3 화학양론 (stoichiometry)

1. 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

2. 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. 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): 1mol의 질량 (g 또는 Kg단위) 예) 22Na-22.99amu, 몰질량은 22.99g

4. <꼭 습득하여야 할 개념> 예제 3.3 예제 3.4 예제 3.2

5. 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 3.6 예제 3.7 예제 3.5

6. 3.4 질량분석기 □ 질량분석기 (mass spectrometer): 원자질량과 분자질량을 측정하는 장치

7. 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

8. 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… C3H4O3실제 비타민 C의 분자식은 C6H8O6임

9. □ 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?

10. 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>

11. □ 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, C0.50H1.5O0.25임. 정수가 아니므로 가장 작은 아래첨자 0.25로 모두 나누어 실험식을 구함. C2H6O 따라서, 실험식 (empirical formula)라는 말은 “관찰과 측정에 기초를 둔”식 임.

12. ♦ 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 ?

13. 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)

14. □ 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 □ 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

15. ♦ 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)

16. □ 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 ?

17. 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 ?

18. 예제 3.14 • C6H12O6 + CO2 6CO2 + 6H2O일때, C6H12O6 856g이 소멸할때 CO2의 양은 ? • 실전연습 • 2H3OH + 3O2 2CO2 + 4H2O일때, 메탄올 209g이 소모할때 생성되는 H2O의 질량 ?

19. 3.9 한계반응물과 반응의 수득율 • 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. • 한계반응물은 어느것인가 ? • 생성된 요소의 질량은 ? • 반응이 끝난 후 초과반응물의 양은 ? • 실전연습 • 2Al + Fe2O3 Al2O3 + 2Fe반응에서, Al 124g과 Fe2O3 601g반응 • (a) Al2O3은 g은 ? (b) 초과반응물은 얼마나 남는가 ?

20. ♦ 반응의 수득율 • 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 • Ti의 이론적 수득율의 g으로 ? • Ti 7.91x106을 얻었다면 %수득율은 ? • 실전연습 • 5Ca + V2O5 5CaO + 2V반응에서, V2O5 1.54x103g과 Ca 1.96x103g을 반응 • V의 이론적인 수득율 ? • 803g의 V가 생성되었다고 할때 %수득율은 ?