1 · Principles of chemistry

이 과정의 모든 내용은 하나의 언어로 서술됩니다: 입자, 식, 그리고 방정식. 섹션 1은 이를 다룹니다—고체, 액체, 기체에서 입자가 어떻게 배열되는지; 주기율표에 있는 원자의 구조와 배열 방식; 화학 반응에 대한 문장을 평형 방정식과 질량 계산으로 변환하는 방법; 그리고 세 가지 결합 유형이 각 물질에 어떤 성질을 부여하는지를 설명합니다.

Edexcel 국제 IGCSE 화학 4CH1, 섹션 1 (명제 1.1–1.60C)는 가장 큰 섹션이며 나머지 세 섹션의 기초가 됩니다. C로 끝나는 명제는 독립 과학(화학 전용) 확장 내용입니다.

고체: 입자가 규칙적인 패턴으로 고정된 위치에서 진동합니다. 액체: 입자가 서로 닿아 있지만 무작위로 서로 지나갑니다. 기체: 입자가 멀리 떨어져 있고 빠르며 무작위적으로 움직입니다. 상호 전환: 융해 / 응고, 비등 / 응결, 증발(표면만, 비등점 이하), 승화(고체 → 기체 직접). 입자를 분리할 때 에너지를 흡수하고 다시 결합할 때 방출합니다.

용매가 용질을 용해하여 용액을 만듭니다. 포화 용액은 특정 온도에서 용질이 가질 수 있는 최대량을 유지합니다. (C) 용해도는 명시된 온도에서 용매 100 g당 용해된 질량으로, 용해도 곡선을 통해 읽습니다. 선 위의 점은 포화 상태이며, 아래쪽은 불포화 상태입니다.

색상 있는 용액의 희석과 기체 확산(브로민이 공기 중으로 퍼짐) 모두 입자가 밀도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동함을 보여줍니다.

원소는 한 종류의 원자로 구성되며, 화합물은 화학적으로 결합된 서로 다른 원자로 이루어집니다. 혼합물은 화학적으로 결합되지 않습니다. 순수 물질은 명확한 융점/비등점을 가지며, 혼합물은 일련의 범위 내에서 융·비등합니다—순도를 확인하는 시험입니다.

작업에 맞는 분리 기술: 여과(액체에서 용해되지 않은 고체 제거); 결정(용액을 증발시켜 결정 남김); 간단 증류(용해된 고체로부터 액체 — 증발 후 응결); 분馏 증류(비등점이 가까운 액체들, 분馏 기둥 사용); 종 크로마토그래피(용매에서 다르게 녹는 용질).

Rf = 점 이동 거리 ÷ 용매 이동 거리. 같은 물질은 같은 용매에서 항상 동일한 Rf를 가집니다— known 값과 비교하여 혼합물의 성분을 식별할 수 있습니다.

원자 번호 = 양성자; 질량 번호 = 양성자 + 중성자. 동위원소는 양성자는 같으나 중성자가 다릅니다. 상대 원자 질량($A_r$)은 동위원소에 대한 가중 평균입니다.

작업 예시. 염소: 75 % Cl-35, 25 % Cl-37 → $A_r = (75 \times 35 + 25 \times 37)/100 = 35.5$.

The Periodic Table lists elements by atomic number into groups (columns, same outer electrons) and periods (rows). The first 20 electronic configurations follow 2,8,8,2 shells (e.g. sodium 2.8.1). Metals sit left/centre: their oxides are basic and they conduct; non-metal oxides are acidic. Group members behave alike because they have the same number of outer electrons; Group 0 noble gases have full outer shells and do not readily react.

상태 기호 (s), (l), (g), (aq)를 사용하여 화학 방정식을 평형으로 맞춥니다. $M_r$는 $A_r$ 값을 합합니다. 몰(mole)은 물질의 양을 나타내며, $n = m/M_r$(그램 단위의 질량)에 해당합니다.

풀이 예제 (반응 질량). 6.0 g의 마그네슘에서 마그네슘 산화물이 몇 g 생성되는가? $2\mathrm{Mg} + \mathrm{O_2} \rightarrow 2\mathrm{MgO}$: $n(\mathrm{Mg}) = 6.0/24 = 0.25$ mol → $n(\mathrm{MgO}) = 0.25$ mol → 질량 $= 0.25 \times 40 = 10$ g.

수율 = $=$ 실제 수율 ÷ 이론적 수율 × 100 %. ** empirical formula(간소 화식)** 은 가장 작은 정수 비율이며, 각 질량을 해당 $A_r$로 나누어 정수로 환산합니다. molecular formula(분자 식) 은 실제 원자 수로, $M_r$를 간소 화식의 질량으로 나누어 하기 인자를 구합니다.

풀이 예제. 한 탄화수소가 탄소(C) 85.7 %, 수소(H) 14.3 %를 포함할 때, C는 85.7/12 = 7.14, H는 14.3/1 = 14.3이므로 비는 1:2입니다. 따라서 간소 화식은 CH₂입니다. 분자 질량이 $M_r = 56$일 때, 56/14 = 4이므로 분자 식은 C₄H₈입니다.

