화학반응(chemical reactions)의 종류 8가지, 합성(결합) 반응, 연소 반응, 분해반응. 단일치환반응, 이중치환반응, 산-염기반응. 산화-환원 반응, 앙금생성반응

 

화학반응(chemical reaction)은 물질의 원자에 있는 결합이 새로운 물질을 생성하기 위하여 재배열되는 과정입니다. 물질은 화학반응으로 생성되거나 파괴될 수 없습니다. 즉, 반응물(reactant)을 구성하는 원자의 유형과 수는 생성물(product)에도 동일하게 존재합니다. 단지 화학결합의 재배열만이 새로운 화합물을 만들어냅니다.

 

이러한 화학반응은 위험물기능사, 위험물산업기사, 위험물기능장 자격증 취득을 위해 반드시 숙지하고 있어야 합니다. 제1류 위험물 ~ 제6류 위험물에 해당하는 위험물의 화학반응식을 말합니다. 여기에 더해 소화제까지 포함하면 머리가 아플 지경입니다. 화학식 암기는 생각보다 어렵습니다. 그렇기에 기본적인 일반화학을 알고 있으면 이런 문제는 아주 간단히 해결됩니다. 

 

오늘 알려드릴 화학반응(chemical reactions) 종류 8가지만 알고 있으면 위험물 화학반응식은 눈감고도 풀 수 있게 됩니다. 저와 함께 화학반응 종류 7가지의 세계로 떠나 보시죠!

 

 

 

 

 화학반응

 

1. 원자들의 재배치를 일으켜 새로운 물질을 형성하는 화학반응

화학반응은 반응 전 물질인 반응물을 이용해 다른 물질인 생성물로 바꿉니다. 원소 자체는 방정식의 양쪽에 동일하게 있지만 반응이 일어난 후에는 다른 물질로 배열됩니다. 화학반응 시 원자 간의 결합이 깨지고 재생성되는데 이는 원자 간에 공유된 전자들이 재배치된다는 것을 의미합니다. 

 

 

2. 가역반응과 비가역반응

어떤 유형의 화학반응은 조건이 변경되면 다시 반응물로 되돌릴 수도 있고 (가역반응), 어떤 유형의 화학반응은 모든 반응물이 사용될 때까지 되돌릴 수 없을 진행되기도 합니다. (비가역 반응). 연소반응이나 두 가지 용해 물질에서 고체 생성물을 형성하는 앙금생성반응과 같은 특정 유형의 화학반응은 일반적으로 한 방향으로만 진행됩니다.

 

산소가 있는 곳에서 연소하여 열과 빛 에너지 그리고 이산화탄소 가스와 물을 생산하는 탄화수소 연료의 연소는 비가역 반응의 좋은 예가 됩니다.있습니다. 어떤 화학반응은 반응물과 생성물이 화학적 평형(반응물과 생성물 질량이 변하지 않는 상태)에 도달할 때까지 양쪽(정반응과 역반응)으로 진행되기도 합니다.

 

 

3. 질량보존의 법칙과 화학 반응식의 균형

질량보존의 법칙(the Law of Conservation of Matter)에 따라 화학반응은 새로 생성되거나 파괴될 수 없습니다. 균형을 맞춘 화학 반응식은 반응식 양쪽에 있는 원자를 정확히 설명하기 위해 반응물 원자의 수가 생성물 원자의 수와 동일해질 때까지 반응물과 생성물에 계수(coefficient)를 더합니다.

 

예를 들어 수소 및 산소 가스에서 물을 생성하는 반응은 다음과 같습니다.

      $H_2+O_2\to H_{2}O$

 

위의 반응식은 균형이 잡혀있지 않습니다. 양쪽에 두 개의 수소 원자가 있지만 산소 원자의 수는 같지 않습니다. 반응식의 균형을 맞추기 위해선 화학식 양쪽에 동일한 수의 수소와 산소 원자가 있도록 만드는 계수를 추가합니다.

      $2H_2+O_2\to 2H_{2}O$

 

위와 같이 균형 잡힌 반응식에서는 반응식의 양쪽에 총 4개의 수소 원자와 2개의 산소 원자가 있습니다.

물의 화학반응_질량보존의 법칙과 화학반응식의 균형

 

 

 

 

화학반응의 종류 8가지

 

1. 화학 반응의 종류

대부분의 화학 반응은 아래의 7 종류로 구분되며, 화학 반응식을 쓰거나 다른 반응물을 예측하는데 도움이 됩니다.

