3.3 화학 반응식 표현과 균형 맞추기 3.4 반응물과 생성물의 양 계산하기

3.5 용액 화학량론의 기본개념 3.1 몰(mole)

3.2 미지 화합물의 화학식 구하기

3.3 화학 반응식 표현과 균형 맞추기 3.4 반응물과 생성물의 양 계산하기

제3장 화학량론: 화학식과 화학 반응식

• 몰(mole) - 몰은 정확히 12 g의 탄소-12 안에 들어있는 원자의 수와 같은 수 만큼의 개체로 이루어진 물질의 양.

• 일 몰(1 mole)은 (유효숫자 네 자리로) 6.022x10

개체를 말한다.

이 수는 아보가드로 수라고 불리며 줄여서 N

으로 표현한다.

 몰(Mole)

• 원자, 이온, 분자, 화학식 단위, 전자 등 모든 입자들을 말할 때, 몰(mole)이라는 단위를 사용한다.

3.1 몰(mole)

몇 가지 물질에 대한 1몰(6.022x10²³ 개체).

그림 3.1

왼쪽에서 오른쪽으로:

1 mol의 구리(63.56 g), 1 mol의 액체 물 (18.02 g),

1 mol의 염화 소듐 (소금, 58.44 g) 1 mol의 수크로오스 (설탕, 342.3 g) 그리고 1 mol의 알루미늄 (26.98 g).

3.1 몰(mole)

 몰질량(M) : 물질의 몰질량은 그 개체(원자, 분자 또는 화학식)의 1 mol의 질량이다.

 단원자 원소의 경우 몰질량은 1mol 당 원자질량(g)과 같다.

원자질량은 주기율표에서 쉽게 찾을 수 있다.

Ne의 몰질량 = 20.18 g/mol.

 분자나 화합물의 경우 몰질량을 구하기 위해 화학식이 필요하다.

O

의 몰질량 = 2 x M of O

= 2 x 16.00 = 32.00 g/mol

SO

의 몰질량 = 1 x M of S + 2 x M of O = 32.00 + 2(16.00) = 64.00 g/mol

3.1 몰(mole)

화학적 개체의 몰양(mol), 질량 그리고 개체 수 사이의 환산

질량 (g) = 양(mol) x 그램수 1 mol 양(mol) = 질량 (g) x

그램수 1 mol

개체수 = 양(mol) x 6.022x10

개체 1 mol

양(mol) = 개체의 수 x

6.022x10

개체의수 1 mol

g

M

3.1 몰(mole)

원소에 대한 질량-몰-수 관계.

그림 3.2

예제 3.1 원소의 주어진 양에 대한 질량 계산하기

문제:

풀이:

Ag의 몰양(mol)

Ag 의 질량(g)

은(Ag)은 보석이나 식기류 제조에 사용되지만, 동전 제조에는 더 이상 사용하지 않는다. Ag 0.0342 mol은 몇 g인가?

계획:

Ag의 몰 질량(M)을 곱함(107.9 g/mol)

0.0342 mol Ag x

1 mol Ag 107.9 g Ag

= 3.69 g Ag

예제 3.2 주어진 원소의 양에서 개체의 수 계산하기

문제: 갈륨(Ga)은 태양열 판, 계산기 그리고 빛에 민감한 전자 기기에서 중요한 요소이다. 갈륨 2.85 x 10^-3 몰에는 Ga 원자가 얼마나 들어 있는가?

계획: Ga 의 양(mol)

Ga의 원자수

6.022x10²³ 원자수/mol 곱함

풀이:

2.85 x 10^-3 mol Ga atoms x 6.022x10²³ Ga atoms 1 mol Ga atoms

= 1.72 x 10²¹ Ga atoms

예제 3.3 주어진 원소의 질량에서 개체의 수 계산하기

문제: 철(Fe)은 강철의 주성분이고 따라서, 산업계에서 가장 중요한 금속이다. 또한 인체 내에서도 필수적이다.

Fe 95.8 g에는 몇 개의 Fe 원자가 들어있는가?

95.8 g Fe x 풀이:

55.85 g Fe 1 mol Fe

= 1.72 mol Fe

1.72 mol Fe x 6.022x10²³ 원자 Fe 1 mol Fe

= Fe원자 1.04 x 10²⁴

화합물에 대한 양(mol)-질량-수 관계.

