1. |
|
1. 소개
|
이번 강의는 화학의 기본적인 개념에 대해 소개하는 독특한 접근법을 다룰 것이다. 개념 개발 연구 접근법(CDS)은 20년 이상의 과정을 통해 Rice에서 만들어졌고, 시행되어졌고, 개발되어지고 정교화 되었다. 이 교육방법에서, 각각의 새로운 개념은 실험적 관찰과 과학적 추론으로부터 개발되었다. 대조적으로 대부분의 화학입문수업은 근거 없이 단순히 공인되어져온 사실로써의 각각의 개념을 보여주기만 한다. 이것은 왜 대부분의 화학개념이 추상적이며 접근불가능한지 말해준다. CDS 접근법은 가장 초보의 학생들에게 더 효과적인 것처럼 보인다. 나는 이번 첫 수업이 어떻게 더 효과적이고 더 재미있는 방법으로 화학을 배울 것인지에 대한 당신의 호기심을 자극하길 바란다. |
|
2. |
|
2. 원자 분자 이론과 원자의 질량
|
화학은 기본적으로 원자와 분자의 연구라고 이해되어질 수 있다. 이번 모듈에서, 우리는 모든 물질이 분자를 이루기 위해 결합한 원자들로 이루어져 있는 사실을 보여주기 위한 실험들을 조사할 것이다. 이러한 실험의 영리한 분석은 우리가 직접 관찰할 수 없는 입자들의 실재와 성질을 이해하도록 하면서 최고의 과학적 추론을 보여준다. 그리고 다양한 종류의 원자들의 상대적 질량을 측정함으로써, 화학 반응 동안의 반응물질과 생성물의 질량 비율을 예측할 수 있다. |
|
3. |
|
3. 원자의 구조와 전자각 모델
|
원자의 실재를 증명하고 분자를 만들기 위해 그것들이 결합하는 것을 아는 것이 어떻게 혹은 왜 이러한 원자들이 결합하는지를 예측하는 수단을 제공하지는 않는다. 이것은 개별 원자의 구조와 성질들에 대해 훨씬 자세한 것들을 요구한다. 이번 모듈에서, 우리는 원자핵 주변의 전자의 배열에 대한 모형을 포함하는 원자의 내부 구조를 보여주는 관찰을 함으로써 원자에 대한 이해를 확장하게 된다. |
|
4. |
|
4. 전자 에너지와 궤도
|
전자각 모형은 전자의 에너지와 운동을 포함하는 원자의 모든 관찰 가능한 성질을 설명하는 것은 아니다. 이번 모듈에서, 우리는 이러한 에너지가 양자화 되는 것을 관찰할 것이다. 우리는 또한 전자의 운동이 핵 주변의 전자들의 이동의 가능성을 제공하는 파동 즉 “궤도”에 의해 설명되어진다는 놀라운 사실을 보여주는 움직임을 관찰한다. 이번 모듈은 우리를 양자역학의 기이한 세계로 데려가 줄 것이다. |
|
5. |
|
5. 공유결합 분자의 결합과 구조
|
만들어 질 수 있는 화합물의 유형과 그러한 화합물의 성질을 이해하기 위하여, 우리는 어떻게 원자가 분자를 형성하기 위해 함께 결합되는지 이해해야만 한다. 이번 모듈에서, 우리는 공유결합이라고 불리는 비금속 원자끼리의 결합의 모형을 개발한다. 그 모형은 어떤 원자의 결합이 안정적이고 또 어떤 것이 불안정 적인지 예측하기 위해 사용된다. 분자의 구조를 관찰하는 것은 분자의 결합구조와 그러한 결합구조에 관련된 성질을 이해하기 위한 모형으로 이어진다. 이것으로부터, 우리는 어떻게 분자구조가 분자의 반응과 기능에 관련이 있는지 이해하고 예측하는 토대를 만든다. |
|
6. |
|
6. 결합의 유형: 비금속, 금속, 염
|
이번 모듈에서, 우리는 금속과 비금속 사이에 만들어지는 화합물의 성질을 관찰함으로써 우리의 결합 모형을 확장한다. 이러한 성질은 이온결합의 존재를 드러낸다. 그것은 공유결합 분자와는 대조적이다. 우리는 또한 금속 분자간의 결합을 설명해주는 모형을 이끌어 내면서 순수 금속과 금속 합성물의 성질을 고려한다. 우리는 3가지 결합 유형을 차별화하고 예측하는 수단을 개발한다. : 공유, 이온 그리고 금속 |
|
7. |
|
7. 에너지 변화와 반응 에너지
|
