화학 결합
원소 - 물질을 이루는 성분 (종류적 의미)
원자 - 물질을 이루는 가장 작은 입자 (수/개수적 의미)
분자 - 원자가 화학적 결합을 통해 만들어진 입자
18족 원소의 안전성
- 헬륨(He), 네온(Ne), 아르곤(Ar) 등의 18족 원소는 다른 원소와 결합하지 않고, 1개의 원자로 존재
- 18족 원소는 다른 원소와 거의 반응하지 않는다.
- 헬륨의 최외각 전자 수 = 2, 네온과 아르곤의 최외각 전자 수 = 8
- 18족 원소(헬륨, 네온, 아르곤)의 원자가 전자 수 = 0 ('안정하다'라고 표현)
화학 결합을 형성하는 원소
- 질소, 산소, 나트륨 등의 원자는 다른 원자와 결합하여 18족 원소와 같은 최외각 전자 수를 가지려는 성질이 있다.
-> 질소(N)의 원자가 전자수 = 5 (3개의 전자 필요)
-> 산소(O)의 원자가 전자수 = 6 (2개의 전자 필요)
-> 나트륨(Na)의 원자가 전자수 = 1 (1개의 전자를 잃는다)
- 원소들이 화학 결합을 통해 최외각 전자 수가 18족 원소와 같아지려는 성질 때문에 우리 주변에 수많은 물질이 존재
+ 드라이아이스 = 탄소와 산소가 결합하여 만들어진 이산화 탄소의 고체 상태
과학자 주장
톰슨 : 원자들이 화학 결합을 형성할 때 한 원자에서 다른 원자로 전자가 이동
루이스 : 정육면체의 꼭짓점에 전자가 배열되고, 화학 결합은 그 빈 곳을 채우기 위해 전자가 이동한 결과
이온 결합 - 금속 원소의 양이온과 비금속 원소의 음이온 사이의 정전기적 인력에 의한 결합
ex. 염화 나트륨(NaCl), 염화 칼륨(KCl), 염화 칼슘(CaCl₂), 산화 마그네슘(MgO), 황산 나트륨(Na₂SO₄), 염화 알루미늄(AlCl₃) 등 (금속 원소, 비금속 원소)
- 나트륨은 전자 1개를 잃고 나트륨 이온(Na+)이 되기 쉽고, 염소는 전자를 1개 얻어 염화 이온(Cl-)이 되기 쉽다
- 나트륨 이온과 염화 이온은 정전기적 인력에 의해 서로 결합하여 염화나트륨이 형성된다.
원소의 성질로 결정되는 화학 결합의 종류
| 양이온 이름 (이온식) |
수소 이온 (H+) |
리튬 이온 (Li+) |
나트륨 이온 (Na+) |
칼륨 이온 (K+) |
칼슘 이온 (Ca²+) |
마그네슘 이온 (Mg²+) |
| 음이온 이름 (이온식) |
염화 이온 (Cl-) |
산화 이온 (O²-) |
황화 이온 (S²-) |
수산화 이온 (OH-) |
질산 이온 (NO₃-) |
탄산 이온 (CO₃²-) |
화학 결합 ex.
수소이온 + 염화 이온 = HCl
칼슘이온 + 염화 이온*2 = CaCl₂
이온 결합 물질
- 수많은 양이온과 음이온이 이온결합을 형성하여 삼차원적으로 둘러싸서 결정을 이룸
고체 상태 - 양이온과 음이온이 서로 강하게 결합하고 있어 이온이 이동할 수 없어 전기 안 통함
액체 상태나 수용액 상태 - 이온이 자유롭게 이동할 수 있어 전기가 잘 통함
+ 염화 칼슘 - 겨울철에 내린 눈이나 얼음을 녹이는 성질(어는점을 내림)이 있어 제설제로 이용
- 이온 결합 물질은 대부분 녹는점과 끓는점이 높아 실온에서 대부분 고체 상태로 존재
ex. 지각을 구성하는 물질의 대부분을 차지하는 규산염 광물(여러 금속 양이온 + 규산 이온)은 이온결합 물질로 녹는점이 높아 고체 상태이다
공유 결합 - 비금속 원소들이 결합하여 화합물을 만들 때 각각의 원자들이 전자를 공유함으로써 형성되는 결합
ex. 수소(H₂), 질소(N₂), 산소(O₂), 이산화 탄소(CO₂), 물(H₂O), 설탕(C₁₂H₂₂O₁₁), 메테인(CH₄), 암모니아(NH₃), 염화 수소(HCl) 등
-> 2개의 수소 원자(최외각 전자 수 : 1)가 전자를 1개씩 서로 공유하여 수소 분자가 형성 (헬륨과 같은 최외각 전자 수)