그림 3.3

예제 3.4 주어진 화합물 I의 질량에서 화학 개체의 수 계산하기

문제: 이산화 질소(nitrogen dioxide)는 자동차 배출 가스로부터 생성되는 도시 스모그의 구성 성분이다.

8.92 g의 이산화 질소에는 몇 개의 분자가 들어있는가?

풀이: 이산화 질소의 화학식 : NO₂. M = (1 x M of N) + (2 x M of O)

= 14.01 g/mol + 2(16.00 g/mol) = 46.01 g/mol

8.92 g NO₂ x

= NO 분자수 1.17 x 10²³ 1 mol NO₂

46.01 g NO₂

6.022x10²³ molecules NO₂ 1 mol NO₂

= 0.194 mol NO₂

0.194 mol NO₂ x

예제 3.5

주어진 화합물 II의 질량에서 화학 개체의 수 계산하기

문제: 탄산 암모늄은 흰색 고체로 가열하면 분해된다. 여러 용도 중에서 베이킹 파우더, 소화기, 탈취제 등의 성분으로 많이 쓰인다.

(a)탄산 암모늄 41.6 g에는 화학식 단위가 얼마나 들어있는가?

(b) 이 시료에 산소 원자는 몇 개인가?

풀이: 탄산 암모늄의 화학식:(NH₄)₂CO₃ .

M = (2 x M of N) + (8 x M of H) + (1 x M of C) + (3 x M of O) = (2 x 14.01 g/mol) + (8 x 1.008 g/mol)

+ (12.01 g/mol) + (3 x 16.00 g/mol)

= 96.09 g/mol

41.6 g (NH₄)₂CO₃ x

= (NH₄)₂CO₃ 화학식단위 2.61x10²³ 1 mol (NH₄)₂CO₃

96.09 g (NH₄)₂CO₃

6.022x10²³ 화학식단위(NH₄)₂CO₃ 1 mol (NH₄)₂CO₃

= 0.433 mol (NH₄)₂CO₃

0.433 mol (NH₄)₂CO₃ x

2.61x10²³ formula units (NH₄)₂CO₃ x 3 O 원자

1 formula unit of (NH₄)₂CO₃

= 7.83 x 10²³ O 원자 예제 3.5

원소 X의 질량 % =

(화학식 X 의 원자수) x ( X 원자의 질량(amu)) 화합물의 분자량(또는 화학식량,amu)

x 100

화학식으로부터 질량 백분율 구하기

질량 백분율로부터 원소의 질량 결정하기

원소의 질량 = 화합물 1 mol 내의 원소의 질량 화합물 1 mol 의 질량

화합물의 질량 x

질량 백분율은 화합물의 질량에서 특정 원소의 질량을 계산하는 데 사용할 수 있다.

3.1 몰(mole)

예제 3.6 화학식으로부터 화합물에 있는각 원소의 질량 백분율 계산하기 문제: 포유동물에서, 락토오스(lactose, 젖당)는 화학적 퍼텐셜 에너지를

생산하는 핵심 영양소인 글루코오스(C₆H₁₂O₆)로 대사된다.

글루코오스에서 각 원소의 질량 백분율은 얼마인가?

X의 M (g/mol)을 곱함

화합물 1 mol 의 질량으로 나눔

100을 곱함

계획:

글루코오스내의 X 의 질량(%)

1 mol 글루코오스 내의 원소 X 의몰양(mol)

1 mol 글루코오스 내의 X의 질량(g)

글루코오스내의 X의 질량분율

6 mol C x 12.01 g C

1 mol C = 72.06 g C 12 mol H x 1.008 g H

1 mol H = 12.096 g H 6 mol O x 16.00 g O

1 mol O = 96.00 g O M = 180.16 g/mol

= 0.3999 C의 질량 백분율 = 72.06 g C

180.16 g glucose x 100 = 39.99 질량 %C H의 질량 백분율 = 12.096 g H

180.16 g glucose = 0.06714 x 100 = 6.714 질량 %H O의 질량 백분율 = 96.00 g O

180.16 g glucose = 0.5329 x 100 = 53.29 질량 %O 풀이:

예제 3.6

글루코오스 1 mol에는 6 mol의 C, 12 mol의 H, 6 mol의 O가 있다.

예제 3.7 화합물에서 원소의 질량 계산하기

문제: 예제 3.6에 있는 정보를 이용하여 16.55 g의 글루코오스에 들어있는 탄소의 질량(g)을 결정하라.