    ① 합성(결합) 반응 : Synthesis)

    ② 연소(Combustion) 반응

    ③ 분해(Decomposition) 반응

    ④ 단일 치환(Single Displacement) 반응

    ⑤ 이중 치환(Double Displacement) 반응

    ⑥ 산-염기 반응

    ⑦ 산화-환원 (Redox ← Reduction-Oxidation) 반응

    ⑧ 앙금생성반응(Precipitaion reaction)

 

 

 

2. 합성(결합) 반응 : Synthesis Rx)

두 가지 반응물이 결합하여 한 가지 생성물을 만드는 반응입니다. 합성(결합) 반응은 가장 기본적이며 중요한 화학반응입니다. 이것은 신약 합성, 유기 화학에서 새로운 제품이나 원ㆍ부재료 등을 얻기 위한 수많은 합성 등에 사용됩니다.

 

    - 합성(결합) 반응식의 일반적 형태 (A, B는 원소이거나 화합물, AB는 반드시 화합물)

       대다수는 결합된 상태의 반응물을 구성하는 이온(Ion) 전하에 대한 정보를 알고 있으면, 화합물의 화학식을 결정할 수 있습니다.

합성(결합) 반응식

        $2Mg+O_2\to 2MgO$

        $N_2+O_2\to 2NO$

        $N{a}_{2}O+H_{2}O\to 2NaOH$

        $S{O}_3+H_{2}O\to H_{2}S{O}_4$

        $H_2+C{l}_2\to 2HCl$

        $N_2+3H_2\to 2N{H}_3$

        $HCl+N{H}_3\to N{H}_{4}Cl$

        $C+O_2\to C{O}_2$

 

 

 

3. 연소(Combustion) 반응

    ① 어떤 물질이 산소와 반응하여 산화물을 형성하는 반응

         대부분의 일반적인 연소 반응은 탄화수소와 산소 사이에 일어나는 반응으로 반응의 결과 이산화탄소와 물을 생성하게 됩니다.

 

        예) $C{H}_4(g)+2O_2(g)\to 2C{O}_2(g)+2H2O(g)$

              $C_8{H}_{1}8(l)+25O_2(g)\to 16C{O}_2(g)+18H_{2}O(g)$

              $C_2{H}_{5}OH(l)+3O_2(g)\to 2C{O}_2(g)+3H_{2}O(g)$

 

    ② 탄화수소가 주성분인 화석 연료의 연소

         화석 연료의 연소 반응의 생성물이 반드시 수소 화합물, 탄소 화합물만은 아니며, 화석 연료는 대부분 황화물을 포함하며, 연소 시 황화물을 생성합니다. 이런 조건 하에서는 또한 공기 중의 질소도 산화물을 형성하게 되고, 연소 부산물로 황 산화물, 질소 산화물을 생성합니다.

 

          예) $S(s)+O_2(g)\to S{O}_2(g)$

                 $C{S}_2+3O_2\to C{O}_2+2S{O}_2$

                 $N_2(g)+2O_2(g)\to 2N{O}_2(g)$

                 $N_2(g)+O_2(g)\to 2NO(g)$

 

 

 

4. 분해(Decomposition) 반응(합성 반응의 역반응)

     ① 단일 물질(화합물)이 분해되어 두 가지 이상의 다른 물질을 생성하는 반응 (합성 반응의 역반응)으로, 출발 물질은 화합물, 생성물은 원소 또는 화합물입니다.

 

     ② 분해 반응의 생성물 예측은 쉽지 않으나 산소가 포함된 화합물을 가열하면 흔히 분해 반응이 일어납니다. (흔히 반응의 결과 기체가 형성되는 반응들)

분반응식

          예) $2Pb{O}_2(s)\to 2PbO(s)+O_2(g)$

                $CaC{O}_3(s)\to CaO(s)+C{O}_2(g)$

                $2H_2{O}_2(l)\to C_2{H}_{2}O(g)+O_2(g)$

                $CuC{l}_2(l)\to Cu(s)+C{l}_2(g)$

                $2HgO(g)\to 2Hg(s)+O_2(g)$

                $H_{2}C{O}_3(g)\to H_{2}O(l)+C{O}_2(g)$

 

 

 

5. 단일 치환(Single Displacement)  반응

그림1. 금속 및 할로겐의 이온화 경향

    1) 한 원소가 화합물과 반응, 기존 화합물의 한 원소를 치환하고 화합물을 이루고 있는 다른 원소와 결합하여 새로운 화합물을 생성하는 반응입니다.

