1 물

2 공기

3 금속과그이용

lb;esj8 ibwlrwⅠ

우리주변에는수없이많은물질이있는데, 우리는필요에따라이들을

이용하고있다. 특히, 생활 양식의변화및생활수준의향상으로새로운

물질을만들거나사용함으로써생활이더욱편리하고풍요롭게되었다.

이단원에서는우리의주변에있는물과공기및금속의성질을탐구하

여이들이우리생활에어떻게이용되고있는지알아보자.

Ⅰ. 주변의물질10

물은생물체를이루는중요한구성성분중하나이다. 사람의경우약 66%가

물로이루어져있으며, 생물체내에서일어나는화학반응도모두수용액상태에

서이루어지고있다. 이것은물이여러가지물질을잘녹일수있는성질을갖고

있기때문이다. 이단원에서는물의성질과이용및깨끗한물을보전하는방법

에대하여알아보자.

물은우리일상생활에서식수, 생활용수, 농업및공업용수등으로유용하게

쓰이고있다. 그러나우리가쓸수있는물은극히한정되어있는데, 그이유는

무엇일까?

1물의 특성을 물 분자의 구조 및 수소 결합과 관련지어 설명할수있다.

2수용액에서 이온 사이의 반응을 화학 반응식으로 나타내고뜻을말할수있다.

3물의특성으로나타나는자연현상을예를들어설명할수있다.

4물의정수과정에서화학적원리를적용할수있다.5수질 오염의 원인과 향 및 깨끗한 물 보전 방법을 말할수있다.

1학 표목습

물

1 자연계의물

빙하·빙산 2.15%

지하수 0.62%

대기 0.001%호수 0.017%

하천 0.0001%

생물체 0.0001%

나머지2.8%

바다97.2%

그림1-1.공지구상의물의분포(자료출처：한국수자원공사)

1. 물 11

지구상의물은고체, 액체, 기체로존재하는데대부분은바닷물로서약 97%

를차지하고, 나머지약 3%는담수로서남극과북극의얼음, 하천, 호수, 지하

수등으로존재하고있다.

물은 지구 표면의 71% 정도

를 덮고 있으며 이동과 상태 변

화를 반복하면서 끊임없이 순환

하고 있다. 바다, 강, 호수에 있

는 물은 태양 에너지를 받아 증

발하여 구름이 되고, 이 구름은

지구상을 떠돌아다니다가 비 또

는 눈이 되어 지구 표면으로 다

시 돌아온다. 육지에 내린 물의

대부분은하천을따라바다로흘

러가고 일부는 땅속으로 스며들

거나지표에서증발된다. 또한식

물에흡수된것은증산작용에의해다시대기속으로되돌아간다. 이와같이지

구는물의순환에의해동·식물이자라고번성하여무한한다양성과아름다움

을가지게되었다.

바다

증발증발

증산

증산

강과 호수

지하수

바람

태양 에너지바람

비

비

눈

얼음과 눈

그림1-2. 우주에서본지구 - 푸르게나타난부분이물이있는지역으로, 지구에얼마나많은물이있는지알수있다.

그림1-3. 물의순환

Ⅰ. 주변의물질12

물은 우리 주변에서 고체, 액체, 기체의 세 가지

상태로존재하는유일한물질이다.

물은수소원자두개와산소원자한개로이루어

진아주간단한화합물이지만성질은놀라울정도로

특이하다.

그러면물은어떤특성을가지고있는지알아보자.

2 물의특성

그림1-4. 물의세가지상태

우리주변에서물에의해나타나는현상들을물의성질에대한실험을통하여

알아보자.

표면장력1.

사람은소금쟁이처럼물위를걸어다닐수없을까? 있다면그방법을생각해보자.

생각해요

fi 1 물줄기모으기

준비물 음료수깡통, 송곳, 망치

과정 ❶ 음료수깡통에지름 2mm

정도의 구멍 3개를 5mm

간격으로뚫는다.

❷ 손가락으로구멍을막고깡

통에물을가득채운다.