탄소의질량(g) = 글루코오스의 질량 (g) x 6 mol x M of C (g/mol) 1 mol 글루오코스의 질량(g) 풀이:

1 mol의 글루코오스에는 6 mol 탄소(C), 72.06 g 의 탄소(C).

= 16.55 g glucose x 72.06 g C

180.16 g glucose = 6.620 g C

실험식과 분자식

실험식 은 원소 분석으로 확인한 가장 간단한 식이다.

- 화합물에 들어 있는 각 원소의 몰수를 가장 간단한 정수비로 나타낸 것.

과산화수소(hydrogen peroxide)의 실험식 : HO.

분자식

-화합물 안에 들어있는 각 원자의 실제 수를 표시한 식으로 실험식의 정수배가 된다.

과산화수소(hydrogen peroxide)의 분자식 : H₂O₂.

3.2 미지 화합물의 화학식 구하기

구조식

-분자내 원자의 연결과 상대적인 위치를 나타낸 식.

과산화수소(hydrogen peroxide)의 구조식 : H-O-O-H

예제 3.8

원소의 양(mol)으로부터 실험식 결정하기

문제: 미지 화합물의 시료는 0.21 mol의 아연(zinc), 0.14 mol의 인(phosphorus), 0.56 mol의 산소(oxygen)가 들어 있다.

화학식은 무엇인가?

풀이: 주어진 각 원소의 몰 수를 이용하여 예비 식을 구하면 Zn_0.21P_0.14O_0.56 가장 작은 몰 수로 나누면; 이 경우에는 0.14:

0.21

0.14 = 1.5 0.14

0.14 = 1.0 0.56

0.14 = 4.0

가장 작은 정수비를 만들기 위해 적절한 정수를 곱한다.

1.5 x 2 = 3 1.0 x 2 = 2 4.0 x 2 = 8 화학식 Zn P O

Zn_1.5P_1.0O_4.0

예제 3.9 원소의 질량으로부터 실험식 구하기

문제: 이온 화합물 시료를 원소 분석하였더니 Na 2.82 g, Cl 4.35 g, O 7.83 g이 나왔다. 실험식과 화합물의 이름은 무엇인가?

풀이: 2.82 g Na x 1 mol Na

22.99 g Na = 0.123 mol Na 4.35 g Cl x 1 mol Cl

35.45 g Cl = 0.123 mol Cl 7.83 g O x 1 mol O

16.00 g O = 0.489 mol O

화학식 Na₁Cl₁O_3.98 또는 NaClO₄; 과염소산 소듐.

0.123 0.123

0.489 0.123

Na 와 Cl = = 1 과 O = = 3.98

에제3.10 원소 분석과 몰 질량으로부터 분자식 구하기

문제: 심한 육체적 활동 후에는 근육 조직에서 젖산(M = 90.08 g/mol)이 만들어져 근육통의 원인이 된다. 원소 분석은 이 화합물에 질량

백분율로 C가 40.0%, H가 6.71%, O가 53.3%가 들어있었다. 젖산의 실험식과 분자식을 구하라.

풀이: 젖산 100.0g에는 다음과 같은 원소들이있다.

40.0 g C x 1 mol C 12.01 g C

= 3.33 mol C

CH₂O 실험식

CH₂O의 질량

젖산의 분자량 90.08 g/mol 30.03 g/mol O_3.33

3.33

H_6.66

3.33

C_3.33

3.33

6.71 g H x 1 mol H 1.008 g H

= 6.66 mol H

1 mol O 16.00 g O 53.3 g O x

= 3.33 mol O

= 3

유기 화합물의 화학식을 결정하기 위한 연소 장치.

그림 3.4

C_nH_m + (n+ ) Om ₂ = n CO₂(g) + H₂O(g) 2

m 2

3.2 미지 화합물의 화학식 구하기

 유기 화합물의 연소

예제 3.11 화학식으로부터 화합물에 있는 각 원소의 질량 백분율 계산하기 문제:

비타민 C (M = 176.12 g/mol) 는 귤 같은 자연식품 등에 많이 존재한다.

비타민 C 시료 1.000g을 연소관에 넣고 연소시켰더니 다음과 같은 자료를 얻었다.

연소 후 CO₂ 흡수제의 질량 ＝ 85.35 g 연소 전 CO₂ 흡수제의 질량 ＝83.85 g 연소 후 H₂O 흡수제의 질량 ＝37.96 g 연소 전 H₂O 흡수제의 질량 ＝37.55 g 비타민 C의 분자식은 무엇인가?

