3-1

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

3-2

• 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) 6.022x1023 개체를

말한다.

이 수는 아보가드로 수라고 불리며 줄여서 NA으로 표현한다.

몰(Mole)

• 원자, 이온, 분자, 화학식 단위, 전자 등 모든 입자들을 말할 때,

몰(mole)이라는 단위를 사용한다.

3.1 몰(mole)

3-3

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)

3-4

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. O2 의 몰질량 = 2 x M of O

= 2 x 16.00

= 32.00 g/mol SO2 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)

3-5

3-6

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 6.022x1023 개체

1 mol

양(mol) = 개체의 수 x 6.022x1023 개체의수

1 mol

g

M

3.1 몰(mole)

3-7

원소에 대한 질량-몰-수 관계. 그림 3.2

3-8

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

3-9

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

3-10

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

3-11

화합물에 대한 양(mol)-질량-수 관계. 그림 3.3

3-12

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

= NO2분자수 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

3-13

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

3-14

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

3-15

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)

3-16

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

3-17

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.

3-18

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

3-19

실험식과 분자식

실험식은 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

3-20

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 Zn0.21P0.14O0.56

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 Zn3P2O8

Zn1.5P1.0O4.0

3-21

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 Na1Cl1O3.98 또는 NaClO4;

과염소산 소듐.

0.123

0.123

0.489

0.123 Na 와 Cl = = 1 과 O = = 3.98

3-22

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

분자식 C3H6O3

O3.33

3.33

H6.66

3.33

C3.33

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

3-23

유기 화합물의 화학식을 결정하기 위한 연소 장치. 그림 3.4

CnHm + (n+ ) O2 = n CO2(g) + H2O(g) m

2

m

2

3.2 미지 화합물의 화학식 구하기

유기 화합물의 연소

3-24

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?

3-25

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 :

3-26

176.12 g/mol

88.06 g

= 2.000 mol

= 1 0.0341

0.0341 C

0.0456

0.0341 = 1.34 H

0.0341

0.0341 = 1 O

C1H1.34O1 = C3H4.01O3 C3H4O3

C6H8O6

가장 작은 수로 나누어 실험식을 구한다:

실험식의 질량으로 분자량을 나눈다:

예제 3.11

3-27

이성질체 (isomer): 분자식이 같지만 성질이 다른 화합물

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

3-28

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

3-29

화학 반응식의 특징

Mg + O2 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.

3-30

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)

3-31

세 가지 관점에서 마그네슘과 산소의 화학반응. 그림 3.6

3-32

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 + O2 8 CO2 + 9 H2O 25

2

3-33

옥테인 연소 반응의 분자 그림

3-34

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:

3-35

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

3-36

3-37

화학 반응에서 양(mol)-질량-수 사이의 관계 요약도. 그림 3.7

3-38

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 Cu2S

10.0 mol Cu2S x

3-39

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

3-40

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

3-41

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

3-42

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).

3-43

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

3-44

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

3-45

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

Cl2가 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

3-46

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.

3-47

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.

3-48

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

3-49

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

3-50

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

3-51

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)

3-52

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

3-53

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 =

3-54

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

3-55

용액에서 양(mol)-질량- 수 사이의 관계 요약도. 그림 3.9

3-56

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

3-57

진한 용액을 묽은 용액으로 바꾸기. 그림 3.10

Mdil x Vdil = 몰양(mol)= Mconc x Vconc

3-58

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

희석한다.

3-59

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.

3-60

풀이: Ndil x Vdil = Nconc x Vconc

N 은 입자의 개수이다.

(a) Ndil = Nconc x Vconc

Vdil = 8 입자 x = 4 입자

1 mL

2 mL

(b) Nconc = Ndil x Vdil

Vconc = 8 입자 x = 12 입자 1 mL

mL 2

3

예제 3.24

3-61

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)

3-62

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

3-63

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 HgS 몰 양를 가지는 경우에 M을 곱함

3-64

= 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

3-65

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