❸ 손가락을떼어물이세줄기로흘러나오게한다.

❹ 엄지와검지손가락으로3개의물줄기를잡아한곳으로모은다.

❺ 물줄기가모아진상태에서음료수깡통을가볍게두들긴다.

실험

1. 물 13

그림1-5와같이물속에있는물분자는이웃한분자들의인력때문

에모든방향으로똑같이끌리게되지만표면에있는물분자들

은분자사이의인력에의해액체내부로만끌린다. 따라서, 액

체표면은가능한한표면적을작게하려는성질을갖게된다.

부피가일정할경우표면적이가장작은형태는공모양이므

로물방울은둥근모양을유지한다.

이와같이액체가 그 표면적을 최소화하려는 성질을 표면

장력이라고하는데, 물의표면장력은다른액체보다매우크다.

물음 1 액체는종류에따라표면장력의크기가다르다. 액체분자들사이의인력과표면장력사이에는

어떤관계가있는가?

결과정리 1 과정❹에서물줄기는한곳으로모이는가? 그이유가무엇인지토의해보자.

2 과정❺에서물줄기는어떻게되는가? 그이유가무엇인지생각해보자.

그림1-5. 표면장력이생기는원인

fi 2 저절로움직이는종이배

준비물 마분지혹은우유팩, 가위, 큰그릇(세수대야), 주방용세제, 스포이트

과정 ❶ 마분지나우유팩을오려서그림과같이구멍이있는종이배를 2개만든다.

❷ 큰그릇에물을담고종이배 2개를띄운다음, 한쪽종이배의구멍에주방용세제를한방울떨

어뜨린다.

결과정리 과정❷에서종이배가움직이는모양을살펴보고, 세제를떨어뜨리기전과비교하여이야기해보

자. 또그와같은현상이나타나는이유에대하여토의해보자.

실험

Ⅰ. 주변의물질14

고체상태의물질이융해되거나액체상태의물질이기화되기위해서는그물

질을이루는분자들사이의결합을끊어주어야하는데, 이때분자들사이의결

합이강할수록더많은에너지가필요하다.

그러면물분자들사이에는어떻게강한인력이생기는것일까?

물은한개의산소원자가두개의수소원자와결합한비교적간단한모양의

해안지역은내륙지역에비하여일교차가작을뿐만아니라여름에는시원하

고겨울에는따뜻하다. 그이유는무엇인지다음의탐구활동을통하여알아보자.

태양열의저장창고인물2.

사막에는 낮과 밤의 일교차가 매우커서사람이살지못할정도이다. 그이유는무엇일까?

생각해요

fi 3 물의녹는점과끓는점및비열

다다음 [자료1]은몇가지수소화합물의녹는점과끓는점을나타낸것이고, [자료2]는몇가지물

질의비열을나타낸것이다.

결과정리 1 물의녹는점과끓는점은분자량이비슷한다른물질보다매우높다. 그이유는무엇인가?

2 물의비열은다른물질에비하여매우크다. 이러한사실이우리일상생활에서어떻게이용되고

있는가?

3 더운여름날해변의모래위를걸으면뜨겁지만바닷물은시원하다. 그이유는무엇인가?

자료해석

[자료1]기몇가지물질의녹는점과끓는점(1기압)

물질 분자량 녹는점( ˘ C ) 끓는점( ˘ C )

H™O 18 0 100

CH¢ 16 -183 -164

NH£ 17 -77.7 -33

HF 20 -83 20

H™S 34 -85.5 -60

HCl 36.5 -114.2 -85

[자료2]기몇가지물질의비열

물질 비열(J/g¥˘C )

물 4.21

벤젠 1.73

수은 1.39

모래 0.84

철 0.45

구리 0.38

은 0.23

금 0.13

분자의질량을나타내는양,탄소 원자(⁄ § € C)의 질량을12.00으로정하고, 이것을기준으로비교한분자의상대적질량값

분자량

1. 물 15

분자이다.