풀이:

CO₂: 85.35 g - 83.85 g = 1.50 g 1.50 g CO₂ x 12.01 g C

44.01 g CO₂ = 0.409 g C

H₂O: 37.96 g - 37.55 g = 0.41 g 0.41 g H₂O x 2.016 g H

18.02 g H₂O = 0.046 g H O의 질량 = 비타민C의 질량 – (C의질량 + H의 질량)

= 1.000 g - (0.409 + 0.046) g = 0.545 g O 예제 3.11

= 0.0341 mol O 0.545 g O

16.00 g/mol O 0.409 g C

12.01 g/mol C

= 0.0341 mol C 0.046 g H

1.008 g/mol H = 0.0456 mol H 질량을 몰로 환산 :

176.12 g/mol

88.06 g = 2.000 mol 0.0341 = 1

0.0341

C 0.0456

0.0341 = 1.34

H 0.0341

0.0341 = 1 O

C₁H_1.34O₁ = C₃H_4.01O₃ C₃H₄O₃

C₆H₈O₆ 가장 작은 수로 나누어 실험식을 구한다:

실험식의 질량으로 분자량을 나눈다:

예제 3.11

 이성질체 (isomer): 분자식이 같지만 성질이 다른 화합물

 구조 이성질체(structural isomer) : 원자들의 배열 순서가 다른 이성질체

화학 반응식

화학 방정식은 물리적 또는 화학적 변화에 관련된 물질의 정체성과 수량을 표현하는 수식을 사용한다.

그림 3.5

거시 수준과 분자 수준에서 본 HF 기체의 생성과정.

3.3 화학 반응식 쓰기와 균형 맞추기

화학 반응식의 특징

Mg + O

MgO

반응물은 왼쪽에 쓴다.

반응 화살표는 반응물에서 생성물 쪽으로 향한다.

생성물은 오른쪽에 쓴다.

반응 화살표 양쪽의 각 원자의 수와 종류는 질량보존 법칙에 따라 똑같아야 한다.

옮겨 적기

계수를 이용하여 원자들의 균형을 맞춘다;

식은 바꿀 수 없다

물질의 상태를 명시 계수를 조정한다 (관례: 가장 간단한 정수비)

원자들의 균형 점검

화학 반응식 균형 맞추기

마그네슘과 산소 기체는 반응하여 산화 마그네슘(magnesium oxide)을 생성한다:

Mg + O₂ → MgO

2Mg + O₂ → 2MgO

2Mg (s) + O₂ (g) → 2MgO (s)

세 가지 관점에서 마그네슘과 산소의 화학반응.

그림 3.6

옮겨적기

예제 3.12 화학 반응식 균형 맞추기 문제:

계획: 풀이:

원자균형 맞추기

물질의 상태 명시

자동차 엔진의 실린더 안에서, 가솔린의 주성분 중 하나인 탄화수소 옥테인(C₈H₁₈)이 공기 중의 산소와 섞여서 연소하여 이산화 탄소와 수증기를 만든다. 이 반응에 대한 균형 화학 반응식을 적어라

계수 조정

원자균형점검

C₈H₁₈ + O₂ CO₂ + H₂O

2C₈H₁₈ + 25O₂ 16CO₂ + 18H₂O

2C₈H₁₈ + 25O₂ 16CO₂ + 18H₂O

2C₈H₁₈(l) + 25O₂ (g) 16CO₂ (g) + 18H₂O (g) C₈H₁₈ + O25 ₂ 8 CO₂ + 9 H₂O

2

옥테인 연소 반응의 분자 그림

예제 3.13 분자 그림으로부터 반응식 균형 맞추기

문제: 다음 분자 그림은 질소 화학에서 중요한 반응을 나타내고 있다

(질소는 푸른색, 산소는 붉은색): 반응에 대한 균형 화학 반응식을 써라.

반응식 : 4 N₂O₅ → 8 NO₂ + 2 O₂.

가장 작은 정수비로 반응식을 나타내고, 물질의 상태를 쓴다.

2 N₂O₅ (g) → 4 NO₂ (g) + O₂ (g) 풀이:

화학양론 계산

• 균형 화학 반응식의 계수

– 반응물과 생성물의 상대적인 개수를 나타낸다.

– 또한, 각 물질의 몰 수에도 비례한다.

• 몰 수는 질량과 비례한다.

– 즉, 반응식은 주어진 반응에서 반응물과 생성물의 질량을 계산하는 데 사용할 수 있다.