-> 1개의 산소 원자(최외각 전자 수 : 6)가 2개의 수소 원자와 전자를 공유하여 물 분자가 형성된다. (산소는 네온, 수소는 헬륨과 같은 최외각 전자 수)
공유 결합 물질
고체, 액체, 수용액 상태 - 이온이 없어서 대체로 전기가 잘 안 통함
+ 설탕은 물에 녹아도 이온이 아닌 분자 상태로 존재하므로 설탕물은 전기가 잘 통하지 않음
- 공유결합 물질은 녹는점과 끓는점이 비교적 낮아 대부분 상온에서 액체나 기체 상태로 존재
ex. 공기를 이루는 질소와 산소, 바다를 이루는 물 등 = 공유 결합 물질
중력
지구상의 여러 가지 힘
- 구름과 지면 사이에 전기력이 작용하여 번개가 발생
- 암벽을 탈 때는 바위와 신발 사이에 마찰력이 작용
- 중력이 작용하여 비와 눈이 내리고, 강물이 바다로 흘러감
- 물놀이를 할 때 고무 튜브를 이용하면 부력을 받아 물 위에 떠 있음
- 자기력을 이용하여 나침반으로 방향을 찾을 수 있음
- 장대높이뛰기를 할 때는 장대의 탄성력을 이용
역학적 시스템
- 여러 가지 힘이 상호 작용 하는 시스템
- 지구 시스템과 생명 시스템을 유지하는 데 중요한 역할을 하고 있다
중력
- 지구와 물체 사이에 항상 작용하는 당기는 힘
- 물체의 다양한 운동의 원인
ex. 비, 눈, 우박 등이 내림 / 번지 점프와 스카이다이빙을 함 / 달과 인공위성이 지구 주위를 돔 / 물이 높은 곳에서 낮은 곳으로 떨어짐 / 활시위를 당겨 활을 쏠 때, 화살이 나아가면서 떨어짐 / 가만히 놓은 공과 나무에 매달린 사과가 지면으로 떨어짐
- 중력 때문에 사람이 앉고 서거나 건물을 지을 수 있음
- 지구 시스템과 생명 시스템을 유지하는 데 필수적
- 지구상의 모든 물체는 지구 중심 방향으로 떨어짐 = 중력은 방향은 지구 중심 방향
+ 떨어지는 중 = 무중력
중력의 크기 - 물체의 무게로 나타내며, 무게가 무거울수록 물체에 작용하는 중력이 큼
질량이 1kg인 물체의 무게 = 약 9.8 N ( 중력의 단위 : 힘의 단위인 뉴턴(N) 사용 )
중력의 크기(무게) = 9.8(중력가속도) x 물체의 질량
( W = MG )
정지 상태에서 아래로 떨어지는 물체 vs 수평으로 던진 물체
- 수평 방향으로는 위치 변화향이 일정
- 연직 방향(아래로)은 위치 변화량이 점점 증가 (계속 중력이 작용해서 속도 일정하게 높아짐)
공통점
- 시간에 따른 연직 방향의 위치가 동일하므로 연직 방향으로 동일한 운동을 함.
- 두 불체는 속력이 일정하게 증가하는 운동을 함 (등가속 운동)
차이점
아래로 떨어지는 물체 - 수평 방향으로 운도하지 않음
수평으로 던진 물체 - 수평 방향으로 속력이 일정한 운동을 함(등속 운동)
자유 낙하 운동
- 공기의 저항을 무시할 때, 물체가 중력만 받아 낙하하는 운동
ex. 사과가 나무에서 떨어진다 / 손에 잠고 있던 공을 놓으면 아래로 떨어진다
- 물체의 시간에 따른 위치 변화를 보면 물체 사이의 간격이 점점 넓어진다
-> 자유 낙하 물체는 낙하하는 동안 중력을 받으며, 물체의 속력은 일정하게 증가한다
중력 가속도
- 중력에 의해 자유 낙하하는 물체의 속력이 1초에 9.8m/s씩 일정하게 증가하는 것
- 크기 = 약 9.8 m/s²
= 등가속도 운동
- 지표면 근처에서 자유 낙하는 물체는 물체의 질량과 관계없이 중력 가속도가 모두 같다
- 같은 높이에서 자유 낙하하는 물체는 질량에 관계없이 속력이 일정하게 증가하여 지면에 동시에 도달
- 일상생활에서는 공기 중에서 물체가 낙하할 때 중력뿐만 아니라 공기 저항력이 함께 작용해서, 공기저항력의 영향을 적게 받는 물체가 빨리 떨어진다
수평으로 던진 물체의 운동
- 수평 방향으로는 공에 힘이 작용하지 않아 같은 시간 간격 동안 공이 이동한 거리가 같으므로 공의 속력은 일정하다(등속 직선 운동)
- 연직 방향으로는 중력에 의해 자유 낙하 운동을 해서 같은 시간 간격 동안 공이 이동한 거리가 점점 증가한다
