이는 원자핵 사이의 거리이며, 결합각은 인접한 결합 사이의 각도입니다.

에틸렌의 각 탄소 원자는 3개의 영역과 평면 배치를 가지며, 각도는 약 120°입니다. 전기음성도는 결합 전자 쌍을 끌어당기는 힘입니다. 서로 다른 전기음성도는 극성 결합을 생성합니다. 분자의 결합 극성이 상쇄되지 않는 경우에만 분자는 극성입니다; CO₂는 비극성이며, H₂O는 극성입니다. 이온 결합과 공유 결합은 연속체의 양 끝점에 해당합니다. 극화력(polarising power)은 양이온이 다른 이온의 전자 구름을 왜곡시키는 능력을 의미하며, 극화율(polarisability)은 그 전자 구름이 얼마나 쉽게 왜곡되는지를 나타냅니다. 작고 높은 전하를 가진 양이온은 음이온의 전자 구름을 심하게 왜곡시키며, 큰 음이온은 더 쉽게 극화됩니다. 구조 증명으로 단일 융점만을 사용해서는 안 됩니다.

작은 분자 물질은 대부분 분자 내부의 결합을 끊기보다는 분자 간 인력을 극복함으로써 녹거나 끓습니다. 다이아몬드는 거대 네트워크 내에서 각 원자마다 네 개의 공유 결합을 가집니다. 그래파이트는 층 구조 내에서 각 원자당 세 개의 결합과 이동 가능한 비국재화된 전자를 가집니다. 그래핀은 단일 층입니다. 다이아몬드는 단단하고 절연체이며, 그래파이트 층은 미끄러지며 그 방향으로 전기를 전도합니다. 그래핀은 강도와 전도성을 모두 가집니다. 금속은 비국재화된 전자에 의해 끌리는 양이온으로 구성되어 있으며, 비국재화된 전자는 고체 및 용융 금속 내에서 전류를 운반합니다.

The Period 2/3 melting trend follows changing structures: metallic elements, then giant covalent carbon/silicon, then small molecular non-metals and monatomic noble gases. In Period 2, lithium and beryllium are metallic; boron and carbon form giant covalent structures, then nitrogen, oxygen and fluorine are molecular and neon is monatomic. Molecular electron count and attractions help explain differences among the non-metals. A smooth nuclear-charge explanation alone cannot explain the whole melting trend. Stronger metallic attraction, involving ionic charge, ion size and the number of delocalised electrons, usually raises melting temperature; the detailed metal structure also matters. Heating a metal to melt it does not remove all its electrons.

A functional group gives characteristic reactions. A homologous series shares a functional group and general formula, with successive members differing by CH₂. Structural isomers have the same molecular formula but different atom connectivity. In displayed formulae show every atom and bond; in skeletal formulae each unlabelled end or corner is carbon, with enough implied H atoms for four bonds. Show heteroatoms and their attached hydrogen explicitly.

Use meth-, eth-, prop-, but-, pent-, hex-, hept-, oct-, non-, dec- for one to ten carbon atoms. Choose a parent containing the relevant functional group and number to give its required lowest locant, then locate substituents. Acyclic alkanes have formula CₙH₂ₙ₊₂; single-ring cycloalkanes have CₙH₂ₙ. Both are saturated: they contain only carbon–carbon single bonds. CₙH₂ₙ alone does not prove an alkene because a cycloalkane can share it.

구조 이성질체를 체계적으로 생성하세요: 식을 고정하고, 가장 긴 사슬 또는 고리의 크기를 변경한 후 남은 탄소 원자를 배분하며, 회전하거나 재부호화된 중복본은 제거하세요. 펜타네에는 3가지 사슬 이성질체가 있으며, 헥사네에는 5가지가 있습니다. 그림을 그리는 방향만 다르다고 해서 새로운 구조가 되는 것은 아닙니다.

포화 단일 고리에 대해서는 가장 큰 고리로부터 시작하여 고리를 줄이고 탄소를 치환기로 이동하세요. C₃H₆ 고리 구조는 하나, C₄H₈는 두 가지, C₅H₁₀는 다섯 가지가 있습니다. C₆H₁₂ 세트에는 12개의 구성 이성질체(constitutional structures)가 있으며, 상이한 cis/trans 형식은 구조 이성질체로 다시 세지 않습니다.

Fractional distillation separates crude oil into fractions with different boiling ranges. Cracking converts larger hydrocarbons to smaller products, including alkenes; reforming can change straight chains to branched or cyclic structures. Balance atoms in every proposed equation. Complete combustion of a hydrocarbon forms CO₂ and water. Incomplete combustion can form toxic CO or carbon particulates; CO reduces blood oxygen transport by binding haemoglobin. Fuel sulfur and high-temperature nitrogen/oxygen reactions can produce acidic oxides. Carbon particulates harm air quality; unburned hydrocarbons can contribute to photochemical pollution. Removing fuel sulfur does not prevent nitrogen oxides formed from hot air. Carbon neutrality means no net carbon dioxide increase over the stated life-cycle boundary. Bioethanol's growth can take up CO₂, but processing and transport emissions prevent automatic carbon-neutral claims. Hydrogen makes water at use; its production method still matters.

위험(hazard) 은 잠재적 해로운 소스를 의미하며, 위험도(risk) 는 실제 조건에서의 발생 가능성과 심각성을 고려합니다. 학교의 위험 평가, 소량 사용, 환기, 그리고 가연성 또는 독소에 특제된 통제를 사용하세요. 더 안전한 대체안은 원래 물질이 위험하지 않다고 위장하지 않고도 위험도를 낮출 수 있습니다.

