Ch.4
화학 반응에서의 질량 관계II
3.1 여러 다른 수준에서의 화학 표현 3.2 화학 반응식의 균형 맞추기
3.3 화학 계산: 화학량론 3.4 화학 반응의 수득률
3.5 반응물의 양에 한계가 있는 반응 3.6 조성 백분율과 실험식
3.7 실험식 결정: 원소 분석
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3.4 화학 반응의 수득률
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• 많은 분자들은 대부분이 예상한 것처럼 반응함.
• 부반응(side reaction)이라고 하는 다른 과정으로도 반응이 일어남.
• 실제로 생성된 생성물의 양, 즉 반응의 수득률(yield)은 일반적으로 예상된 양보다 적음.
반응에서 실질적으로 생성된 양.
계산에 의하여 예상된 양.
실제 수득률:
이론 수득률:
예) 어떤 주어진 반응이 화학량론에 따라 6.9 g 생성물을 생성할 수는 있지만, 실제로 4.7 g만 생성되었음. 그 수득 백분율은?
4.7 g/6.9 g×100% = 68%
3.5 반응물의 양에 한계가 있는 반응
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한계 반응물
• 한계량으로 존재하는 반응물임.
• 반응이 일어나는 정도는 이 한계 반응물에 의존함.
초과 반응물
한계 반응물이 결정된 후에 아직도 존재하는 다른 모든 반응물.
예) 에틸렌 글라이콜(C2H6O2)의 공업적 합성이 예.
• 자동차용 부동액과 폴리에스터 중합체 제조의 출발 물질로 이용되는 물질임.
• 고온에서 산화 에틸렌(C2H4O)과 물을 반응시켜 만듦.
• 물은 대단히 값이 싸고 풍부하므로, 각 1 mol 산화 에틸렌에 대하여 물을 1 mol씩 정확하게 사용하는 것에 대하여 걱정할 필요가 없음.
• 더 값비싼 산화 에틸렌 반응물을 완전히 소비하기 위하여 물을 과량으로 충분히 사용함.
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• 한계 반응물은 각 반응물로부터 형성된 생성물의 양을
비교함으로써 결정할 수 있음.
• 한계 반응물은 생성물의 가장 적은 양, 즉 이론적 수득량을 형성함.
3.6 조성 백분율과 실험식
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• 새로운 화합물을 실험실에서 만들거나 자연에서 발견할 때에는 그 화학식을 실험적으로 결정하여야 함.
새로운 화합물의 화학식 결정
물질을 분석하여, 그 물질에는 어떤 원소가 포함되어 있고 각 원소는 얼마나 많이 존재하는지를 밝히는, 즉 조성을 구하는 것으로부터 시작함.
조성 백분율(percent composition)
존재하는 원소를 확인하고, 각각의 질량 백분율로 표시함.
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• 화합물의 조성 백분율을 알면, 그 화합물의 화학식을 계산하는 것이 가능함.
1. 화합물 중 각 원소의 상대적 몰수를 구함.
2. 이 값을 사용하여 원소의 몰비를 계산함.
3. 몰비는 화학식에서 아래 첨자로 나타냄.
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예) 조성이 질량으로 탄소 84.1%와 수소 15.9%를 갖는 무색 액체를 가정함.
1. 계산하기 쉽게 임의로 물질을 100 g 취하고 몰질량을 환산 인자로 사용하여, 100 g에 포함된 몰수를 구함.
2. 알려진 C와 H의 상대적 몰수를 이용하여, 그 다음에 더 작은 숫자(7.00)로 나누어 몰비를 구함.
3. 정수가 나올 때까지 시행착오 방법으로 아래 첨자를 작은 정수로 곱하면 실험식(empirical formula)을 얻음.
C(1×4)H(2.26×4) = C4H9.04 = C4H9
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실험식(empirical formula)
• 조성 백분율로부터 구한 화학식을 말함.
• 화합물을 형성하는 원자들의 비율만을 말해줌.