- 수평 방향과 연직 방향의 운동이 합쳐져 곡선을 그리는 운동을 한다
- 동일한 높이에서 수평으로 던진 물체와 자유 낙하 하는 물체는 동시에 지면에 도달한다
(수평방향으로 던지는 속력이 클수록 낙하하는 시간 동안 수평 방향으로 더 멀리 나아간다)
+ 지금보다 공의 수평 방향의 속력이 절반으로 줄었을 때, 수평 방향의 위치 변화 : ½배, 연직 방향의 위치 : 변함없음
중력이 지구 시스템과 생명 시스템에 미치는 영향
- 중력은 지구 시스템과 생명 시스템을 유지하는데 필수적인 역할을 한다
지구 시스템 -> 지구의 대기층 형성 / 달이 지구 주위를 공전 / 지구의 대기와 해수 순환 / 다양한 기상 현상 발생
생명 시스템 -> 공기층이 지표 근처에 존재해 동식물 호흡 가능 / 생명체의 생명 활동 (다리에 있는 판막이 피를 심장으로 보냄 / 식물은 중력이 작용하는 방향으로 뿌리내리고(굴지성), 반대 방향으로 줄기 뻗음 / 척추동물은 전정 기관이 중력을 감지하여 몸의 평형을 유지하거나 자세의 안정감을 찾음)
운동과 충돌
관성
- 물체가 자신의 운동 상태를 유지하려고 하는 성질 (일정한 속도를 유지하려는 성질)
ex. 도로 위의 자동차 자퀴 자국은 제동 장치가 작동된 후, 관성에 의해 자동차가 미끄러지면서 생김
- 물체의 힘이 작용하지 않으면 정지 상태인 물체는 계속 정지해 있고, 운동하던 물체는 기존의 운동 상태 유지
관성의 크기
- 질량이 클수록 관성이 크다
- 질량이 클수록 운동 상태를 변화시키기 어려움
ex. 승용차보다 질량이 큰 버스는 정지시키거나 출발시키기 더 어렵다
관성 법칙 (뉴턴의 제1법칙)
- 물체에 힘이 작용하지 않으면 정지하고 있던 물체는 계속 정지해 있고, 운동하던 물체는 기존의 운동 상태를 유지한다
운동량 (P)
- 물체가 운동할 때 물체의 질량과 속력의 곱으로 나타내는 물리량
- 운동하는 물체의 운동 효과는 질량이 클수록, 속력이 빠를수록 크다
P(운동량의 크기) = M(물체의 질량) * V(물체의 속력)
운동량의 크기
- 물체의 질량이 클수록, 속력이 빠를수록 크다
-> 운동하는 물체의 속력이 변할 때 물체의 운동량도 변한다
-> 자동체가 제동 장치를 작동하여 멈추게 되면 자동차의 속력이 0이 되므로 물체의 운동량도 0이 된다 (M*0 = 0)
-> 제동 장치를 작동하기 전 자동차의 속력이 빠를수록 자동차의 운동량이 변하는 정도는 크다
힘 - 물체의 모양이나 운동 상태를 변화시키는 원인
운동 상태 - 물체의 빠르기(속력)와 운동 방향을 의미
힘의 효과 - 물체가 힘을 받으면 물체의 모양이 변하거나, 운동 상태가 변하거나, 모양과 운동 상태가 모두 변한다
힘이 운동 방향과
-> 같은 방향으로 작용할 때 : 물체의 속력이 증가한다
ex. 자유 낙하 운동
-> 반대 방향으로 작용할 때 : 물체의 속력이 감소한다
ex. 자동차 브레이크
-> 수직으로 작용할 때 : 물체의 운동 방향이 변한다
-> 비스듬하게 작용할 때 : 물체의 속력과 운동 방향이 모두 변한다
힘, 질량 속력 변화량의 관계
- 물체의 단위 시간당 속력 변화량은 물체의 질량에 반비례하고, 작용하는 힘의 크기에 비례
-> 질량의 크기가 같을 때 : 힘과 속도 변화는 비례
-> 힘의 크기가 일정할 때 : 질량과 속도 변화는 반비례
가속도 법칙 (뉴턴의 제2법칙)
- 물체의 단위 시간당 속력 변화량은 물체의 질량에 반비례하고, 작용하는 힘의 크기에 비례한다
A(단위 시간당 속력 변화량 / 가속도) = F(힘의 크기) / M(물체의 질량)
F(힘의 크기) = M(물체의 질량) * A(단위 사간당 속력 변화량 / 가속도)
작용 반작용 법칙 (뉴턴의 제3법칙)
- 한 물체가 다른 물체에 힘(작용)을 가하면, 동시에 힘을 받은 물체도 상대 물체에 크기가 같고 방향이 반대인 힘(반작용)을 가한다
ex.