물분자에서는산소원자가전자를끌어당기는힘이수소원자보다크므로*공유

전자쌍이산소원자쪽으로치우쳐비대칭적으로분포된다. 따라서, 물분자는**극

성을가지게되고, 극성인물분자에결합된수소원자와인접한물분자의산소원

자사이에는강한인력이작용하여결합하게되는데이것을수소결합(hydro-

gen bond)이라고한다. 수소결합은원자사이의결합보다약하지만물의물리

적성질과화학적성질에큰 향을미친다.

물분자들사이에형성된수소결합을끊는데많은에너지가필요하므로물은

분자량이비슷한다른물질에비해녹는점과끓는점이높고비열도크다. 물은

비열이다른물질에비해대단히크므로많은열을흡수하여도쉽게뜨거워지지

않고, 반대로많은열을방출하여도쉽게식지않는다. 지구표면에있는물은낮

에는열을흡수하고밤에는열을방출하기때문에지구의급격한온도변화를막

아주는역할을하고있다. 또한물의표면장력이큰것도강한수소결합때문

이다. 즉, 물과공기사이에는수소결합이형성되지않지만표면의물분자사이

에는수소결합이형성되어물표면에상당히탄력있는막이형성된다. 소금쟁

이가물위를걸을수있는것도, 물방울이둥근것도모두이때문이다.

지구표면의온도를조절하는바다Ø ˇ̋ ˇ̌

물은다른물질에비해비열이대단히크다. 이때문에연중많은햇빛이쏟아지는적도의

바닷물온도가겨우 25˘C에지나지않는다. 적도의바로남쪽과북쪽의바다에는언제나바

닷물이거대한규모로이동하고있다. 적도지방을향해찬물과빙산까지끌고내려오는한류

가있고, 극지방까지따뜻한물을운반하는난류가있다. 이와같이바닷물은전세계의바다

를돌면서열을나누어주며지구의기온을조절해주고있다. 멕시코만의난류는멕시코만을

떠날때폭80km, 깊이0.6km, 유속8km/h로써시간당거의400km‹ 의바닷물을이동

시킨다. 이물이운반하는열량은6억톤의석탄이탈때내는열량과같다. 세계의연간석탄

생산량을 20억톤으로추정하면그 ;3!;에해당하는열량을멕시코만난류는단한시간만에

운반하고있다.

물 분자H

d±

d± d±

d±d—

d—

d—

d—H

H

H

H

H

HO

O

O

OO

H

H

수소 결합,수소 ,결합,

그림1-6. 물분자의모양과수소결합

*공유전자쌍공유결합에관여하고있는전자쌍

**극성공유전자쌍이비대칭적으로분포되어원자가부분적으로전하를띠는것

Ⅰ. 주변의물질16

자연계에존재하는대부분의물질은온도가낮아지면부피가감소하여 도가

커진다. 그러나물은그렇지않다. 다음의탐구활동을통하여물의 도와온도

와의관계를알아보자.

물위에떠있는빙산3.

‘타이타닉(Tytanic)’이라는 화를보면바다위에나타난그다지크지않은얼음덩어리(빙산)에의해타이타닉호가충돌하여침몰하게된다. 이와같이큰배가그다지크지않은얼음덩어리에의해파손된이유는무엇일까?

생각해요

fi 4 물의 도와온도의관계

다음 [자료 ]는온도에따른물의 도변화를나타낸것이다.

[자료 ]

정리 1 물의 도는온도변화에따라어떻게변하는가? 얼음이물위에뜨는이유를물의 도와관련

지어보자.

2 강이나호수의물이수면위에서부터얼기시작하는이유는무엇인가?

발전 만약얼음의 도가물보다크다면강이나호수에서는어떤현상이일어나겠는지이야기해보자.

자료해석

최대(4$C)

도(g/cm‹)

온도($C)

H™O(고체)

H™O(액체)

1.0000

0.9999

0.9998

0.9169-4 -2 0 2 4 6 8 10

0.9170

0.9171

0.9172

0.9173

0.9174

1. 물 17

대부분의물질은액체에서고체로변할

때 부피가 감소하여 도가 커진다.

