01

몰

• 원자량, 분자량, 화학식량의 뜻을 이해하고 설명할 수 있다.

• 아보가드로수와 몰의 뜻을 이해하고 설명할 수 있다.

화학식량

1

□ 원자량

원자의 질량은 매우 작아서 원자 1개의 질량을 직접 측정할 수 없고, 실제의 값을 그대로 사용하는 것도 불편하다. 따라서 특정 원자의 질량을 기준으로 다른 원자의 질량이 그 기준 원자 질량의 몇 배인가를 나타내는 상대적인 질량을 사용한다. 이러한 상대적인 질량값을 원자량이라고 하며, 이때 ▝질량수가 12인 탄소([eqn: rm &^{ 12}C])의 원자량을 12로 정하여 기준으로 삼는다.

| 그림 2 - 1 | 탄소 원자를 기준으로 할 때 수소 원자와 산소 원자의 상대적인 질량

C 원자 1개와 H 원자 12개의 질량이 같으므로, C의 원자량을 12라고하면 H의 원자량은 1이야.

C 원자 4개와 O 원자 3개의 질량

이 같으므로, C의 원자량을 12라고

하면 O의 원자량은 16이지.

다음 | 표 2 – 1 | 은 여러 가지 원소의 원소 기호와 원자량을 나타낸 것이다. 원자량은 상대적인 질량을 나타내는 값이므로 g이나 kg과 같은 단위를 붙이지 않는다.

| 표 2 - 1 | 여러 가지 원소의 원소 기호와 원자량

원소	원소 기호	원자량		원소	원소 기호	원자량
수소	H	1.0		나트륨	Na	23.0
탄소	C	12.0		황	S	32.1
질소	N	14.0		염소	Cl	35.5
산소	O	16.0		칼슘	Ca	40.1

원자 1개의 질량

원자	질량(g)
수소(H)	[eqn: 1.67 TIMES10 ^{ -24}]
탄소(C)	[eqn: 1.99 TIMES10 ^{ -23}]
산소(O)	[eqn: 2.66 TIMES10 ^{ -23}]

▝질량수

원자핵을 구성하는 양성자수와 중성자수의 합

질량수 = 양성자수 + 중성자수

Ⅱ-1. 원자의 구조 58쪽

026 | Ⅰ. 화학의 첫걸음

2. 물질의 양과 화학 반응식 | 027

	01 □ 분자량과 화학식량 분자는 원자들이 결합하여 이루어지므로, 원자량을 이용하면 분자의 상대적인 질량인 분자량을 구할 수 있다. 분자량은 분자를 구성하는 모든 원자들의 원자량을 합한 값이다. 예를 들어 산소([eqn: rm O _{ 2}]) 분자는 산소(O) 원자 2개로 이루어져 있고, 물([eqn: rmH _{ 2}O]) 분자는 산소(O) 원자 1개와 수소(H) 원자 2개로 이루어져 있으므로 | 그림 2 – 2 |와 같이 분자량을 구할 수 있다. | 그림 2 - 2 | 산소와 물의 분자량 한편, 염화 나트륨(NaCl)이나 탄산 칼슘([eqn: rm CaCO _{ 3}])과 같이 이온으로 이루어진 화합물은 화학식을 이용하여 화합물의 상대적인 질량을 구할 수 있다. 어떤 물질의 화학식을 이루는 각 원자의 원자량 합을 화학식량이라고 한다. 나트륨 이온([eqn: rm Na ^{ +}])과 염화 이온([eqn: rm Cl ^{ -}])이 1 : 1로 결합하고 있는 NaCl의 화학식량은 | 그림 2 – 3 |과 같이 구할 수 있다. | 그림 2 - 3 | 염화 나트륨의 화학식량 다음 화합물의 화학식량을 구해 보자. 01 ⑴ 암모니아 ([eqn: rmNH _{ 3}]) ⑵ 이산화 탄소([eqn: rm CO _{ 2}]) ⑶ 탄산 칼슘([eqn: rm CaCO _{ 3}]) ⑷ 수산화 나트륨(NaOH)
분자량은 화학식량에 포함 된다. (◯, ×) 왜냐하면

