일반화학개론 | 몰의 개념과 농도

 

 

 

TIP

 

 

1. 화학식량
2. 몰
3. 용액(solution)과 용해
4. 용액과 크기성질

 

 

 

화학반응에 있어서 반응물을 얼마나 사용해야하며, 생성물은 얼마나 얻어 질것인가에 대한 계산은 매우 중요한 일이다. 여기에서는 이러한 계산을 다루기 위하여 필요한 개념들에 대하여 살펴보고, 또한 관련 예제 문제들을 통하여 익히는 것을 목적으로 하였다.

 

 

1. 화학식량

1) 원자질량, 분자질량, 화학식량

 원자 질량

모든 물질은 매우 작은 종류의 기본 성분들로 이루어져 있으며, 이것을 원소(element)라고 한다. 보통 이 원소들은 방사성 분해와 같은 방법이외의 물리적 또는 화학적 방법으로 분해 될 수 없는 물질을 의미한다. 원소의 기본성질 중 하나가 원자질량이다. 원자질량은 어떤 특정원소의 질량을 정해놓고, 그 원자질량으로부터 나머지 원소의 질량을 그것과 비교해서 상대적으로 구하는 질량을 의미한다. 따라서 원자질량은 단위가 없다. 그러나 원자질량의 단위는 amu (atomic mass unit)을 사용한다. 1 amu는 정확히 ¹²C원자 질량의 12분의 1로 정의되며 1.6605 x 10^-24g에 해당된다.

 

¹²C 원자의 질량 = 12 amu

 

 

12 amu로 정의된 C의 질량은 다른 모든 원자의 질량을 나타내는데 쓴다.

 

예를 들면 1H 원자는 1.007825/12에 ¹²C원자의 질량을 곱한 값, 즉 1.007825 amu로 나타낸다. 한편, amu단위의 원자의 질량은 원자의 질량수, 즉 원자량(atomic weight)이라 할 수 있다. 그러나 정확하게는 탄소의 경우 12 amu가 아니라 12.011amu라고 한다. 그것은 자연계에 존재하는 동위원소의 존재비를 고려하여 평균값으로 나타냈기 때문이라고 할 수 있다.

 

탄소는 2종류의 동위원소가 있고, 각각 ¹²C는 98.89% 13C는 1.11%로 존재한다. 따라서 평균원자량을 계산하면 다음과 같다.

 

평균원자량 = 98.89% x 12amu + 1.11% x 13 amu = 12.011amu이다. 주기율표에는 이러한 평균원자량으로 대부분의 원소들이 나타나있다.

 

 분자 질량(molecular mass)

분자질량 혹은 분자량(moleccular weight)은 분자내 모든 원자들의 원자량을 합한 값을 의미한다.

 

H₂O의 분자질량 : 2 (H의 원자질량) + (O의 원자질량)

2 x 1.01amu + 16.00amu = 18.02amu

C₂H₄(에틸렌)의 분자량: 2C의 원자량 + 4H의 원자량

2 x 12.01 amu + 4 x 1.00 amu = 28.02 amu

 

 화학 식량 (formula weight)

화학식에 있는 모든 원자들의 원자량의 합을 의미한다.

 

NaOH의 화학식량: Na의 원자량 + O의 원자량 + H의 원자량

23.00amu + 16.00amu + 1.00amu = 40.00amu

CaCl₂의 화학식량: Ca의 원자량 + 2Cl의 원자량 40.08amu + 2 x 35.45amu = 75.53amu

 

※ 화학식량과 비교하여 분자량(molecular weight)은 엄밀하게 분자화합물 즉 비이온성 화합물에 해당된다고 할 수 있다.

 

2) 백분율조성과 실험식과 분자식

 백분율조성(percent composition)

화학실험실에서 어떠한 화학반응의 생성물로서 어떤 화합물이 새로 얻어졌을 경우, 그 얻어진 화합물중에 포함된 어떤 원소의 함량을 퍼센트조성(percent composition)으로 나타낼 수 있다. 또한 그 속에 포함된 각각의 다른 원소들도 마찬가지로 나타낼 수 있다. 예를 들면 이산화탄소인 CO₂의 경우에 탄소(C) 및 산소(O)의 퍼센트조성 (백분율조성)은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

 

% C = C의 원자량/CO₂의 분자량 x 100% = 12. 01amu/(12.01amu + 2 x 16.00amu) x 100% = 27.29%

% O = 2O의 원자량/CO₂의 분자량 x 100% = 2 x 16.00amu/(12.01amu + 2 x 16.00amu) x 100% = 72.71%

 

 실험식(empirical formula)

어떠한 화합물을 분석할 경우에 일반적으로 각 구성원소의 퍼센트조성으로 표시된다. 그리고 그 화합물의 구조를 모를 경우에 실험으로 나타낸 백분율조성으로부터 실험식이 구해진다. 따라서 실험식이란 단지 화합물을 이루고 있는 각 원소의 상대적인 원자의 수 만을 나타낸다고 할 수 있다. 그러므로 이 식은 화합물의 실제 분자식이 될 수도 있고 안 될 수도 있다. 실험식은 다른 말로 화학식이라 할 수 있다.

 

 분자식(molecular formula)

실험식이 단지 화합물을 이루고 있는 각 원소의 상대적인 원자의 수에 비해서 분자식은 한 분자에 있는 실제적인 원자들의 수를 나타낸다. 예를 들면 물은 H₂O 로서 실험식(또는 화학식)이 그대로 이지만 과산화수소 H₂O₂로서 실험식은 HO이고 분자식은 HO에다 2를 곱한 H₂O₂이다. 따라서 분자식 은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

 

분자식 = n x 실험식(또는 화학식)

 

실험식과 분자식의 계산 예는 몰과 질량관계에서 다루기로 한다.