그러나물은얼음으로될때 도

가 작아진다. 그 이유는 무엇

일까?

물이 얼면 수소 결합에 의해

물 분자들이 규칙적으로 배열하

고그림1-7과같이육각형모양의

결정을만들면서빈공간이많이생

기므로 부피가 증가하여 도가 작아

진다.

물이얼면부피가늘어나기때문에겨울에수도관이터지는등의불편함이있

다. 그러나강이나호수의물이표면부터얼어얼음층아래에있는수많은수중

생물들이안전하게겨울을날수있게해준다.

물은자연계에존재하는물질중용매로서의기능이가장우수한물질이

다. 사람의몸은그림1-8과같이약 66%가물로이루어져있는데, 물은체

내에서세포액이나혈액, 림프등체액의성분이되며, 양분이나이산화탄

소, 노폐물등을녹여운반하는역할을한다.

이와같이물이여러가지물질을잘녹일수있는이유는물분자의극성

때문인데, 다음실험을통하여물의용해성을알아보자.

물의용해성4.

우리주변의물질중에는소금이나설탕처럼물에잘녹는것도있고, 나프탈렌이나식용유처럼잘녹지않는것도있다.그이유는무엇일까?

생각해요

물66%

기타 1%

단백질16%

지방13%

무기 화합물 4%

그림1-7. 얼음의구조및눈의결정

그림1-8. 인체를구성하는물질

물음 2 온도변화에따른물의부피변화를그래프로그려보자.

염화나트륨과 같이 이온으로 이루

어진 물질이 물에 잘 녹는 것은 그림

1-9와같이극성을띤물분자와이온

사이에인력이작용하여이온들이쉽

게떨어져나오기때문이다.

NaCl(s) 1⁄ Na±(aq)+Cl—(aq)

이와같이물은염화나트륨뿐만아니라설탕이나알코

올과같은탄소화합물도잘녹인다. 요오드가유기용매

인사염화탄소에잘녹는것도용매와용질의극성이모

두작기때문이다.

fi 5 컵속의태양

준비물 유리잔, 식용유, 빨간색유성물감, 에탄올, 물, 약숟가락, 스포이트

과정 ❶식용유에빨간색유성물감을적당량섞는다.

❷유리잔에에탄올을 ;3@;정도넣고과정❶에서

만든식용유를한숟가락정도넣는다.

❸과정❷의유리잔에스포이트로물을조금씩

떨어뜨린다.

결과정리 1 유리잔에물을조금씩넣으면빨간색식용유가떠오르는이유는무엇인가?

2 빨간색식용유가유리잔의중간에있을때스포이트로물을더넣으면완전히떠오른다. 이빨간

색식용유를다시가라앉히는방법에대하여토의해보자.

3 빨간색식용유가유리잔중간에있을때둥근공모양을하고있는이유를물의극성과관련지어

설명해보자.

실험

빨간색식용유가거의공모양이되었을때는더욱천천히떨어뜨려빨간색식용유가유리잔중간에오도록한다.

fi̋

나트륨 이온,(Na±),

,

염화나트륨,(NaCl),

,

물 분자,(H™O),

,

염화 이온,(Cl—),

,

그림1-9. 염화나트륨의용해현상

d—�

d± d±

H H

O

물 분자의 극성,

Ⅰ. 주변의물질18

1. 물 19

물은고체와액체상태의물질뿐만아니라기체상태의물질을녹이기도하는

데, 비가내릴때공기중의여러오염물질이비에녹아내리기때문에비가내

린후공기가맑아진다. 다음탐구를통하여물에대한기체의용해정도를알아

보자.

