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3 화학양론 (stoichiometry)
3.1. 원자질량
평균원자질량
3.2. 원자의 몰질량과 아보가드로의 수
3.3. 분자질량
3.4. 질량분석기
3.5. 화합물의 조성 백분율
3.6. 실험으로부터 실험식 구하기
3.7. 화학반응과 화학반응식
3.8. 반응물과 생성물의 양
3.9 한계반응물과 반응의 수득율
3.1 원자의 질량
□ 원자질량단위 (amu, atomic mass unit): 1원자질량단위는 탄소-12 원자 1개
질량의 ½에 해당하는 질량
♦ 평균원자질량
탄소-12 (98.90%), 12.00000 amu
탄소-13 (1.10%), 13.00335amu
평균 원자 질량= (0.9890x12.000000amu)+(0.0110x13.00335 amu)
= 12.01 amu
29Cu의 평균 원자 질량= (0.6909x62.93 amu)+(0.3091x64.9278 amu)
= 63.55 amu
예제 3.1
3.2 원소의 물질량과 아보가드로의 수
□ 몰 (mole): 탄소-12 동위원소의 정확히 12g안에 들어있는 원자의 수와 같은 수의
원소물질 (원자, 분자 또는 다른입자들)을 포함하는 어떤 물질의 양
□ 아보가드로수 (NA): 6.022x1023개
□ 몰질량 (molar mass): 1mol
의 질량 (g 또는 Kg단위)
예) 22Na-22.99amu, 몰질량
은 22.99g
<꼭 습득하여야 할
개념>
예제 3.2
예제 3.3
예제 3.4
3.3 분자질량
□ 분자질량 (molecular mass): 분자를 이루고 있는 원자들의 원자량 (amu단위)
□ 예, H2O의 경우: 2 (H의 원자질량) + O의 원자질량 =
2(1.008amu) +16.00amu = 18.02amu
예제 3.5
예제 3.6
예제 3.7
3.4 질량분석기
□ 질량분석기 (mass spectrometer): 원자질량과 분자질량을 측정하는 장치
3.5 화합물의 조성 백분율
□ 조성 백분율 (percent composition): 화합물에 포함되어 있는 각 원소의 질량 백분율
□ 원소의 조성 백분율 = (n x 원소의 몰질량/화합물의 몰질량) x 100%
□ 예,
H2O2에서 각 원소의 조성 백분율은?
%H = (2x1.008g/34.02g)x100% = 5.926%
%O = (2x16.00g/34.02g)x100% = 94.06%
□ 문제,
인산 (H3PO4) 및 황산 (H2SO4)의 각각의 원소들의 질량 조성 백분율은?
□ 화합물의 조성 백분율로부터 실험식을 구하는 과정
비타민 C
□ 예,
비타민 C은 탄소 40.92%, 수소 4.58%, 산소 54.50% 일때
화합물의 실험식은?
먼저, 화합물이 100g이라고 가정, 각 원소의 몰 (mole)을 구하면,
49.92g C x (1mol C/12.0g C) = 3.407 mol C
4.58g C x (1mol H/1.0g H) = 4.54 mol H
54.50g O x (1mol O/ 16.0g O) = 3.406 mol O
따라서, 화학식은 C3.407H4.54O3.404, 그러나 화학식은 정수로
표현하여야 함. 따라서, 가장적은 첨자로 나누어 정수로 표현함.
C: 3.407/3.406 =1, H: 4.54/3.406 = 1.33, O: 3.406/3.406 = 1
실험식은 CH1,33O인데, 1.33이 정수가 아님, 여기에 3을 곱해서
정수로 만들면…
C3H4O3 실제 비타민 C의 분자식은 C6H8O6임
□ K: 24.75%; Mn: 34.77%; O: 40.51%일때, 이 화합물의 실험식은?
□ 예제 3.10. 황동광 (CuFeS2)은 구리의 원광석이다.황동광 3.71x103Kg에 들어
있는 Cu는 몇 Kg인가?
(해) 각가의 몰질량으로부터
%Cu = 63.55g/183.5g = 34.64%
CuFeS2안의 Cu의 질량은 ?
0.346 x (3.71x103 Kg) =1.28 x 103 kg Cu
□ Al2O3 371g 안에 들어 있느 Al은 g은?
3.6 실험으로 실험식 구하기
□ 에탄올 11.5g을 연소시켰더니 CO2 22.0g과 H2O 13.5g이 생성 되었다. 실험식은?
먼저, 각 원소의 질량
C의 질량 = 22.0g CO2 x (1mol CO2/44.01g CO2) x (1mol C/1 mol CO2) x (12.01g g C/ 1mol C) = 6.00g C
H의 질량 = 13.5g H2O x (1mol H20/18.0g H2O) x (2mol H/1mol H2O) x (1.008g H/1mol H) = 1.51g H
에탄올 11.5g안에는 탄소 6.0g과 H 1.51g, 나머지는 산소 임. 11.5g – (6.0g + 1.51g) = 4.0g
<다음 페이지 계속>
□ 에탄올 11.5g안에 들어 있는 각 원소의 몰수를 계산
C의 몰수 = 6.00g C x (1mol C/12.01g C) = 0.500 mol C
H의 몰수 = 1.51g H x (1 mol H/1.00g H) = 1.50 mol H
O의 몰수 = 13. 5g O x (1 mol O/16.00g O) = 0.25 mol O
따라서, C0.50H1.5O0.25 임. 정수가 아니므로 가장 작은 아래첨자 0.25로 모두 나누어
실험식을 구함.
C2H6O
따라서, 실험식 (empirical formula)라는 말은 “관찰과 측정에 기초를 둔”식 임.