(C) Solutions: $n = c \times V$ with $c$ in mol/dm³ and $V$ in dm³ (cm³ ÷ 1000). Gases: molar volume 24 dm³ at rtp, so $n = V/24$. (C-practical) A metal oxide's formula comes from combustion (weigh magnesium, burn, weigh the oxide) or reduction (weigh copper(II) oxide, reduce with hydrogen, weigh the copper).

이온 결합: 금속은 전자를 비금속에게 잃고, 전하를 띤 이온들이 거대 격자 내에서 정전기적으로 끌려 붙습니다. 점과 교차선 도식(electron dot-and-cross diagram)은 전자 이동(Groups 1–3 with 5–7)을 보여줍니다. 높은 융점(강한 인력); 용융 상태나 용액에서만 전기 전도(이온이 자유롭게 움직일 때). 전하를 외우십시오: 제1/2/3족 → 1+/2+/3+; 제5/6/7족 → 3−/2−/1−; Ag⁺, Cu²⁺, Fe²⁺, Fe³⁺, Pb²⁺, Zn²⁺; OH⁻, NH₄⁺, CO₃²⁻, NO₃⁻, SO₄²⁻. 화학식은 전하 균형을 맞춥니다: 칼슘 질산염 Ca(NO₃)₂, 암모늄 황산염 (NH₄)₂SO₄.

공유 결합: 전자 쌍을 공유합니다 (H₂, O₂, N₂, 할로겐, HCl, H₂O, NH₃, CO₂ 및 소분자 유기물 등의 점과 교차 선 도표). 단순 분자 물질은 분자 간 인력이 약하여 낮은 녹점을 가지며, 분자 질량이 증가함에 따라 $M_r$ 상승합니다. 이온이나 자유 전자가 없으므로 전기를 전도하지 않습니다. 거대 공유 결합: 다이아몬드(각 C가 4개의 다른 C와 결합 — 매우 단단, 비전도체), 그래파이트(3개 결합 + 각 C당 하나씩의 자유 전자, 층 간 약한 인력 — 부드러움, 전도체, 미끄러움), C₆₀ 풀러렌(단순 분자 cages).

(C) 금속 결합: 자유 전자의 바다에 양이온 격자가 존재하며 — 정전기적 인력에 의해 유지됩니다. 자유 전자는 전기를 전도하고, 층들은 밀려 넘어집니다(연성).

전해는 전기력을 이용해 액체 상태이거나 용해된 이온 화합물을 분해하는 과정입니다. 음극(cathode, 음극) 은 양이온(cations) 을 끌어당기고, 양극(anode, 양극) 은 음이온(anions) 을 끌어당깁니다. 액체 PbBr₂을 전해하면 음극에서 Pb가 생성되고 (Pb²⁺ + 2e⁻ → Pb), 양극에서 Br₂가 생성됩니다 (2Br⁻ → Br₂ + 2e⁻). 수용액 상태에서 금속이 수소보다 반응성이 크면 음극에서 수소가 생성됩니다. 양극에서는 할로겐 이온이 할로겐을 생성하고, 그렇지 않으면 산소를 생성합니다 (4OH⁻ → O₂ + 2H₂O + 4e⁻). 전자의 손실을 산화, 전자의 획득을 환원이라고 합니다.

1. 액체 상태 입자의 배열과 움직임을 설명하십시오.
2. 포화 용액(saturated solution)의 정의와 용해도(solubility)의 단위를 서술하십시오.
3. 끓는점이 가까운 두 가지 상용액(miscible liquids)을 분리하는 기법은 무엇인가?
4. 한 동위원소는 17개의 양성자와 20개의 중성자를 가집니다. 이 동위원소의 질량수와 각 입자의 개수를 쓰십시오.
5. 질량 20가 80%, 질량 22가 20%인 원소의 평균 원자 질량($A_r$)을 계산하십시오.
6. 상태 기호와 함께 평형 맞추기: 마그네슘 + 산소 → 산화마그네슘.
7. 8.4 g of the oxide of calcium forms from 6.0 g of calcium. Show the empirical formula of the oxide.
8. 탄산암모늄의 화학식을 쓰시오.
9. 그래파이트는 전기를 통하지만 다이아몬드는 통하지 않는 이유를 설명하시오.
10. (C) 용융된 염화칼륨을 전해할 때 각 전극에서 어떤 물질이 생성되는가?

Answers: 1 particles touch but are disordered, moving randomly past each other; 2 a solution containing the maximum mass of dissolved solute at that temperature; g per 100 g of solvent; 3 fractional distillation; 4 mass number 37; 17 protons, 20 neutrons, 17 electrons; 5 $(80 \times 20 + 20 \times 22)/100 = 20.4$; 6 2Mg(s) + O₂(g) → 2MgO(s); 7 Ca 6.0/40 = 0.15 mol; O mass 8.4 − 6.0 = 2.4 g → 2.4/16 = 0.15 mol; ratio 1:1 → empirical formula CaO; 8 (NH₄)₂CO₃; 9 graphite uses three bonds per carbon, leaving one delocalised electron per carbon free to move between layers — diamond uses all four in fixed bonds; 10 (C) potassium at the cathode (K⁺ + e⁻ → K) and chlorine at the anode (2Cl⁻ → Cl₂ + 2e⁻).