기체는온도가높아지면용해도가감소하고, 온도가일정할때기체의압력이

커지면용해도는증가한다. 20˘C, 1기압에서물 100g에녹는산소의질량은

4.4_10—› g, 이산화탄소는 1.7_10—€ g으로, 적은양이지만이들이물에녹는

다는것은물속의생물에게는매우중요하다. 모든수중생물들이물속에녹아

있는산소와이산화탄소를이용하여살아가기때문이다.

fi 6 기체의용해도

검다음그림㈎는냉장고속에넣어둔탄산음료수병의마개를열었을때나타나는현상이고, 그림

㈏는실온에놓아둔탄산음료수병의마개를열었을때나타나는현상이다.

정리 1 사이다나콜라와같은탄산음료수병의마개를열고컵에따르면거품이많이발생한다. 그이

유는무엇인가?

2 음료수병의마개를열었을때냉장고에넣어둔음료수보다실온에두었던음료수에서거품이

더많이나오는이유를설명해보자.

관찰

㈎ ㈏

물음 3 다음물질을물에녹는것과녹지않는것으로분류해보자.

ㄱ. 콩기름 ㄴ. 소금 ㄷ. 에탄올

ㄹ. 탄산칼슘 ㅁ. 설탕 ㅂ. 염화은

Ⅰ. 주변의물질20

알짜이온반응1.

이온성물질의양이온과음이온은양( + )전하와음( - )전하사이에강한정

전기적인력에의해결합되어있지만, 물에녹으면즉시양( + )이온과음( - )

이온으로이온화된다. 그러나물에녹기어려운물질이만들어지면앙금이되어

가라앉는다. 이때양이온과음이온의종류에따라서독특한색깔을띠게되는데,

이와같은앙금의색깔을이용하면수용액중에들어있는이온을알수있다.

수용액 상태의 질산은(AgNO£)과 염화나트륨(NaCl)이 반응하면 질산나

트륨(NaNO£)과흰색염화은(AgCl)의앙금이생성된다. 이반응을화학반

응식으로나타내면다음과같다.

AgNO£(aq)+NaCl(aq) 1⁄ AgCl(s)+NaNO£(aq)

그러나반응식중에서질산은, 염화나트륨, 질산나트륨은이온화합물로서, 이

들은수용액에서성분이온들로해리되어존재하므로이반응식은다음과같이

나타낼수있다.

fi 7 염화나트륨수용액과질산은수용액의반응

준비물 검은색종이, 유리판, 염화나트륨수용액, 질산은수용액, 스포이트

과정 ❶검은색종이를깔고, 그

위에유리판을놓는다.

❷유리판 위에 염화나트

륨수용액과질산은수

용액을한방울씩떨어

뜨린다.

결과정리 1 두수용액을혼합시켰을때어떤현상이일어나는가?

2 결과1로볼때혼합용액속에들어있는이온의종류는무엇인가?

실험

수용액에서일어나는앙금생성반응이나산과염기의중화반응은원자나분

자대신이온이관여하는반응이다. 이러한반응은어떻게나타내는지알아보자.

3 수용액에서의반응

1. 물 21

Ag±(aq)+NO£—(aq)+Na±(aq)+Cl—(aq)

1⁄ Na±(aq)+NO£—(aq)+AgCl(s)으

위반응을이온모형으로나타내면그림1-10과같다.

이반응에서실제로반응하는이온은은이온(Ag± )과염화이온(Cl— )으로,

나트륨이온(Na± )과질산이온(NO£—)은반응에참여하지않고이온상태로

존재한다. 화살표양쪽에있는공통이온을소거하면다음과같이나타낼수있다.

Ag±(aq) + Cl—(aq) 1⁄ AgCl(s)

이와같이반응하는이온만을나타낸반응식을알짜이온반응식(net ionic

equation)이라하며, 반응에참여하지않는이온을 구경꾼 이온(spectator

ion)이라고한다.

수산화나트륨(NaOH) 수용액에염산(HCl )을넣어주면수산화나트륨수

용액은그림1-11과같이점차염기성을잃고중성이된다.

이반응을화학반응식으로나타내면다음과같다.