028 | Ⅰ. 화학의 첫걸음

몰 2 □ 몰과 아보가드로수 일상생활에서 수량이 많은 물건을 표현할 때는 낱개보다 묶음 단위로 표현하는 것이 편리하다. 예를 들어 연필 12자루는 한 다스, 달걀 30개는 한 판, 마늘 100개는 한 접으로 표현한다. 원자와 분자는 매우 작고 가벼워서 물질의 양이 적어도 그 속에는 매우 많은 수의 원자나 분자가 포함되어 있다. 따라서 원자와 분자도 묶음 단위를 사용하여 양을 표현하는 것이 편리하다. 원자와 분자에서는 ▝몰이라는 묶음 단위를 사용한다. 원자나 분자 1몰은[eqn: 6.02 TIMES10 ^{ 23}]개를 뜻하며, [eqn: 6.02 TIMES10 ^{ 23}]을 아보가드로수라고 한다. | 그림 2 - 4 | 몰과 입자 수의 관계 입자 수는 몰×([eqn: 6.02 TIMES10 ^{ 23}])개이다. 분자의 양(mol)을 알면 그 분자를 구성하고 있는 원자의 양(mol)도 알 수 있다. 물([eqn: rm H _{ 2}O]) 분자는 산소(O) 원자 1개와 수소(H) 원자 2개로 이루어져 있으므로 [eqn: rm H _{ 2}O] 분자 1몰에는 O 원자 1몰과 H 원자 2몰이 포함되어 있다. | 그림 2 - 5 | 물 분자와 물 분자를 구성하는 원자의 양 다음 분자 1몰에 들어 있는 원자의 양(mol)을 구해 보자. 02 ⑴ 에탄올([eqn: rm C _{ 2}H _{ 5}OH]) ⑵ 아세트산 ([eqn: rm CH _{ 3}COOH])	▝몰 몰은 ‘더미’를 뜻하는 라틴어인 mole에서 유래하였다. 1몰은 원자, 분자, 이온에 관계없이 입자가 아보가드로수(Avogadro’s number)만큼 있을 때의 양을 뜻한다. 몰을 단위로 사용할 때는 ‘mol’로 쓴다.

2. 물질의 양과 화학 반응식 | 029

01

□ 몰과 질량

어떤 물질 1몰의 질량은 화학식량 뒤에 그램(g) 단위를 붙인 양이다. 따라서 어떤 물질의

| 그림 2 - 6 | 탄소 원자 1몰의 질량

화학식량 뒤에 g을 붙인 질량만큼에는 그 물질을 이루는 입자

가 아보가드로수만큼 포함되어 있다. 예를 들어 원자량이

12인 탄소(C) 12 g 속에는 C 원자가 1몰, 즉

[eqn: 6.02 TIMES10 ^{ 23}]개가 포함되어 있다. 마찬가지로 분자량이

32인 산소([eqn: rm O _{ 2}]) 32 g 속에는 [eqn: rm O _{ 2}] 분자가 1몰, 즉

[eqn: 6.02 TIMES10 ^{ 23}]개가 포함되어 있다.

이산화 탄소([eqn: rm CO _{ 2}]) 분자 1몰을 이루는 탄소(C) 원자와 산소(O) 원자의 입자 수와 질량의 관계는 | 그림 2 – 7 |과 같다.

| 그림 2 - 7 | 이산화 탄소 분자 1몰을 이루는 입자 수와 질량의 관계

	메테인([eqn: rm CH _{ 4}]) 0.5몰의 질량(g)과 이 메테인에 포함되어 있는 수소 원자의 수를 구해 보자.
	1단계	[eqn: rm CH _{ 4}]의 분자량은 16이므로 [eqn: rm CH _{ 4}] 1몰의 질량은 16 g이다.
	2단계	[eqn: rm CH _{ 4}] 0.5몰의 질량은 0.5 mol×16 g/mol = 8 g이다.
	3단계	[eqn: rm CH _{ 4}] 1몰에는 H 원자 4몰이 포함되어 있으므로 [eqn: rm CH _{ 4}] 0.5몰에는 H 원자 2몰이 포함되어 있다. 따라서 H 원자의 수는 2 mol×[eqn: 6.02 TIMES10 ^{ 23}]/ mol = 1.204[eqn: TIMES rm 10 ^{ 24}]이다. 8 g, 1.204[eqn: TIMES rm 10 ^{ 24}]개 답

포도당([eqn: rm C _{ 6}H _{ 12}O _{ 6}]) 9 g에 포함되어 있는 [eqn: rm C _{ 6}H _{ 12}O _{ 6}]의 양(mol)을 구해 보자.

03

030 | Ⅰ. 화학의 첫걸음

□ 몰과 기체의 부피

화학식량을 이용하면 물질의 질량으로 물질에 포함된 입자 수를 알 수 있다. 그러나 기체는 질량보다 부피를 측정하기가 쉽다. 기체의 부피로 그 속에 포함된 기체의 입자 수를 알 수 있을까?