 

         ① 만일 A가 금속이며 반응성(금속의 이온화 경향)이 B보다 클 때 AC를 생성하게 됩니다.

               - 그림1. 금속 및 할로겐의 이온화 경향 참조

단일 치환 반응

               예) $Zn(s)+2HCl(aq)\to H_2(g)+ZnC{l}_2(aq)$

                      $2Al(s)+3H_{2}S{O}_4(aq)\to 3H_2(g)+A{l}_{2}S{O}_4(aq)$

                      $2Na(s)+2H_{2}O(l)\to H_2(g)+2NaOH(aq)$

                      $Ca(s)+2H_{2}O(l)\to H_2(g)+Ca(OH{)}_2(aq)$

                      $3Fe(s)+4H_{2}O(g)\to 4H_2(g)+F{e}_3{O}_4(aq)$

                      $Fe(s)+CuS{O}_4(aq)\to Cu(s)+FeS{O}_4(aq)$

                      $Cu(s)+2AgN{O}_3(aq)\to 2Ag(s)+Cu(N{O}_3{)}_2(aq)$

 

         ② 만일 A가 Halogen(7족)이며 반응성 (금속의 이온화 경향)이 C보다 클 때 BA를 생성하게 됩니다.

               - 그림1. 금속 및 할로겐의 이온화 경향 참조

 

               예) $C{l}_2(g)+2NaBr(aq)\to B{r}_2(l)+2NaCl(aq)$

                      $C{l}_2(g)+2KI(aq)\to I_2(l)+2KCl(aq)$

 

 

    2) 금속이 물($H_{2}O$)이나 산($Hx-$)을 만나 수소를 치환하는 반응에서 금속의 상대적 반응성에 따라 반응의 발생 여부가 판단 가능합니다.

 

          예) ① $K,Ca,Na$ : 물(냉수), 수증기, 산에서 수소를 치환

                 ② $Mg,Al,Zn,Fe$ : 수증기와 산에서 수소를 치환

                 ③ $Ni,Sn,Pb$ : 산에서만 수소를 치환

                       - $Cu,Ag,Hg,Au,Pb$ : 수소로 치환 불가

 

    3) 단일 치환 반응의 전형적 예

          ① A, B가 금속이고 A가 더 반응성이 클 때

                - 금속(s) + 산(aq) → 수소(g) + 염(aq)

                   예) $2Al(s)+3H_{2}S{O}_4(aq)\to 3H_2(g)+A{l}_2(S{O}_4{)}_3(aq)$

 

          ② 금속이 물을 만나 H를 치환하는 반응

                 - 금속(s) + 물(l) → 수소(g) + 수산화/산화 금속

                    예) $2Na(s)+2H_{2}O(l)\to 2NaOH(aq)+H_2(g)$

 

           ③ 금속/할로겐이 염을 만나 금속/할로겐과 (반응물 염이 아닌) 또 다른 염을 형성하는 반응

                  - 금속/할로겐 + 염1 → 금속(g) + 염2

                     예) $Fe(s)+CuS{O}_4(aq)\to Cu(s)+FeS{O}_4(aq)$

                            $C{l}_2(g)+2KI(aq)\to I_2(s)+2KCl(aq)$

 

 

 

6. 이중 치환(복분해) 반응

    1) 두 화합물 내 구성 원소(Ion)들이 서로 결합 상대를 바꾸어 재결합(양ㆍ음 Ion들이 상호 교환)하여 새로운 두 화합물을 생성하는 반응입니다.

 

 

    2) 주의사항

         - 반응이 진행되지 않더라도 두 반응 화합물의 상태가 서로 혼합되어 있는 것처럼 화학식을 표현할 수 있으므로 이중 치환 반응에서는 반응의 물리적 증거를 확인할 필요가 있습니다.

 

            예) $NaCl(aq)+2KN{O}_2(aq)\to NaN{O}_3(aq)+KCl(aq)$

                   위의 화학식을 보면 두 종류의 수용액이 서로 섞였다고 해서 반드시 그 속에서 ‘화학반응이 발생한다’라는 물리적 변화가 보이지 않는다는 것입니다.