NaOH(aq)+HCl(aq) 1⁄ NaCl(aq)+H™O(l)

Na±

Cl—

Cl—

Na±

AgCl(고체)

Ag±Na±

Na±

Ag±

NO£—

NO£—

NO£—

NO£—+

AgCl(고체)

그림1-10. 염화나트륨수용액과질산은수용액의반응

염기성, 염기성, 중성, 산성,

Na±

Na±OH—

OH— Na±Na±

OH— Na±

Na±

Na±

H±

H±

Cl—

Cl— Cl— Cl—

Cl—Cl—Cl—

H™O생성 H™O생성 Na±

H±Cl—

H±Cl—

그림1-11. 수산화나트륨수용액과염산수용액의중화반응

위반응식중에서수산화나트륨, 염산, 염화나트륨(NaCl)은수용액에서이

온들로해리되어존재하므로이온반응식은다음과같다.

Na±( aq)+OH—( aq)+H±(aq)+Cl—(aq)

1⁄ Na±(aq)+Cl—(aq)+H™O(l)서이온

이반응에서반응하는이온은산의수소이온과염기의수산화이온이며, 나트륨

이온과염화이온은구경꾼이온이다. 따라서, 알짜이온반응식은다음과같다.

H±(aq) + OH—(aq) 1⁄ H™O(l)

Ⅰ. 주변의물질22

화학반응식꾸미기2.

화학반응에서반응하는물질과생성되는물질을화학식을써서나타낸식을

화학반응식(chemical equation)이라고하는데, 화학변화가일어나도각

원자의종류와수는변하지않으므로반응전후에각원자의수가같아지도록화

학식앞에알맞은계수를붙여나타낸다.

수소와산소가반응하여물이생성되는반응의예를들어다음의화학반응식

을완성시켜보자.

①반응물질(수소와산소)은화살표왼쪽에, 생성물질(물)은화살표오른쪽에

화학식으로 쓴다. 수소와 산소 및 물은 분자로 존재하므로 각각 H™, O™,

H™O로쓴다.

②양쪽에있는각물질의분자중에포함된원자의수를서로비교한다.

반응 물질

수소,H™

H H H HO O O

반응 물질

산소,O™

생성 물질

O(산소) 원자,1개는 어디 ,갔을까?

물,H™O+

1. 물 23

③양쪽의각원자수가같아지도록분자의수를맞춘다.

④①의화학식에각분자의수를계수로화학식앞에적는다. 계수는가장간

단한정수비가되는것을사용하고1은생략한다.

2H™(g) + O™(g) 1⁄ 2H™O(l)

수소분자2개 산소분자1개 물분자2개

예를들어가정에서많이사용하는프로판 가스의연소반응을생각해보자.

먼저 프로판(C£H•)은 공기 중의 산소( O ™ )와 반응하여 이산화탄소(CO™ )와

수증기(H™O )를생성하므로화학식을써서나타내면다음과같다.

C£H•(g) + O™(g) 1⁄ CO™(g) + H™O(g)

다음으로반응물질과생성물질의각분자중에포함된원자의수를비교한다.

그리고반응물질과생성물질의원자수가같아지도록분자수를맞춘다.

끝으로분자식앞에계수를써서반응식을완성한다. 반응식의계수는분자수

의비를나타내므로반응식을알면반응하는물질의양적인관계를알수있다.

C£H•(g) + 5O™ (g) 1⁄ 3CO™(g) + 4H™O(g)

44g + 5_32g = 3_44g + 4_18g

반응물질 생성물질

탄소( C )원자 3개 1개수소( H )원자 8개 2개산소( O )원자 2개 3개

반응물질 생성물질

탄소( C ) 3개 C£H• 1개_3 3CO™

수소( H ) 8개 C£H• 2개_4 4H™O

산소( O ) 2개_5 5O™ 2개_3+1개_4 (3CO™+4H™O)

물음 4 ‘철+염산1⁄염화철(Ⅱ)+수소’의반응을화학반응식으로나타내어보자.

반응물질 생성물질