1811년 이탈리아의 과학자 아보가드로(Avogadro, A., 1776~1856)는 “온도와 압력이 같을 때 모든 기체는 같은 부피 속에 같은 수의 분자를 포함한다.”라고 하였다. 실제로 모든 기체는 0 ℃, 1기압에서 1몰의 부피는 22.4 L로 일정하다.

| 그림 2 – 8 | 0℃, 1기압에서 기체의 부피와 양의 관계

이러한 관계를 이용하면 기체의 부피로 그 속에 포함된 기체의 분자 수뿐만 아니라 기체의 질량도 알 수 있다. 0 ℃, 1기압에서 질소([eqn: rm N _{ 2}]) 기체 5.6 L 속에 포함된 [eqn: rm N _{ 2}] 분자의 양, 분자 수, 질량을 구해 보자.

양 구하기	0 ℃, 1기압에서 [eqn: rm N _{ 2}] 분자 1몰의 부피는 22.4 L이므로 5.6 L에 포함된 [eqn: rm N _{ 2}]의 양(mol)은 다음과 같다. 1 mol : 22.4 L = n : 5.6 L, n = 0.25 mol
분자 수 구하기	1몰은 [eqn: 6.02 TIMES10 ^{ 23}]개이므로 [eqn: rm N _{ 2}] 분자 0.25몰의 개수(x)는 다음과 같다. 1 mol : [eqn: 6.02 TIMES10 ^{ 23}] = 0.25 mol : x, x = 1.505[eqn: TIMES10 ^{ 23}]
질량 구하기	[eqn: rm N _{ 2}]의 분자량은 28이므로 [eqn: rm N _{ 2}] 분자 1몰의 질량은 28 g이다. 따라서 [eqn: rm N _{ 2}] 분자 0.25몰의 질량(y)은 다음과 같다. 1 mol : 28 g = 0.25 mol : y, y = 7 g

몰과 입자 수, 질량, 기체의 부피 사이의 관계를 식으로 정리하면 다음과 같다.

몰(mol)=[eqn: { 입자 ~수} over {6.02 TIMES10 ^{ 23}rm mol }]=[eqn: { 질량(rm g)} over {몰 ~질량(rmg/mol)` }]=[eqn: {기체의~부피(rm L)} over {22.4rmL/rm mol }] (0 ℃, 1기압)

0 ℃, 1기압에서 뷰테인([eqn: rm C _{ 4}H _{ 10}]) 기체 29 g의 부피(L)를 구해 보자.

04

0 ℃, 1기압에서 어떤 기체의 밀도가 1.25 g/L이다. 이 기체의 분자량을 구해 보자.

05

아보가드로

분자 개념을 도입하고, “온도와 압력이 같을 때 모든 기체는 같은 부피 속에 같은 수의 분자를 포함한다.”라는 가설을 발표하였다. 이 가설은 오랜 시간이 지난 뒤에 실험으로 증명되어 아보가드로 법칙으로 불리게 되었다.

연계 _ 화학 Ⅱ

아보가드로 법칙

Ⅰ-1. 물질의 세 가지 상태

| 그림 2 - 9 | 몰과 입자 수, 질량, 기체의 부피(0 ℃, 1기압) 사이의 관계

2. 물질의 양과 화학 반응식 | 031

	01
1몰의 양 체험하기 목표 | 물질 1몰의 양을 체험하는 실험을 계획하고 수행하여 1몰의 양을 체험할 수 있다. / 실험 설계 탐구 능력 · 문제 해결력
준비물 | 숯가루(탄소), 철 가루, 염화 나트륨, 물, 에탄올, 비커, 전자저울, 약숟가락, 시약포지, 비닐봉지(50 L), 고무풍선, 두꺼운 도화지, 자, 가위, 풀, 계산기, 보안경, 실험용 장갑 • 시약을 사용할 때에는 보안경을 착용하고, 시약 이 피부나 옷에 묻지 않 게 주의한다. • 에탄올은 가연성이 있으 므로 화기를 가까이하지 않는다. • 실험을 마치면 남은 물 질은 지정된 곳에 모아 처리한다.	| 문제 인식 | 다양한 물질 1몰의 양은 어느 정도일까? | 탐구 설계와 수행 | 가 고체 물질 1몰의 양 어림하고 체험하기 1. 모둠을 구성하고, 다음 물질을 준비하여 1몰의 양을 측정하는 실험을 계획해 보자. 준비물 □ 숯가루(탄소) □ 철 가루 □ 염화 나트륨 1몰의 양 측정 계획 · 숯가루 : · 철 가루 : · 염화 나트륨 : 2. 준비한 물질 1몰의 양을 어림해 보자. 3. 과정 1에서 계획한 대로 물질 1몰의 양을 측정하고, 어림한 양과 비교해 보자. 물질을 어림한 양과 측정한 양에 차이가 있는가? 나 액체 물질 1몰의 양 어림하고 체험하기 1. 모둠별로 다음 물질을 준비하여 1몰의 양을 측정하는 실험을 계획해 보자. 준비물 □ 물 □ 에탄올 1몰의 양 측정 계획 · 물 : · 에탄올 :