 

 

    3) 이중 치환 반응의 물리적 증거들

          ① 물의 생성으로 인한 열 발생

                 - $H^{+}+O{H}^{-}\to H_{2}O$ : 산 + 염기의 중화 반응, 산화 금속(염기) + 산 → 염 + 물 + 열

 

                   예) $HCl(aq)+NaOH(aq)\to NaCl(aq)+H_{2}O(l)$ + 열

                         $H_{2}S{O}_4(aq)+Ba(OH{)}_2(aq)\to BaS{O}_4(s)+2H_{2}O(l)$ + 열

                         $CuO(s)+2HN{O}_3(aq)\to Cu(N{O}_3{)}_2(aq)+H_{2}O(l)$ + 열

                         $CaO(s)+2HCl(aq)\to CaC{l}_2(aq)+H_{2}O(l)$ + 열

 

          ② 침전물 고체의 형성 – 고체 생성물(s)의 용해 여부에 대한 판단 필요

                생성물로 고체가 일부 형성되어 다른 생성물(물, 또는 수용액)에 용해되지 않는다면 침전물로 가라앉아야 합니다. 만일 용해되는( = 녹는) 경우 침전물은 보이지 않아야 합니다.

 

                 예) $BaC{l}_2(aq)+2AgN{O}_3(aq)\to 2AgCl(s)+Ba(N{O}_3{)}_2(aq)$

                        $Pb(N{O}_3{)}_2(aq)+2KI(aq)\to Pb{I}_2(s)+2KN{O}_3(aq)$

 

          ③ 기체(기포)의 형성

                예) $H_{2}S{O}_4(aq)+NaCl(s)\to NaHS{O}_4(s)+HCl(g)$

                       $2HCl(aq)+ZnS(s)\to ZnC{l}_2(aq)+2H_{2}S(g)$

 

                 - 간접적으로 기체가 생성될 수 있는데, 이런 경우 이중 치환 반응에 의해 생성된 불안정한 화합물들이 다시 분해되어 물과 기체를 생성하게 됩니다. (반응을 두 단계로 나누어 볼 수 있습니다)

                  예) $2HCl(aq)+N{a}_{2}C{O}_3(aq)\to 2NaCl(aq)+H_{2}C{O}_3(aq)\to 2NaCl(aq)+H_{2}O(l)+C{O}_2(g)$

                         $2HN{O}_3(aq)+K_{2}S{O}_3(aq)\to 2KN{O}_3(aq)+H_{2}S{O}_3(aq)\to 2KN{O}_3(aq)+H_{2}O(l)+S{O}_2(g)$

                         $2N{H}_{4}Cl(aq)+NaOH(aq)\to NaCl(aq)+N{H}_{4}OH(aq)\to NaCl(aq)+H_{2}O(l)+C{O}_2(g)$

 

 

    ★ 2 ~ 6까지는 기본적인 화학반응 형식으로써 여기에는 산화와 환원반응, 산과 염기반응, 앙금생성반응 등도 해당하게 됩니다.

 

        ① 합성반응이며 산화와 환원반응, 연소반응의 예

               - $2Mg+O_2\to 2MgO$

               - $S+O_2\to S{O}_2$

               - $C+O_2\to C{O}_2$

 

        ② ​ 합성반응이며 산화와 화원반응, 부식반응의 예

​                - $4Fe+3O_2\to 2F{e}_2{O}_3$

 

        ③ 치환반응이며 산화와 환원반응의 예

              - $2NaCl+F_2\to 2NaF+C{l}_2$

 

        ④ 이중치환(복분해) 반응이며 앙금생성반응의 예

              - $AgN{O}_3+NaCl\to AgCl\downarrow +NaN{O}_3$

              - AgCl인 불용성염(앙금)이 생성됩니다.

 

        ⑤ 치환반응(단일치환)이며 앙금생성반응은 아니고 산화와 환원반응으로써 금속(Ag)이 석출 되는 반응의 예

​              - $Cu+2AgN{O}_3\to Ag\downarrow +Cu(N{O}_3{)}_2$

 

        ⑥ 이중치환(복분해) 반응이며,산과 염기반응, 중화반응의 예

              ㉠ 이중치환반응은 보통 산화와 환원반응이 없습니다(산화와 환원반응은 이중치환반응이 아님). 