• 균형 화학 반응식의 몰 비율을

환산인자(conversion factor) 로 사용할 수 있다.

3.4 반응물과 생성물의 양 계산하기

화학 반응에서 양(mol)-질량-수 사이의 관계 요약도.

그림 3.7

예제3.14 반응물과 생성물의 양 계산하기: 몰양(mol)에서 몰양(mol)으로 문제: 구리는 산소 존재 상태에서 황화 구리(I)를 제련하여 얻는다.이 과정을

거쳐 분말의 산화 구리(I)와 기체 상태의 이산화 황을 만든다.

황화 구리(I) 10.0 mol을 가열하는 과정에서 필요한 산소는 몇 mol이 되는가?

계획: 균형 반응식 작성

산소의 몰수

몰비율을 환산인자로 사용

풀이: 2 Cu₂S (s) + 3 O₂ (g) → 2 Cu₂O (s) + 2 SO₂ (g)

= 15.0 mol O₂ 3 mol O₂

2 mol Cu S 10.0 mol Cu₂S x

예제 3.15 반응물과 생성물 양 계산하기: 양(mol)에서 질량(g)까지 문제: 배소 과정이 일어나는 동안, 황화 구리(I) 10.0 mol이 반응할 때에

이산화 황 몇 g이 생성되는가?

계획:

몰 비율을 환산인자로 사용

황화구리(I) 의 몰수

이산화 황의 몰수

이산화황의 질량

이산화 황의 M을 곱한다.

= 641 g SO₂ 10.0 mol Cu₂S x 2 mol SO₂

2 mol Cu₂S

풀이: 2 Cu₂S (s) + 3 O₂ (g) → 2 Cu₂O (s) + 2 SO₂ (g)

64.07 g SO₂ 1 mol SO₂ x

예제3.16 반응물과 생성물의 양 계산하기: 질량에서 질량으로

문제: 산화 구리(I) 2.86 kg을 만들기 위해 산소는 몇 kg이 필요한가?

= 0.959 kg O₂

= 20.0 mol Cu₂O

풀이: 2 Cu₂S (s) + 3 O₂ (g) → 2 Cu₂O (s) + 2 SO₂ (g)

2.86 kg Cu₂O x 10³ g 1 kg

1 mol Cu₂O 143.10 g Cu₂O x

1 kg 10³ g 20.0 mol Cu₂O x 3 mol O2

2 mol Cu₂O

32.00 g O₂ 1 mol O₂

x x

한계 반응물

• 지금까지는 반응물이 완전히 반응을 할 수 있는 양만큼 존재한다고 가정해왔다.

• 실제로는, 생성물이 합성될 때 어느 한 반응물(화학양론적 당량비 계산시 부족한 물질)이 한계가 된다.

• 한계 반응물은 반응에서 모두 소모된다.

• 한계 반응물이 아닌 과량 존재하는 반응물은 반응이 끝난 후에도 존재한다 – 일부 반응물은 반응화살표 왼쪽에 남게 된다.

한계반응물이 포함된 화학 반응

예제 3.17 한계 반응물 문제에서 분자 도식 사용하기

문제: 발전소의 우라늄 연료를 처리하는 과정에서 핵 공학자는 삼플루오린화 염소를 이용한다. 반응성이 매우 큰 이 물질은 염소 원소와 플루오린 원소의 반응에 의해 만들어진다. 왼쪽의 원 안은 반응이 시작되기 전에(염소는 초록색; 플루오린은 노란색) 반응 혼합물의 상징적인 부분을 나타내고 있다.

(a) 한계 반응물을 찾아라.

(b) 과정에 대한 반응표를 적어라.

(c) 반응이 완결된 후에 혼합물의 상징적인 부분을 그려라(힌트:

ClF₃ 분자는 1 개의 Cl 원자와 3 개의 F 원자와 결합한다).

계획: 우선 균형 화학 반응식을 적는다. 각 반응물 분자의 숫자와 반응을 완결시키는 데 필요한 상대 반응물의 숫자를 비교하여 과량의

반응물을 결정한다. 과량이 아닌 것이 한계 반응물이다.