032 | Ⅰ. 화학의 첫걸음

2. 준비한 물질 1몰의 양을 어림해 보자. 3. 과정 1에서 계획한 대로 물질 1몰의 양을 측정하고, 어림한 양과 비교해 보자. 물질을 어림한 양과 측정한 양에 차이가 있는가? 다 기체 물질 1몰의 양 어림하고 체험하기 1. 모둠별로 비닐봉지를 준비하고, 공기 1몰의 부피를 어림하여 비닐봉지에 담아 보자. 2. 모둠별로 공기 1몰을 담을 수 있는 용기를 고안하여 만들어 보자.	를 수행할 때에는 주위의 온도와 압력이 0 ℃, 1기압이라고 가정한다.
▢ 고체 물질과 액체 물질 1몰의 질량을 정확히 측정하였는가? ▢ 기체 1몰의 부피를 체 험할 수 있는 용기를 알맞게 제작하였는가? □ 인성 자신의 의견을 적극적으로 표현하고, 모둠원의 다양한 의견 도 존중하였는가? □ 인성 모둠 활동을 할 때 맡은 역할에 최선을 다 하였는가? | 자료 해석과 논의 | 고체, 액체, 기체 물질 1몰의 부피를 비교할 때 부피가 가장 큰 상태와 그 까닭을 설명해 보자.

2. 물질의 양과 화학 반응식 | 033

02

화학 반응식

• 여러 가지 반응을 화학 반응식으로 나타낼 수 있다.

• 화학 반응식을 이용하여 화학 반응에서의 양적 관계를 설명할 수 있다.

물질의 상태를 나타내는 기호

상태	원어	기호
고체	solid	s
액체	liquid	l
기체	gas	g
수용액	aqueous solution	aq

화학식을 이용하여 화학 반응을 나타낸 식을 화학 반응식이라고 한다. 화학 반응식으로 화학 반응에 관여하는 물질의 종류뿐만 아니라 반응물과 생성물 사이의 양적 관계를 알 수 있다.

우리 주변에서 일어나는 여러 가지 화학 반응을 화학 반응식으로 나타내고, 이를 이용하여 반응물과 생성물 사이에 어떤 양적 관계가 있는지 살펴보자.

화학 반응식

1

화학 반응이 일어날 때는 반응 전후에 원자가 새로 생겨나거나 없어지지 않으므로 반응물과 생성물을 구성하는 원자의 종류와 수가 같다. 따라서 이를 이용하여 화학 반응식을 나타낼 수 있다.

수소와 산소가 반응하여 수증기를 생성하는 반응을 예로 들어 화학 반응식을 나타내 보자.

화학 반응식을 나타내는 방법

	반응물과 생성물을 화학식으로 나타낸다.	• 반응물: 수소 － [eqn: rm H _{ 2}], 산소 － [eqn: rm O _{ 2}] • 생성물: 수증기 － [eqn: rm H _{ 2}O]
	반응물은 왼쪽에, 생성물은 오른쪽에 쓰고, 그 사이를 ‘→’로 연결한다. 또, 반응물이나 생성물이 두 가지 이상이면 각 물질을 ‘+’로 연결한다.	수소 + 산소 → 수증기 [eqn: rm H _{ 2}] + [eqn: rm O _{ 2}] → [eqn: rm H _{ 2}O]
	반응물과 생성물을 구성하는 원자의 종류와 수가 같아지도록 화학식 앞의 계수를 맞춘다. 이때 계수는 가장 간단한 정수로 나타내고, 1이면 생략한다.	① 산소의 원자 수를 같게 맞춘다. [eqn: rm H _{ 2}] + → [eqn: rm H _{ 2}] ② 수소의 원자 수를 같게 맞춘다. + [eqn: rm O _{ 2}] → O
	물질의 상태는 ( ) 안에 기호를 써서 화학식 뒤에 표시한다.	고체: s, 액체: l, 기체: g, 수용액: aq 2[eqn: rm H _{ 2}](g) + [eqn: rm O _{ 2}](g) → 2[eqn: rm H _{ 2}O](g)