자유 라디컬(free radical) 은 짝을 이루지 않은 전자를 가집니다. 균열분해(homolytic fission)는 각 조각에 하나씩 전자를 주며, 이종열분해(heterolytic fission)는 한 쪽 조각에 두 전자를 주어 이온을 만듭니다. 자외선(UV)광은 Cl₂를 균열분해하여 chlorine substitution을 시작합니다: Cl₂ → 2Cl·. 개별 전자를 위해 single-headed curly arrows를 사용하세요.

Propagation: Cl· + CH₄ → HCl + CH₃·, then CH₃· + Cl₂ → CH₃Cl + Cl·. One radical is regenerated, so the chain continues. Termination joins two radicals, for example 2CH₃· → C₂H₆. Further substitution and multiple possible positions produce mixtures, limiting the method's value for making one pure product.

C=C를 하나 가진 무고리 알켄은 CₙH₂ₙ 식을 가집니다. 고리와 이중 결합을 하나 가진 시클로알켄은 CₙH₂ₙ₋₂ 식을 가집니다: 고리가 수소 원자를 두 개 더 제거합니다. 이중 결합은 정면 궤도함 수중복에 의한 sigma 결합 σ와 측면 p-궤도함 수중복에 의한 pi 결합 π로 구성됩니다. 하나의 탄소를 회전하면 pi 중첩이 끊어지므로 회전이 제한됩니다. E/Z 이성질체는 각 이중 결합 탄소에 서로 다른 두 그룹이 있어야 합니다. 직접 결합된 원자를 원자 번호로 ranking하고, 동점일 경우 다음 원자를 비교하세요. 두 탄소에서 우선순위를 separately 비교하세요. 높은 우선순위 그룹이 같은 쪽에 있으면 Z, 반대쪽이면 E입니다. 적절히 비교할 동일한 치환체가 없는 곳에서는 cis/trans 설명이 부족합니다.

An electrophile accepts an electron pair. In HBr addition, a curly arrow begins at the pi bond and ends at H, while another begins at the H–Br bond and ends at Br. This forms a carbocation and Br⁻; a bromide lone pair then forms the new carbon–bromine bond. Propene mainly gives 2-bromopropane because its route forms a secondary rather than primary carbocation. Tertiary carbocations are generally more stable than secondary, which are more stable than primary, under these conditions.

에틸렌(ethene)의 경우 두 이중결합 탄소는 동등하다. 양방향 중 어느 쪽으로 양성자가 첨가하더라도 동일한 에틸 카르보양이온 CH₃CH₂⁺이 생성된다. 브로마이드 이온은 비결합 전자쌍을 양전하를 띤 탄소에 제공하여 브로모에탄을 생성하므로, 선택할 수 있는 서로 다른 구조 이성질체는 존재하지 않는다.

브로민은 전자풍부한 이중결합에 의해 극성이 되어 그 위에 첨가되며, 에틸렌은 1,2-디브로모에탄을 생성한다. 브로민의 탈색 현상은 적절한 유기 분석에서 불포화도를 지지하지만 단일 특정 알켄을 식별하지는 못한다. 입체 이성질체 제품 혼합물에 대한 불필요한 주장은 피해야 한다.

Other additions: hydrogen with nickel gives an alkane; steam with an acid catalyst gives an alcohol; cold, dilute acidified manganate(VII) oxidises C=C to a diol. State reagents and conditions, not only product names. In addition polymerisation, open each C=C into the polymer backbone, retain its side groups, and show brackets with bonds extending through them and $n$ outside. A repeat unit is the smallest backbone segment whose repetition describes the chain, including its side groups. No small molecule is eliminated. Polymer disposal needs evidence: sorting/recycling, persistence, biodegradable alternatives and removal of toxic incineration gases have different advantages and costs.

1. 질량40 이온이 $m/z=20$를 나타낸다. 전하를 설명하라.
2. 한 원소의 첫 세 번 째 이온화 에너지는 상대적으로 가까운데, 네 번째는 훨씬 크다. 이 점프만으로 추론할 수 있고 할 수 없는 것을 명시하라.
3. A gas occupies 0.240 dm³ at a molar volume of 24.0 dm³ mol⁻¹. A 0.480 g sample made this gas in a 1:1 reaction. Find the sample's molar mass and state one reason the experimental value could be too high.
4. 왜 같은 분자식이 알켄과 사이클로알카네를 모두 나타낼 수 있는가?
5. HBr이 CH₂=C(CH₃)₂에 첨가될 때 생성물을 예측하고 선호되는 카르보양이온을 설명하십시오.

정답. 1 A 2+ 이온은 단전하 질량-전하 비율의 절반입니다. 2 외곽 전자가 3개이며, 주요족 3/13와 일치합니다; 점프 자체로는 주기를 결정할 수 없습니다. 3 $n=V/V_m=0.240/24.0=0.0100\ \mathrm{mol}$; $M=m/n=0.480/0.0100=48.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}$. 누출은 측정된 기체 양을 줄이고 추정한 몰질을 높입니다. 4 고리 하나 또는 이중 결합 하나는 무회색 알카.print 대비 수소 개수를 2개 줄입니다. 5 2-브로모-2-메틸프로판; H가 CH₂에 첨가되어 삼차 카르보양이온이 형성된 후 Br⁻가 양전하 탄소에게 전자쌍을 공급합니다.