풀이: 균형반응식 Cl₂ (g) + 3F₂ (g) → 2ClF₃ (g) 그림에는 3 분자의 Cl₂ 과 6 분자의 F₂ 이 있다:

= 6 분자의 ClF₃ 2 molecules ClF₃

1 molecule Cl₂ 3 molecules Cl₂ x

= 4 분자의 ClF₃ 2 molecules ClF₃

3 molecule Cl₂ 6 molecules F₂ x

주어진 F₂ 분자가 더 적은 양이므로, 이것이 한계 반응물이다 예제 3.17

분자 Cl₂ (g) + 3F₂ (g) → 2ClF₃ (g) 초기

변화

3 -2

6 -6

0 +4

마지막 1 0 4

F₂이 한계 반응물이므로 이것을 기준으로 반응 테이블을 그린다.

반응 결과 F₂는 모두 소모되고 한 분자의 Cl₂는 반응하지 않고 남는다. ClF₂ 분자는 총 네 개가 생성된다.

예제 3.17

예제 3.18 한계 반응물 문제에서 양 계산하기: 몰양(mol)에서 몰양(mol)으로 문제: ClF₃(예제 3.17을 보라)의 다른 제법에서,

0.750 mol의 Cl₂과 3.00 mol의 F₂와 반응한다.

(a) 한계 반응물을 구하라.

(b) 반응 표을 써라.

풀이: 균형반응식 : Cl₂ (g) + 3F₂ (g) → 2ClF₃ (g)

= 1.50 mol ClF₃

2 mol ClF₃ 3 mol F₂ 3.00 mol F₂ x

2 mol ClF₃ 1 mol Cl₂ 0.750 mol Cl₂ x

= 2.00 mol ClF₃

ClF₃. 가 덜 만들어지기 때문에 Cl_2가 한계 반응물이다.

몰양(mol) Cl₂ (g) + 3F₂ (g) → 2ClF₃ (g) 초기

변화

0.750 -0.750

3.00 - 2.25

0

+1.50 마지막 0 0.75 1.50

예제 3.19 한계 반응물 문제에서 양 계산하기: 질량에서 질량으로 문제: 초창기 로켓에 사용된 연료로 하이드라진(N₂H₄)과 사산화

이질소(N₂O₄)의 두 가지 액체 혼합물이 있었다. 이들은 접촉하면 점화되어 질소 기체와 수증기를 형성한다.

(a) 1.00×10² g의 N₂H₄ 과 2.00×10² g의 N₂O₄ 을 섞었을 때 질소 기체는 몇 g 생성되겠는가?

(b) 이 과정에 대한 반응 표를 써라.

M으로 나눈다

N₂H₄ 의 질량(g)

N₂H₄ 의 몰수

N₂의 몰 수

몰비율

M으로 나눈다

N₂O₄의 질량(g)

N₂O₄의 몰 수

N₂의 몰 수

몰비율

mass of N₂

두 가지 중, 낮은 N₂ 몰 수를 가지는 경우에 M을 곱한다.

예제 3.19

계획: 항상 균형 화학 반응식을 적은 다음 주어진 반응물과 생성물의 몰 수를 밝힌다.

3 mol N₂ 2 mol N₂H₄ 3.12 mol N₂H₄ x

1.00x 10² g N₂H₄ x 1 mol N²H₄ 32.05 g N₂H₄

N₂H₄: = 3.12 mol N₂H₄

N₂O₄:

풀이: 2N₂H₄ (l) + N₂O (l) → 3N₂ (g) + 4H₂O (g)

2.17 mol N₂O₄ x 3 mol N₂ 1 mol N₂O₄

2.00x 10² g N₂O₄ x 1 mol N²O₄ 92.02 g N₂O₄

= 6.51 mol N₂

4.68 mol N₂ x 28.02 g N² 1 mol N₂

= 131 g N₂

= 4.68 mol N₂

= 2.17 mol N₂

N₂H₄가 한계 반응물이고 4.68 mol의 N₂가 생성된다.

예제 3.19

몰양(mol) 2N₂H₄ (l) + N₂O₄ (l) → 3N₂ (g) + 4H₂O (g) 초기

변화

3.12 -3.12

2.17 - 1.56

0

+4.68

0

+6.24 마지막 0 0.61 4.68 6.24

N₂H₄가 한계 반응물이므로 모두 반응한다. 2 mole의 N₂H₄에 1 mol의 N₂O₄가 반응하여 mol의 N₂을 생성한다.

3.12 mol N₂H₄ x 1 mol N²O₄ 2 mol N₂H₄

= 1.56 mol N₂O₄ 반응

예제 3.19

반응 수득량

실제 수득률 : 실제로 얻은 생성물의 양.

대개 실제 수득률이 이론적 수득률보다 낮다.

이론적 수득률 : 균형 반응식의 몰 비율로 계산된 생성물의 양.