034 | Ⅰ. 화학의 첫걸음

액화 천연가스(LNG)의 주성분인 메테인([eqn: rm CH _{ 4}])이 연소하면 공기 중의 산소([eqn: rm O _{ 2}])와 반응하여 이산화 탄소([eqn: rm CO _{ 2}])와

물([eqn: rmH _{ 2}O])이 생성된다.

[eqn: rm CH _{ 4}](g) +2[eqn: rm O _{ 2}](g) → [eqn: rm CO _{ 2}](g) +2[eqn: rmH _{ 2}O](l)

실험실에서 많이 사용하는 석회수는 수산화 칼슘([eqn: rmCa(OH) _{ 2}]) 수용액이다. 석회수에 입김을 불어 넣으면 석회수와 입김 속 이산화 탄소([eqn: rm CO _{ 2}])가 반응하여 흰색 앙금인 탄산 칼슘([eqn: rm CaCO _{ 3}])이 생성되어 석회수가 뿌옇게 흐려진다.

[eqn: rmCa(OH) _{ 2}](aq) +[eqn: rm CO _{ 2}](g) → [eqn: rm CaCO _{ 3}](s) +[eqn: rmH _{ 2}O](l)

우리 주변에서는 여러 가지 화학 반응이 일어나고 있다. 이러한 화학

반응을 화학 반응식으로 나타내 보자.

	뷰테인([eqn: rm C _{ 4}H _{ 10}])이 공기 중에서 연소하여 이산화 탄소와 물을 생성하는 반응을 화학 반응식으로 나타내 보자.
	1단계	반응물은 뷰테인([eqn: rm C _{ 4}H _{ 10}])과 산소([eqn: rm O _{ 2}])이고, 생성물은 이산화 탄소([eqn: rm CO _{ 2}])와 물 ([eqn: rm H _{ 2}O])이다.
	2단계	반응물은 왼쪽에, 생성물은 오른쪽에 쓰고 →로 연결하면 다음과 같다. [eqn: rm C _{ 4}H _{ 10}] + [eqn: rm O _{ 2}] → [eqn: rm CO _{ 2}] + [eqn: rm H _{ 2}O]
	3단계	반응물과 생성물을 구성하는 원자의 종류와 수가 같아지도록 계수를 맞춘다. ① 반응식 양쪽에 한 번씩만 나오는 C와 H의 원자 수를 먼저 맞춘다. ② O 원자 수를 맞춘 다음, 계수가 정수가 되도록 전체 반응식에 2를 곱한다. 2[eqn: rm C _{ 4}H _{ 10}] + 13[eqn: rm O _{ 2}] → 8[eqn: rm CO _{ 2}] + 10[eqn: rm H _{ 2}O]
	4단계	물질의 상태를 표시하여 화학 반응식을 완성한다. 2[eqn: rm C _{ 4}H _{ 10}](g) + 13[eqn: rm O _{ 2}](g) → 8[eqn: rm CO _{ 2}](g) + 10[eqn: rm H _{ 2}O](l) 2[eqn: rm C _{ 4}H _{ 10}](g) + 13[eqn: rm O _{ 2}](g) → 8[eqn: rm CO _{ 2}](g) + 10[eqn: rm H _{ 2}O](l) 답

다음 (    ) 안에 알맞은 화학 반응식의 계수를 써 보자.

06

⑴ (    ) Al(s) + (    ) [eqn: rm O _{ 2}](g) → (    )[eqn: rmAl _{ 2}O _{ 3}](s)

⑵ (    ) [eqn: rm C_{ 2}H _{ 5}OH](l) + (    ) [eqn: rm O _{ 2}](g) → (    ) [eqn: rm CO _{ 2}](g) + (    )[eqn: rm H _{ 2}O](l)

질소와 수소가 반응하여 암모니아를 생성하는 반응을 화학 반응식으로 나타내 보자.

07

2. 물질의 양과 화학 반응식 | 035

02

화학 반응식을 완성하면 반응물과 생성물의 종류뿐만 아니라 몰, 질량, 부피 등의 여러 가지 양적 관계를 알 수 있다.