              ㉡ 이중치환반응에서는 두 분자 사이에 두 개의 이온종이 교환되는 반면, 산화와 환원반응에서는 두 화학종 사이의 전자 교환이 일어난다는 것이 차이점입니다.

              ㉢ ​산과 염기의 중화반응과 앙금생성반응은 둘 다 이중치환반응이라는 공통점이 있지만, 앙금생성반응은 산과 염기의 반응이 아니라는 차이점도 있습니다.

 

              - $HCl+NaOH\to NaCl+H_{2}O$

 

        ⑦ 이온교환반응의 예

              - 전하만 이동하는 반응으로 산화와 환원반응입니다.

              - $Zn+C{u}_2\to Z{n}_2+CU$

 

 

 

7. 산-염기 반응

산($-H$)과 염기($-OH$)가 만나 염과 물을 만드는 중화반응입니다. 이온이 서로 교환이므로 산화수 변화는 없습니다.

    - 산($-H$)과 염기($-OH$)가 만나 염과 물을 만드는 중화반응입니다. 이온이 서로 교환이므로 산화수 변화는 없습니다.

        $C{H}_{3}COOH+NaOH\to C{H}_{3}COONa+H_{2}O$

 

    - 염산($HCl$)과 수산화칼슘($CaOH$) 수용액을 혼합하면 생성되는 것은 무엇인가요?

        ㆍ$2HCl+Ca(OH{)}_2$ → ?

 

       ① 염산 수용액에서 염산($HCl$)이 이온화되어 무엇이 되는지 확인합니다.

              $2HCl(aq)\to 2H^{+}(aq)+2C{l}^{-}(aq)$

  

        ② 수산화칼슘 수용액에서 수산화칼슘($Ca(OH{)}_2$)이 이온화되어 무엇이 되었는지 확인합니다.

              $Ca(OH{)}_2(aq)\to C{a}^2+(aq)+2O{H}^{-}(aq)$

 

        ③  두 용액을 혼합하면 $H^{+}$ 이온과 $O{H}^{-}$ 이온이 반응하여 물이 생성됩니다.

               $2H^{+}(aq)+2O{H}^{-}(aq)\to 2H_{2}O(l)$

  

      ④ 나머지 이온은 그대로 존재합니다.

               $2H^{+}(aq)$ + $2C{l}^{-}(aq)$ + $C{a}^2$${}^{+}$$(aq)$ + $2O{H}^{-}(aq)$ → $C{a}^2$${}^{-}$$(aq)$ + $2C{l}^{-}(aq)+2H_{2}O(l)$

  

        ⑤ 분자 반응식으로 변환합니다.

              $2HCl(aq)+Ca(OH{)}_2(aq)\to CaC{l}_2(aq)+2H_{2}O(l)$

 

        ⑥ 산 + 염기 → 염기 + 물 : $2HCl+Ca(OH{)}_2\to CaC{l}_2+2H_{2}O$

 

 

 

8. 산화-환원 (Redox ← Reduction-Oxidation) 반응

수용액에서 일어나는 일반적인 반응의 형태는 두 화학종 간의 전자 이동을 포함하는 것이다. 이런 반응을 산화-환원 반응이라고 부른다. 금속과 산의 반응을 포함한 많은 반응들이 이 범주에 속한다.

​

 

산화와 환원 반응은 산화수가 변하는 반응이며, 대표적인 5가지 유형으로써 조합(combination), 분해(decomposition), 치환(displacement), 연소(combustion), 불균등화(disproportion) 반응이 있습니다.

 

    - $Cl$의 산화수가 0에서 -1과 +1로 환원 및 산화되었습니다. 복잡화된 치환반응의 일종입니다.

       $C{l}_2+H_{2}O\to HCl+HOCl$​

 

    ★ 참고 _ 산화수 구하는 규칙

 

산화수를 구하는 규칙과 산화수 계산 방법

 

 

9. 앙금생성반응(Precipitaion reaction)

    ① 금속이 앙금처럼 석출 되는 반응은 석출반응이며, 산화수가 변화하므로 산화와 환원반응이고 따라서 앙금생성반응이 아닙니다.

         - $Cu+2AgN{O}_3\to 2Ag\downarrow +Cu(N{O}_3{)}_2$

 

    ② 앙금생성반응은 수용성이온(또는 수용성염)들이 반응하여 불용성염을 생성합니다.

          - $BaC{l}_2+N{a}_{2}S{O}_4\to BaS{O}_4\downarrow +2NaCl$