이론적 수득률 실제수득률

수득 백분율 = x 100

주생성물의 수득률에 부반응의 영향.

그림 3.8

예제3.20 수득 백분율 계산하기

문제: 탄소화 규소(silicon carbide, SiC)는 매우 중요한 세라믹 물질이다. 모래 (이산화규소, SiO₂)를 고온에서 분말 탄소와 반응하여 만들 때,

일산화 탄소도 함께 생성된다. 모래 100.0 kg을 처리하였더니

SiC 51.4 kg이 만들어졌다. 이 과정에서 SiC의 수득 백분율은 얼마인가?

x 100 = 77.0%

51.4 kg 66.73 kg

= 66.73 kg 1664 mol SiC x 40.10 g SiC

1 mol SiC

1 kg 10³g x

mol SiO₂ = mol SiC = 1664 mol SiC

= 1664 mol SiO₂ 10³ g

1 kg

100.0 kg SiO₂ x 1 mol SiO₂ 60.09 g SiO₂ x

풀이: SiO₂(s) + 3C(s) → SiC(s) + 2CO(g)

용액(solution) 두가지 이상의 화합물이 균일(homogeneous)하게 섞여 있는 것 용매(solvent), 용질(solute), 수용액(aqueous solution)

농도(concentration) 진한용액(concentrated solution), 묽은용액(dilute solution) 몰농도(molarity) 용액 1 L 에 녹아있는 용질의 몰수 (M = mol / L)

몰랄농도(molality) 용매 1 kg 에 녹아있는 용질의 몰수 (m = mol / kg)

0.0100M KMnO₄용액 제조 과정

3.5 용액 화학량론의 기본 개념

용액 화학양론

• 반응 반응은 용액 상에서 일어난다.

• 하나 이상의 용질이 하나의 용매에 녹은 것을 용액이라 한다.

• 용액의 농도는 주어진 용액 안의 용질의 양에 따라 결정된다.

• 몰농도 Molarity (M)는 농도를 표현하는 데 사용된다.

용액의 부피(L) 용질의 몰수 몰농도 =

L 용액 mol 용질 M =

예제 3.21 용액의 몰 농도 계산하기

문제: 글라이신(glycine, H₂NCH₂COOH)은 가장 간단한

아미노산이다. 수용액 495 mL 안에 글라이신 0.715 mol이 들어있다. 몰농도는 얼마인가?

풀이:

계획:

몰농도는 용액 1 L 안에 들어있는 용질의 몰수다.

부피로나눔

글라이신의 양

농도 mol/mL

10³ mL = 1 L

글라이신의 몰농도

0.715 mol 글라이신 495 mL 용액

1000 mL 1 L x

= 1.44 M 글라이신

용액에서 양(mol)-질량- 수 사이의 관계 요약도.

그림 3.9

예제3.22 주어진 부피의 용액에 들어 있는 용질의 질량 계산하기

문제: 생화학자들은 흔히 세포에서 발견되는 인산 이온이 포함된 용액의 반응을 연구한다.0.460 M 인산 일수소 소듐 용액 1.75 L 안에 들어 있는 용질의 질량(g)은 얼마인가?

풀이:

1.75 L x 0.460 moles

1 L = 0.805 mol Na₂HPO₄ 0.805 mol Na₂HPO₄ x 141.96 g Na²HPO₄

1 mol Na₂HPO₄ = 114 g Na₂HPO₄

진한 용액을 묽은 용액으로 바꾸기.

그림 3.10

M_dil x V_dil = 몰양(mol)= M_conc x V_conc

예제 3.23 진한 용액으로부터 묽은 용액 만들기

문제: 등장액이란 0.15 M NaCl 수용액을 말하는데, 이는 대부분의 세포액에 들어있는 이온들의 전체 농도를 흉내내어 만든 것이다. 콘택트 렌즈를 씻는 것부터 적혈구 세척용 매체까지 그 용도는 다양하다. 6.0 M

저장용액으로부터 0.80 L의 등장액을 만들어라.

풀이:

= 0.020 L 용액 0.12 mol NaCl x 1 L soln

6.0 mol NaCl 0.80 L soln x 0.15 mol NaCl

1 L soln

= 0.12 mol NaCl 묽은 용액의 부피와 몰농도를 사용한다 :

진한 용액의 용질의 몰 수와 몰농도를 사용한다:

0.020 L의 진한 용액을 최종 부피가 0.80 L로 되도록

예제 3.24 농도에서의 시각적인 변화

문제: 비이커와 원 안은 단위 부피를 나타낸다. 각 변화에 대한 단위 부피의 도식을 그려보라.