- 수영 선수가 벽을 밀고 나아갈 때 수영 선수가 벽에 미는 힘(작용)을 가하면 벽도 수영 선수에 미는 힘(반작용)을 가한다
- 여우가 튀어 오를 때 다리가 땅을 밀어내는 힘(작용)을 가하면 땅도 다리를 밀어 올리는 힘(반작용)을 가한다
- 로켓이 가스를 뿜으며 위로 올라갈 때 로켓이 가스를 아래 방향으로 뿜어내는 힘(작용)을 가하면 가스도 로켓을 위 방향으로 밀어 올리는 힘(반작용)을 가한다
+ 얼음판 위의 정중앙에서 어른(의 질량 = 아이의 2배)과 아이가 스케이트를 신고 손바닥으로 서로 밀고 있을 때 누가 더 빨리 얼음판의 가장자리에 도달할까?
-> 작용 반작용 법칙에 의해 어른과 아이가 받는 힘의 크기는 서로 같으나, 질량의 차이로 인해 속력 변화 정도가 다르다
-> 힘의 크기가 같을 때 속력 변화량은 질량에 반비례하므로 질량이 작은 아이의 속력이 더 빨라서 아이가 얼음판 가장자리에 먼저 도달한다
충격량 - 충돌 과정에서 물체가 받는 충격의 정도
I(충격량) = F(힘) * T(충돌 시간)
충격량 = 운동량의 변화량 = 나중운동량(MV) - 처음 운동량(MVо) = M(V-Vо)
충격량의 크기 - 충돌 과정에서 받는 힘이 클수록, 힘을 받는 시간이 길수록 크다
- 운동량과 충격량의 관계 : 물체가 받는 충격량 = 물체의 운동량 변화량
- 충격을 줄이는 방법 : 충돌 시간을 길게 하여 물체가 받는 힘을 줄인다
- 물체가 받는 충격량이 같을 때, 충돌 시간이 길어지면 충돌 과정에서 받는 힘이 줄어든다 (힘과 충돌시간 = 반비례 관계)
ex. 포수의 두꺼운 글러브, 자동차 범퍼, 자전거의 스프링 등
- 자동차가 같은 속력으로 충돌하여 정지할 때, 충돌 시간이 짧으면 자동차가 받는 힘이 커서 자동차가 많이 부서짐
-> 자동차와 상자가 충돌할 때 : 운동량의 변화가 긴 시간 동안 이루어져 자동차가 받는 힘은 작음
-> 자동차와 벽이 충돌할 때 : 운동량의 변화가 짧은 시간 동안 이루어져 자동차가 받는 힘은 큼
포수가 (가) 글러브를 몸 쪽으로 당기지 않고 야구공을 잡을 경우와 (나) 글러브를 몸 쪽으로 당기면서 야구공을 잡을 경우
- 충돌 직전 두 야구공의 질량과 속력이 같아 운동량이 같고, 충돌 후 두 야구공이 정지하여 속력이 0이 되어 운동량이 같다
-> 두 야구공의 운동량 변화량(충격량)은 같다
- 운동량의 변화량(충격량)이 같을 때 충돌 시간이 길어지면 힘의 크기는 작아진다
-> 작용 반작용 법칙에 의해 글러브가 받는 힘의 크기도 작아진다
힘과 충돌 시간의 관계 그래프
- 힘과 충돌시간의 관계 그래프의 넓이 = '힘 x 충돌 시간' = 충격량
- 충격량 : '가' = '나' ('가'와 '나'의 그래프의 넓이 같음)
- '가'와 '나'에서 포수가 받는 충격량이 같으므로, 충돌 시간이 길어지면 포수가 받는 힘의 크기가 줄어든다
충돌 상황에서 안전사고 예방 방법과 안전장치 (충돌 시간 늘리기)
- 스포츠 활동과 일상생활에서 충격을 줄이는 방법
-> 높은 곳에서 뛰어내릴 때 무릎을 굽힌다
-> 무릎 보호대, 어깨 보호대, 손목 보호대 등을 사용
-> 물건을 충격에서 보호하기 위해 스타이로폼, 뽁뽁이 등의 충전재로 포장
- 자동차 충돌 시 충격을 줄여주는 장치 : 자동차 에어백과 안전띠, 범퍼, 도로의 가드레일 등
-> 자동차 에어백 : 운전자가 딱딱한 곳에 부딪히는 것을 방지하여 운전자에게 작용하는 힘을 줄여줌
-> 자동차 범퍼 : 부서지기 쉬운 재질로 만들고, 내부가 비어 있어 충돌 시간을 길게 함
-> 도로의 가드레일 : 자동차가 도로를 이탈하는 것을 막고, 충돌시간을 길게 해 줌
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