예를 들어 수소([eqn: rm H_{ 2}])와 산소([eqn: rm O _{ 2}])가 반응하여 수증기([eqn: rmH _{ 2}O])를 생성하는 반응의 화학 반응식으로 알 수 있는 사실은 | 그림 2 – 10 |과 같다.

| 그림 2 - 10 | 수증기 생성 반응의 화학 반응식으로 알 수 있는 사실

화학 반응식	2[eqn: rm H_{ 2}](g) + [eqn: rm O _{ 2}](g) → 2[eqn: rm H _{ 2}O](g)
물질의 종류
몰
질량
기체의 부피 (0 ℃, 1기압)

[eqn: rm H_{ 2}] 2몰은 [eqn: rm O _{ 2}] 1몰과 반응하여 [eqn: rmH _{ 2}O] 2몰을 생성한다. 따라서 반응하거나 생성된 물질의 몰비는 [eqn: rm H_{ 2}] : [eqn: rm O _{ 2}] : [eqn: rmH _{ 2}O] = 2 : 1 : 2이며, 이는 화학 반응식의 계수비와 같다.

또, [eqn: rm H_{ 2}] 4 g은 [eqn: rm O _{ 2}] 32 g과 반응하여 [eqn: rmH _{ 2}O] 36 g을 생성하므로, 반응하거나 생성된 물질의 질량비는 [eqn: rm H_{ 2}] : [eqn: rm O _{ 2}] : [eqn: rmH _{ 2}O] = 1 : 8 : 9이다. 이때 반응물의 총 질량(36 g)과 생성물의 총 질량(36 g)이 같으므로 ▝질량 보존 법칙이 성립함을 알 수 있다.

한편, 0 ℃, 1기압에서 기체 1몰의 부피는 22.4 L이다. [eqn: rm H_{ 2}] 44.8 L는 [eqn: rm O _{ 2}] 22.4 L와 반응하여 [eqn: rmH _{ 2}O] 44.8 L를 생성한다. 이때 반응하거나 생성된 물질의 부피비는 [eqn: rm H_{ 2}] : [eqn: rm O _{ 2}] : [eqn: rmH _{ 2}O] = 2 : 1 : 2로 화학 반응식의 계수비와 같다.

계수비 = 몰비 = 부피비(기체일 때) ≠ 질량비

메탄올([eqn: rm CH _{ 3}OH])이 공기 중에서 연소하면 이산화 탄소([eqn: rm CO _{ 2}])와 물([eqn: rm H _{ 2}O])이 생성된다. 1몰

08

의 [eqn: rm CH _{ 3}OH]이 완전 연소될 때 생성되는 [eqn: rm H _{ 2}O]의 양(mol)을 구해 보자.

▝질량 보존 법칙

화학 변화가 일어날 때 변화가 일어나기 전 물질의 총 질량과 변화가 일어난 후 물질의 총 질량은 서로 같다는 법칙이다. 1772년 프랑스의 라부아지에

(Lavoisier, A. L., 1743~

1794)가 처음으로 제안하였다.

완전 연소,

불완전 연소

완전 연소와 불완전 연소를 검색하여 그 뜻을 알아보자.

036 | Ⅰ. 화학의 첫걸음

화학 반응에서의 양적 관계

2

화학 반응에서 일정량의 생성물을 얻기 위해 필요한 반응물의 양은 어떻게 구할 수 있을까? 화학 반응식을 이용하여 반응물과 생성물의 양적 관계를 알아보는 방법을 살펴보자.

□ 화학 반응에서의 질량 관계

화학 반응식에서 각 물질의 계수비는 몰비와 같다. 이를 이용하면 반응물과 생성물 중 어느 한쪽의 질량만 알아도 다른 한쪽의 질량을 알 수 있다.

다음은 수소([eqn: rm H_{ 2}])와 질소([eqn: rm N _{ 2}])가 반응하여 암모니아([eqn: rm NH _{ 3}])를 생성하는 반응의 화학 반응식이다.