(a) 용액 1 mL마다 용매 1 mL를 첨가한다.

(b) 용액을 가열하여 전체 부피의 1/3을 끊여 증기로 날려 버렸다.

풀이: N_dil x V_dil = N_conc x V_conc N 은 입자의 개수이다.

(a) N_dil = N_conc x V^conc V_dil

= 8 입자 x = 4 입자 1 mL 2 mL

(b) N_conc = N_dil x V_dil

V_conc = 8 입자 x = 12 입자 1 mL

2 mL

3

예제 3.24

예제 3.25 용액에서 반응에 대한 반응물과 생성물의 양 계산하기 문제: 위산 농도를 모방하기 위해 0.1 M HCl을 사용한다.

0.10 g의 Mg(OH)₂이 들어있는 알약 한 개와 반응하기 위해 필요한

“위산”은 몇 L인가?

계획: 균형 화학 반응식을 적은 후, Mg(OH)₂의 질량을 몰수를 바꾸고 몰비를 이용하여 Mg(OH)₂와 반응할 HCl의 몰수를 구한다. 몰을 몰농도로 바꾼다.

M 으로 나눔

Mg(OH)₂ 의 질량 Mg(OH)₂ 의 몰양

몰비율 사용

M으로 나눔

HCl의몰양 HCl 의 부피(L)

풀이:

0.10 g Mg(OH)₂ x 1 mol Mg(OH)² 58.33 g Mg(OH)₂

= 1.7x10^-3 mol Mg(OH)₂

= 3.4x10^-3 mol HCl

3.4x10^-3 mol HCl x 1L HCl soln 0.10 mol HCl

= HCl 3.4x10^-2 L Mg(OH)₂ (s) + 2HCl (aq) → MgCl₂ (aq) + 2H₂O (l)

2 mol HCl 1 mol Mg(OH)₂

= 1.7x10^-3 mol Mg(OH)₂ x 예제 3.25

예제 3.26 용액에서 반응에 대한 한계- 반응물 문제 풀기

문제: 산업 폐수에서 수은을 제거하는 모의 실험에서, 0.010 M 질산 수은(II) 0.050 L가 0.10 M 황화 소듐 0.020 L와 반응시켰다.

황화 수은(II)는 몇 g 생성될까? 이 과정에 대한 반응 표를 써라.

계획: 균형 반응식을 쓴 후, 한계 반응물을 결정한다. 각 반응물로 만들 수 있는 생성물의 양을 계산한다.

M을 곱함

몰비

HgS의 질량

M을 곱함

몰비

Hg(NO₃)₂ 용액의 부피 Hg(NO₃)₂의 몰양

HgS 의몰양

Na₂S 용액의 부피 Na₂S의 몰양

HgS의 몰양

두 가지 중, 낮은 HgS몰 양를 가지는 경우에 M을 곱함

= 5.0x10^-4 mol HgS

= 2.0x10^-3 mol HgS

더 적은 HgS을 생성하므로 Hg(NO₃)₂ 이 한계 반응물이다.

5.0 x 10^-4 mol HgS x 232.7 g HgS 1 mol HgS

= 0.12 g HgS

풀이: Hg(NO₃)₂ (aq) + Na₂S (aq) → HgS (s) + 2NaNO₃ (aq)

0.050 L Hg(NO₃)₂ x 1 mol HgS 1 mol Hg(NO₃)₂ 0.010 mol Hg(NO₃)₂

1 L Hg(NO₃)₂

x

0.020 L Na₂S x 1 mol HgS 1 mol Na₂S 0. 10 mol Na₂S

1 L Na₂S

x 예제 3.26

몰양(mol) Hg(NO₃)₂ (aq) + Na₂S (aq) → HgS (s) + 2NaNO₃ (aq) 초기

변화

5.0 x 10⁻⁴

−5.0 x 10⁻⁴

2.0 x 10⁻³

−5.0 x 10⁻⁴

0

+5.0 x 10⁻⁴

0

+1.0 x 10⁻³ 마지막 0 1.5 x 10⁻³ 5.0 x 10⁻⁴ +1.0 x 10⁻³

Hg(NO₃)₂ 이 한계 반응물이므로 Hg(NO₃)₂ 을 기준으로 반응 테이블을 그린다.

예제 3.26