♦ 분자식구하기
□ 예제 3. 11 어떤 화합물의 조성이 N 1.52과 O 3.47g이다. 이 화합물의 몰질량은
92 – 95g사이 임. 이 화합물의 분자식은 ?
풀이) 먼저 실험식을 구하기
? mol N = 1.52g N x (1mol N/14.01g N) = 0.108mol N
? mol O = 3.47g O x (1mol O/ 16.00g O) = 0.217 mol O
화학식 N0.108O0.217  가장 작은 첨자값인 0.108로 나누어 반올림
실험식은 NO2  실험식의 몰질량은 46.02g이므로
몰질량/실험식의 몰질량 = 95g/46.02g = 2.1 = 2
분자식 (NO2)2, 즉 N2O2
□ 보충 어떤 화합물의 조성이 B 6.444g과 H 1.803g이다. 이 화합물의 몰질량은
30g 임. 이 화합물의 분자식은 ?
3.7 화학반응과 화학반응식
□ 화학반응 (chemical reaction) : 물질이 하나이상의 새로운 물질로 변화하는 과정
□ 화학반응식 (chemical equation) : 화학반응 중에 일어나는 일들을 보여 주기 위하여
화학기호를 사용함
♦ 화학반응식 쓰기
□ H2 + O2  H2O <질량보존의 법칙이 성립하지 않음>
□ 2H2 + O2  2H2O <완성된 화학반응식 (balanced chemical equation)>
이 표현은 수소분자 2 mol과 산소분자 1 mol이 반응하여 2 mol의 물 분자를 생성 함
□ 반응물 (reactant), 생성물 (product)
□ 반응물  생성물
□ 기체 (g), 액체 (l), 고체 (s) : 물질의 상태
□ 2CO(g) + O2(g)  2CO2(g)
□ 2HgO  2Hg(l) + O2(g)
□ NaCl(s)  NaCl(aq), 물에서
♦ 화학반응식 완성하기
□ 방법, page 84
□ 예,
KClO3  KCl + O2
2KClO3  KCl + 3O2
2KClO3  2KCl + 3O2
□ 예,
C2H6 + O2  CO2 + H2O (C, H, O의 원자수는 같지 않음)
C2H6 + O2  2CO2 + H2O
C2H6 + O2  2CO2 + 3H2O
C2H6 + 7/2O2  2CO2 + 3H2O
2C2H6 + 7O2  4CO2 + 6H2O (최종 완성)
□ 예제 3.12 질산은 암모니아와 산소를 반응시켜 제조 함. 화학반응식은 ?
(풀이) NH3 + O2  NO + H2O
2NH3 + O2  NO + 3H2O
2NH3 + O2  2NO + 3H2O
2NH3 +5/2 O2  2NO + 3H2O
4NH3 + 5O2  4NO + 6H2O (최종완성)
□ 실전연습
Fe2O3 + CO  Fe + CO2일때 최종화학식은 ?
3.8 반응물과 생성물의 양
• 화학양론 (stoichiometry): 화학반응에서 반응물과 생성물간의 질량관계를 나타냄
• 몰방법 (mole method): 화학반응에서 화학양론 계수는 각 물질의 몰수로 해석 함
예) 2CO2(g) + O2  2CO2(g)
• 몰 방법의 단계는 다음과 같음
• 예제 3.13. 2Li(s) + 2H2O(l)  2LiOH(aq) + H2(g)
(a) Li 6.23mol이 반응할때, H2은 몇 mol이 나오는가 ?
(b) Li 80.57g이 반응할때, H2은 몇 g이 나오는가 ?
• 예제 3.14
C6H12O6 + CO2  6CO2 + 6H2O일때, C6H12O6 856g이 소멸할때 CO2의 양은 ?
• 실전연습
2H3OH + 3O2  2CO2 + 4H2O일때, 메탄올 209g이 소모할때 생성되는 H2O의 질량 ?
3.9 한계반응물과 반응의 수득율
•
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한계반응물 (limiting reagent): 반응에서 제일 먼저 소모되는 반응물
초과반응물 (excess reagent): 한계반응물과 반응하는 데 필요한
것보다 많은 양으로존재하는 반응물
•
예제 3.15
2NH3(g) + CO(g)  (NH2)2CO(aq) + H2O(l)에서, NH3 637.2g과
CO2 1142g을 반응시킨다.
(a) 한계반응물은 어느것인가 ?
(b) 생성된 요소의 질량은 ?
(c) 반응이 끝난 후 초과반응물의 양은 ?
• 실전연습
2Al + Fe2O3  Al2O3 + 2Fe반응에서, Al 124g과 Fe2O3 601g반응
(a) Al2O3은 g은 ? (b) 초과반응물은 얼마나 남는가 ?
♦ 반응의 수득율
•
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이론적 수득율 (theoretical yield): 한계반응물이 전부 반응한다고 할 때 얻어지는
생성물의 양
실제 수득율 (actual yield): 반응에서 실제로 얻어지는 생성물의 양
퍼센트 수득율:
%수득율 = (실제 수득율/이론적 수득율)x100
•
예제 3.16
TiCl4(g) + 2Mg(l)  Ti(s) + 2MgCl2(l)반응에서, TiCl4 3.54x107g과 Mg 1.13x107g 반응
(a) Ti의 이론적 수득율의 g으로 ?
(b) Ti 7.91x106을 얻었다면 %수득율은 ?
• 실전연습
5Ca + V2O5  5CaO + 2V반응에서, V2O5 1.54x103g과 Ca 1.96x103g을 반응
(a) V의 이론적인 수득율 ?
(b) 803g의 V가 생성되었다고 할때 %수득율은 ?