분자식(molecular formula)
• 한 분자에서 실제의 원자수를 설명하는 화학식을 말함.
• 실험식과 같거나 아래 첨자의 배수일 수도 있음.
• 분자식을 결정하려면, 물질의 분자량을 알 필요가 있음.
실험식 화학식량 x 배수(n) = 분자 질량 예) 옥테인의 분자질량(C8H18)은 114.2 amu임.
• C4H9 실험식 화학식량(57.1 amu)의 단순 배수임.
• 배수를 알기 위해서는 실험식 화학식량에 대한 분자 질량의 비를 계산해야 함.
57.1 = 2.00 배수(n)=
실험식 화학식량
분자 질량 114.2
=
• 옥테인의 분자식은 C(4×2)H(9×2), 즉 C8H18임.
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• 실험식 또는 분자식으로부터 어떤 물질의 조성 백분율을 계산할 수도 있음.
예)아스피린은 C9H8O4 분자식을 가지므로 C:H:O 몰비는 9:8:4임.
-> 이 몰비는 질량비로 환산할 수 있고, 몰-그램으로 환산하여 조성 백분율 로 환산할 수 있음.
-> 계산을 간단히 하기 위하여 1 mol 화합물을 이용하여 시작한다고 가정함.
-> 각 원소의 질량을 전체 질량으로 나누고, 100%로 곱하면 조성 백분율이 됨.
1 mol 아스피린의 전체 질량 = 108 g + 8.08 g + 64.0 g = 180 g
3.7 실험식 결정: 원소 분석
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연소 분석
• 탄소와 수소를 함유하는 화합물의 조성 백분율과 실험식의 결정에 이용하는 가장 일반적인 방법 중 하나임.
• 미지 조성을 가진 화합물을 산소와 함께 연소시켜 휘발성 연소 화합물인 CO2와
H
2O를 생성시킴.-> 자동화 기기로 생성물들을 분리하고 각각의 양을 측정함.
• 탄소 함유 생성물(CO2)과 수소 함유 생성물(H2O) 의 질량을 구함.
• 그 생성물 중 탄소와 수소의 몰수를 계산함.
• 출발 화합물의 C:H 몰비를 계산할 수 있음.
• 실험식을 구함
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예)나프탈렌(가정용 좀약으로 이용) 일정량을 순수한 산소 중에서 연소시켜 그 생성물을 분석함.
나프탈렌 0.330 g은 O2와 반응하여 CO2 1.133 g와 H2O 0.185 g를 생성함.
화학식은?
1. CO2와 H2O 중에서 탄소와 수소의 몰수를 계산하여 나프탈렌의 처음 시료에 존재하는 각 원소의 몰수를 계산할 수 있음.
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2. 몰-그램 환산을 하여 처음 시료 중 C와 H의 그램수를 계산함.
(나프탈렌은 탄소와 수소만 함유하므로 이 예에서는 필요가 없지만, 모든 질량을 계산하고 다른 원소가 없는가를 확인해야 함.)
3. 얻어진 C와 H의 상대적 몰수를 이용하여, 더 큰 몰수를 더 작은 몰수로 나누어 임시의 화학식 C1.26H1을 얻음.
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4. 정수를 얻을 때까지 시행착오 방법으로 아래 첨자에 작은 정수를 곱하여
최종 화학식 C
5H4를 얻음.아래첨자에 2를 곱한다: C(1.26×2)H(1×2) = C2.52H2 아래첨자에 3를 곱한다: C(1.26×3)H(1×3) = C3.78H3
아래첨자에 4를 곱한다: C(1.26×4)H(1×4) = C5.04H4 = C5H4
5. 원소 분석은 실험식만 제공할 수 있음.
• 분자식을 결정하려면 물질의 분자 질량도 알 필요가 있음.
• 나프탈렌 분자 질량: 128.2 amu
-> C5H4 실험식 화학식량(64.1 amu)의 두 배임.
• 나프탈렌의 분자식 = C(5×2)H(4×2), 즉 C10H8임.