화학 반응은 가장 일반적으로 반응의 안팎으로 열을 전이하는 에너지 변화를 포함한다. 많은 화학반응은 열의 방출 혹은 다른 에너지의 형태 때문에 특수하게 이루어진다. 이번 모듈에서, 우리는 이러한 에너지 전이를 측정하는 수단을 개발하고 에너지 전이를 지배하는 법칙을 개발하기 위해 이 측정법을 사용한다. 이러한 법칙은 우리가 반응 중 에너지 변화를 계산하고 예측하도록 해주며 반응 중 부서지며 형성되는 원자 간 결합 에너지에 대한 반응 에너지를 이해하도록 해준다. |
|
8. |
|
8. 이상 기체 법칙과 속도-분자 이론
|
화학의 능력 중 하나는 개별 분자의 성질과 이 분자들이 만드는 화합물의 화학적 성질을 연관시키는 능력이다. 다시 말하면, 우리는 원자 분자의 세계와 물질의 거시적 세계를 연관시키길 원한다. 우리는 기체의 물리적 성질을 관찰하고 이러한 성질을 연관시키는 평형상태를 유도함으로써 이번 연구를 시작한다. 이 법칙으로부터, 우리는 어떻게 이러한 물리적 성질이 개별 분자의 성질과 움직임의 원인이 되는지 설명하는 모형을 고안할 수 있다. 온도의 중요성을 이해하는 것은 이번 연구에서 중요한 부분이다. |
|
9. |
|
9. 상전이와 상평형
|
물질은 다양한 물리적 상태로 존재할 수 있는데, 그것을 우리는 “상”이라고 부른다. 이것은 고체, 액체, 기체를 포함한다. 이번 모듈에서, 우리는 이러한 상들 사이의 전이를 연구한다. 그것은 온도나 압력의 특수한 혼합 상태에서만 발생되는 것이 보여진다. 게다가, 우리는 특수한 온도나 압력에서 상들이 서로 간의 평형 상태로 존재하는 것을 관찰하게 된다. 우리는 이전 모듈에서 이끌어낸 속도-분자 이론의 개념을 이용하여 상평형을 설명하는 모형을 관찰을 통한 개발한다. |
|
10. |
|
10. 반응 속도론
|
화학 반응은 매우 다양한 속도로 일어난다. 어떤 경우에는 많은 시간의 경과를 가지면서 관찰할 수 있을 만큼 매우 천천히 일어나며, 어떤 경우에는 폭발적으로 급속히 일어난다. 이번 모듈에서, 우리는 반응을 더 빠르게 혹은 더 천천히 진행시킬 수 있는 요소들을 결정하는 반응 속도의 측정을 개발한다. 이러한 관찰은 각각의 반응이 경험적 속도 법칙을 지니고 있는 속도 법칙이라고 불리는 것과 동일하게 요약되어진다. 속도 분자이론을 이용함으로써, 우리는 얼마나 그리고 왜 속도 법칙의 각각의 요소가 화학 반응의 속도를 결정함에 있어서 중요한지 이해하기 위해 모형을 개발한다. |
|
11. |
|
11. 화학 평형
|
많은 화학적 반응은 기본적으로 반응물질이 반응의 화학량론의 제한 내에서 생성물질을 만들어 내는데 모두 다 써버리는 것을 의미하는 “완료 상태"에서 관찰되어진다. 그러나 다른 화학반응은 완료 상태가 되지 않는다. 오히려, 우리는 반응물질과 생성물질이 특정 관찰 가능한 농도와 압력에서 동시에 존재하는 것을 관찰하게 된다. 이 반응물질과 생성물질 사이의 평형상태는 평형상수라고 불리는 공식 따라가는 것이 발견된다. 이번 모듈에서, 우리는 평형상태에서의 반응의 많은 예를 관찰하고, 평형상수를 측정하며, 화학적 반응의 산출을 최대화하는 방법에 대해 예측을 하기 위해 이것들을 사용한다. 이러한 중요한 반응에는 산과 염기도 포함되어진다. |
|
12. |
|
12. 화학 열역학
|
설명은 여기에 나온다. 화학에서 가장 난해한 것 중 하나는 화학반응을 유리하게 혹은 불리 하게 하는 요소들을 이해하는 것이다. 이번 모듈에서, 우리는 무엇이 절차를 자발적으로 하게하는지 관찰함으로써 이것을 이해하게 되며, 우리는 자발성을 예측하는 도구로써 엔트로피의 개념을 개발한다. 우리는 열역학의 두 번째 법칙을 관찰하고, 이것으로부터 “자유 에너지”라고 불리는 새로운 양에 기반을 둔 화학적 평형상태를 예측하는 모델을 개발한다. 우리는 자유에너지를 이전 모듈에서 관찰되어진 평형상수와 연관 지음으로써 모든 과학에서 가장 아름다운 이론 중 하나로 마무리하면서 결론을 내린다. |
|