[eqn: rm N _{ 2}](g) + 3[eqn: rm H_{ 2}](g) → 2[eqn: rm NH _{ 3}](g)

반응물의 질량(g) 반응물의 양(mol) 생성물의 양(mol) 생성물의 질량(g)	14 g의 [eqn: rm N _{ 2}]가 모두 반응하였을 때 생성되는 [eqn: rm NH _{ 3}]의 질량을 구해 보자.
	먼저 반응한 [eqn: rm N _{ 2}]가 몇 몰인지 구해야 한다. [eqn: rm N _{ 2}] 1몰의 질량은 28 g이므로 [eqn: rm N _{ 2}] 14 g은 0.5몰이다.
	화학 반응식의 계수비는 몰비와 같고, 반응한 [eqn: rm N _{ 2}]와 생성된 [eqn: rm NH _{ 3}]의 계수비가 1 : 2이므로 0.5몰의 [eqn: rm N _{ 2}]가 모두 반응하면 1몰의 [eqn: rm NH _{ 3}]가 생성된다.
	마지막으로 [eqn: rm NH _{ 3}] 1몰의 질량은 17 g이므로 생성되는 [eqn: rm NH _{ 3}]의 질량은 17 g이다.

이와 같이 반응물과 생성물의 질량 관계를 알기 위해서는 반응물과 생성물의 양이 몇 몰인지 계산하는 과정을 거쳐야 한다.

다음 반응에서 포도당 ([eqn: rm C _{ 6}H _{ 12}O _{ 6}]) 18 g이 모두 반응하는 데 필요한 산소([eqn: rm O _{ 2}])의 질량 (g)

09

과 이때 생성되는 이산화 탄소([eqn: rm CO _{ 2}])의 질량 (g)을 각각 구해 보자.

[eqn: rm C _{ 6}H _{ 12}O _{ 6}](s) + 6[eqn: rm O _{ 2}](g) → 6[eqn: rm CO _{ 2}](g) + 6[eqn: rm H _{ 2}O](l)

□ 화학 반응에서의 부피 관계

화학 반응식에서 각 물질의 계수비는 기체의 부피비와 같다. 이를 이용하면 반응하는 기체와 생성되는 기체 중 어느 한쪽의 부피만 알아도 다른 한쪽의 부피를 알 수 있다.

다음은 프로페인([eqn: rm C_{ 3}H _{ 8}]) 연소 반응의 화학 반응식이다.

[eqn: rm C_{ 3}H _{ 8}](g) + 5[eqn: rm O _{ 2}](g) → 3[eqn: rm CO _{ 2}](g) + 4[eqn: rmH _{ 2}O](l)

일정한 온도와 압력에서 [eqn: rm C_{ 3}H _{ 8}] 10 L가 충분한 양의 [eqn: rm O _{ 2}]와 완전히 반응할 때 생성되는 [eqn: rm CO _{ 2}]의 부피를 구해 보자.

화학 반응식에서 계수비는 기체의 부피비와 같고, 반응한 [eqn: rm C_{ 3}H _{ 8}]과 생성된 [eqn: rm CO _{ 2}]의 계수비가 1 : 3이므로 [eqn: rm C_{ 3}H _{ 8}] 10 L가 모두 반응하면 [eqn: rm CO _{ 2}] 30 L가 생성된다.

2. 물질의 양과 화학 반응식 | 037

02

□ 화학 반응에서의 질량과 부피 관계

기체가 생성되는 화학 반응에서 화학 반응식을 이용하면 반응물의 질량으로 생성된 기체의 부피를 구할 수 있고, 반대로 생성된 기체의 부피로 반응물의 질량을 구할 수도 있다.

다음은 에탄올([eqn: rm C_{ 2}H _{ 5}OH]) 연소 반응의 화학 반응식이다.

[eqn: rm C_{ 2}H _{ 5}OH](l) +3[eqn: rm O _{ 2}](g) → 2[eqn: rm CO _{ 2}](g) + 3[eqn: rmH _{ 2}O](l)

반응물의 질량(g) 반응물의 양(mol) 생성물의 양(mol) 생성물의 부피(L) (0 ℃, 1기압)	[eqn: rm C_{ 2}H _{ 5}OH] 11.5 g이 완전 연소할 때 0 ℃, 1기압에서 생성되는 이산화 탄소([eqn: rm CO _{ 2}])의 부피를 구해 보자.
	먼저 반응한 [eqn: rm C_{ 2}H _{ 5}OH]이 몇 몰인지 구해야 한다. [eqn: rm C_{ 2}H _{ 5}OH] 1몰의 질량은 46 g이므로 [eqn: rm C_{ 2}H _{ 5}OH] 11.5 g은 0.25몰이다.
	화학 반응식의 계수비는 몰비와 같고, [eqn: rm C_{ 2}H _{ 5}OH]과 [eqn: rm CO _{ 2}]의 계수비는 1 : 2이므로 [eqn: rm C_{ 2}H _{ 5}OH] 0.25몰이 반응하여 생성된 [eqn: rm CO _{ 2}]는 0.5몰이다.
	마지막으로 0 ℃, 1기압에서 [eqn: rm CO _{ 2}] 1몰의 부피는 22.4 L이므로 [eqn: rm CO _{ 2}] 0.5몰의 부피는 11.2 L이다.