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2. 몰

1) 몰의 개념

원자나 분자의 질량은 매우 작다고 할 수 있다. 우리는 실험실에서 화학실험을 진행할 경우, 매우 많은 양의 화학물질을 다룬다고 할 수 있다. 따라서 이러한 많은 양의 화학물질의 원자나 분자를 세기위해서는 특정한 단위 즉 화학적인 단위가 요구된다고 할 수 있다.

 

이러한 화학적인 양을 세는 단위를 몰(mole)이라한다. 몰이란 단위를 좀더 정확하게 나타내면 12C 의 12g중에 포함되어 있는 원자(또는 분자, 이온, 입자의 수)의 개수와 같은 수를 포함하는 물질의 양으로 정의된다. 그러므로 1몰이란 매우 작은 입자의 특정개수를 포함한다는 것을 의미하며, 물질의 종류에는 상관없이 항상 같은 수의 입자를 포함한다는 것을 의미한다.

 

1몰(mole)은 6.022 x 10²³ 개의 입자 (혹은 원자, 분자)를 포함한다고 나타낸다. 6.022 x 10²³를 아보가드로수(Avogadro's number)라 부르며, 화학에 공헌을 한 아보가드로(Amedo Avogadro)의 이름을 따왔다.

 

1 mole C 원자 = 6.022 x 10²³개의 C 원자

1 mole NaCl 분자 = 6.022 x 10²³개의 NaCl 분자

1 mole 의 탁구공 = 6.022 x 10²³개의 탁구공

 

 

2) 몰과 질량, 개수 관계

순수한 원소 1몰에 있는 질량을 몰질량(molar mass)이라 하고, 단위는 g/mol로 나타낸다. 순수한 금속 나트륨이 23.00g 이 있다고 할 때, 이것의 원자량은 23.00amu이므로 나트륨원자 1mole이 존재한다고 말할 수 있고, 또한 6.022 x10²³개의 원자를 갖고 있다라고 말 할 수 있다. 기타 다른 원소들의 1mole의 원자수와 각각의 몰질량을 Table 2에 나타내었다.

 

어떠한 분자물질 예를 들면, 수소(H₂), 산소(O₂) 및 물(H₂O)의 경우에도 위와 마찬가지로 적용이 된다.

 

수소(H₂) 의 분자량은 2.0이고 무게 2.0g은 1 mole에 해당되며, 6.022 x 10²³개의 분자의 갯수가 존재한다. 또한 2 mole의 H원자를 포함하므로 2 x 6.022 x 10²³개 의 원자수가 존재한다고 할 수 있다. 산소(O₂)의 분자량은 16.0이고 무게 16.0g의 산소는 1mole에 해당되며, 또한 6.022 x 10²³개의 분자의 갯수를 포함한다. 그리고 2mole의 O원자를 포함하므로 2 x 6.022 x 10²³개 의 원자수가 존재한다고 할 수 있다. 물(H₂O)의 분자량은 18.0이고 무게 18.0g은 1 mole에 해당되며, 6.022 x 10²³개의 물분자의 갯수가 존재한다.

 

 

3) 실험식(화학식) 또는 분자식의 계산

어떠한 화합물속에 포함되어 있는 원소들의 질량비로부터 질량에 해당되는 상대적인 몰수를 구함으로서 실험식 또는 분자식을 결정할 수 있다.

 

예제) 질량비로 산소 59.8% 및 황 40.2%를 포함하는 화합물의 실험식은 무었인가?

 

시료의 질량을 모르므로 총질량을 100g으로 정하여 푸는 것이 편리하다.

백분율과 각 원소의 질량의 합이 같기 때문이다.

 

X mol의 산소 = 59.8g x 1mol/16.0g = 3.74 mol

X mol의 황 = 40.2g x 1mol/32.0g = 1.26 mol

 

실험식 즉 화학식은 가장 간단한 정수의 원자로 표시되어야하므로, 몰수의 비는 정수비로 표시되어야한다. 정수의 몰수비를 구하기위해서는 가장 적은양의 몰수로 나눈다.

3.74mol의 O/1.26mol의 S 은 3.00mol의 O/1.00mol의 S 해당하므로

따라서 실험식은 SO₃에 해당한다.

 

예제) 어떤 화합물을 화학분석한 결과 탄소가 85.5%와 수소가 14.5%로 얻어졌을 경우, 실험식을 결정하고 그것의 분자량이 42이라면 이때의 분자식은 무엇인가?

 

풀이) 총질량을 100g으로하여 C가 85.5g 과 H가 14.0g 이므로 이때 C는 85.5g x 1mol/12.0g = 7.13 mol이고, H는 14.0g x 1mol/1.0g = 14.0 mol이다. 가장 간단한 정수의 비는 적은 양으로 각각 나누어주어야 하므로, 이때 실험식은 1mol C ≃ 2 mol H이다. 따라서 CH₂이다. 이때 분자량은 42이므로 분자식은 =n x 실험식 이다. 그러므로 분자식은 n(CH₂) = 42이고, n x (12.0+2 x1.0) = 42 이다. 따라서 n 은 3이다. 분자식은 3 x(CH₂) = C₃H₆이다.

 

 

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