나트륨(Na) 조각을 물([eqn: rm H _{ 2}O])에 넣으면 다음과 같은 반응으로 수소([eqn: rm H_{ 2}]) 기체가 발생한다.

10

0 ℃, 1기압에서 [eqn: rm H_{ 2}] 4.48 L가 발생할 때 반응한 Na의 질량(g)을 구해 보자.

2Na(s) + 2[eqn: rm H _{ 2}O](l) → 2NaOH(aq) + [eqn: rm H_{ 2}](g)

사고력 · 탐구 능력 · 문제 해결력 · 의사소통 능력

화학 반응에서의 양적 관계 확인하기

목표 | 화학 반응에서 반응물과 생성물의 양적 관계를 확인할 수 있는 실험을 계획하고 수행하여 그 관계를 알 수 있다.

/  실험 설계

준비물 | 탄산 칼슘 1 g, 2 g, 3 g이 놓인 시약포지, 묽은 염산 70 mL가 담긴 삼각 플라스크 3개, 전자저울, 유리 막대, 보안경, 실험용 장갑

소수 둘째 자리까지 측정할 수 있는 전자저울을 사용한다.

주의

| 문제 인식 | 화학 반응에서 반응물과 생성물 사이에는 어떤 양적 관계가 성립할까?

| 탐구 설계와 수행 |

1. 탄산 칼슘([eqn: rm CaCO _{ 3}])과 묽은 염산(HCl(aq))의 반응으로 화학 반응에서의 양적 관계를 확

인하려고 한다. 모둠을 구성하고, 이 반응의 화학 반응식을 완성해 보자.

(     )[eqn: rm CaCO _{ 3}](s) + (     )HCl(aq) →

(     )[eqn: rmCaCl _{ 2}](aq) + (     )[eqn: rm CO _{ 2}](g) + (     )[eqn: rmH _{ 2}O](l)

화학

반응식

탄산 칼슘 1몰과 충분한 양의 묽은 염산이 반응할 때 발생하는 이산화 탄소는 몇 몰인가?

038 | Ⅰ. 화학의 첫걸음

2. 모둠별로 주어진 준비물을 이용하여 반응물인 탄산 칼슘과 생성물인 이산화 탄소 사이

의 양적 관계를 확인할 수 있는 실험을 계획해 보자.

탄산 칼슘과 묽은 염산이 반응할 때 발생하는 이산화 탄소의 질량은 어떻게 측정할 수 있을

까?

우리 모둠의 실험 계획

3. 모둠별로 계획한 실험을 수행하고, 그 결과를 표로 정리해 보자.

실험	1	2	3
반응한 [eqn: rm CaCO _{ 3}]의 질량(g)
발생한 [eqn: rm CO _{ 2}]의 질량(g)

| 자료 해석과 논의 |

1. 모둠별로 반응한 탄산 칼슘과 발생한 이산화 탄소의 양(mol)을 계산해 보자.

실험	1	2	3
반응한 [eqn: rm CaCO _{ 3}]의 양(mol)
발생한 [eqn: rm CO _{ 2}]의 양(mol)

2. 반응한 탄산 칼슘과 발생한 이산화 탄소의 양(mol) 사이에 어떤 관계가 있는지 모둠원

과 토의하여 발표해 보자.

| 결론 도출 |

화학 반응에서 반응물과 생성물 사이의 양적 관계를 설명해 보자.

• 시약을 사용할 때에는

보안경을 착용하고, 시약

이 피부나 옷에 묻지 않

게 주의한다. 특히 묽은

염산은 부식성이 있으므

로 피부에 묻지 않게 주

의한다.

• 유리 기구를 사용할 때

에는 떨어뜨리지 않게

주의한다.

• 실험을 마치면 남은 물

질은 지정된 곳에 모아

처리한다.

▢ 실험 계획이 타당한가?

▢ 발생하는 이산화 탄소

의 질량을 정확하게 측

정하였는가?

□ 인성 실험을 계획하고

수행할 때 모둠원과 협

력하였는가?

▢ 반응물과 생성물의 질

량을 몰로 환산하여 둘

사이의 양적 관계를 옳

게 설명하였는가?

2. 물질의 양과 화학 반응식 | 039