Chapter 3

화학에서 질량관계 : 화학량론Mass Relations in Chemistry

:Stoichiometry

무엇을 배우나

화학반응에서의 질량관계를 알기 위해 원자질량 몰의 개념 화학식 화학식에서 원자 ( 질량 ) 비 화학반응에서의 질량관계

–이론적 수율

3.1 원자질량

원자질량이란

동위원소 존재비로부터 원자질량의계산

개별 원자의 질량

원자질량 (atomic mass)

• 원자들의 상대질량• C-12 척도에 근거• 탄소의 가장 흔한 동위원소 (C-12) 를 12amu 로 표시

예 ) 원자질량의 의미 : 니켈원자는 58.69 / 40.08 = 1.464 칼슘보다 1.464 배 무겁다58.69 / 10.81 = 5.429 붕소보다 5.429 배 무겁다

element B Ca Niatomic mass 10.81 amu 40.08 amu 58.69 amu

질량분석기

염소의 질량스펙트럼 ( 동위원소 )

동위원소 존재비로부터 원자질량의 계산

Isotope Atomic Mass PercentNe-20 20.00 amu 90.92Ne-21 21.00 amu 0.26Ne-22 22.00 amu 8.82

Atomic mass = ∑ (isotope mass X fractional abundance)

A.M. of Ne = 20.00 (0.9092) +21.00 (0.0026) +22.00 (0.0882) = 20.18 amu

아보가드로수

H, Cl, Ni 의 원자질량은H = 1.008 amu Cl = 35.45 amu Ni = 58.69 amu

수소 1.008 g 중의 수소 원자수 = 염소 35.45 g 중의 염소 원자수 = 니켈 58.69g 중의 니켈 원자수 =NA :

NA = Avogadro’s number = 6.022 1023

H 원자의 질량 :

1 H atom = 1.674 10–24 g

1g 니켈 중의 니켈원자의 개수 :

1.00 g Ni = 1.026 1022 atoms

원자 한 개의 질량

1.008 g H

6.022 1023 atoms

6.022 1023 atoms Ni

58.69 g Ni

3.2 몰 (Mole)

의미

몰질량

몰 - 질량 변환

1 몰의 의미

1 mol = 6.022 1023 개1 mol H = 6.022 1023 atoms ; mass = 1.008 g1 mol Cl = 6.022 1023 atoms ; mass = 35.45 g1 mol Cl2 = 6.022 1023 molecules ; mass = 70.90 g1 mol HCl = 6.022 1023 molecules ; mass = 36.46 g

Q) 모래 1 몰은 얼마나 될까 ? 1cm3=18,000 알갱이 라면

몰질량몰질량 (molar mass), M, 은 원자질량의 합과 같다

몰 - g 환산 (m = M X n): 13.2 mol CaCl2 을 g 단위로 계산

mass = 13.2 mol CaCl2 = 1.47 103 g

sum of atomic masses molar mass (M)

CaCl2 (40.08+35.45X2)amu =110.98 amu

110.98 g/mol

C6H12O6 (12.01X 6+1.008X12+16.00X6)amu = 180.18 amu

180.18 g/mol

110.98 g CaCl21 mol CaCl2

예제 )

16.4 g C6H12O6 은 몇 몰 인가 ?

moles = 16.4 g C6H12O6 = 0.0919 mol 1 mol C6H12O6

180.18 g C6H12O6

3.3 화학식 (Formulas) 에서 질량관계

화학식으로부터 질량 %

% 조성으로부터 실험식

분석 데이터로부터 실험식

실험식으로부터 분자식

화학식으로부터 질량 %( 조성백분율 )예제 )K2CrO4 의 % 조성 ?

몰질량 = (78.20 + 52.00 + 64.00) g / mol = 194.20 g / mol

%K = 100% = 40.27%

%Cr = 100% = 26.78%

%O = 100% = 32.96%

K : Cr : O = 2 : 1 : 4 → 원자비 = 몰 비

78.20194.20

52.00194.20

64.00194.20

조성백분율로부터 실험식화합물 시료 중 각 원소의 질량 각 원소의 몰수몰비예제 ) 26.6% K, 35.4% Cr, 38.0% O 을 포함한 화합물의 실험식

시료 100 g 으로 시작 : 26.6 g K, 35.4 g Cr, 38.0 g O.

moles K = 26.6 g = 0.680 mol K

moles Cr = 35.4 g = 0.681 mol Cr

moles O = 38.0 g = 2.38 mol O

2.38 / 0.680 = 3.50 = 7 / 2 이므로 실험식 : K2Cr2O7

1 mol

39.10 g

1 mol

52.00 g

1 mol

16.00 g

화학분석데이터로부터 실험식예제 ) 아세트산 시료 (C, H, O atoms) 1.000 g 을 태웠더니 1.446 g CO2 와 0.6001 g H2O 을 얻었다 . 실험식 ? 시료 중 C 의 질량 (from CO2) 시료 중 H 의 질량 (from H2O) 차로부터 O 의

질량

mass C = 1.466 g CO2 = 0.4001 g C

mass H = 0.6001 g H2O = 0.0673 g H

mass O = 1.00 g – 0.400 g – 0.067 g = 0.533 g

12.01 g C

44.01 g CO2

2.02 g H

18.02 g H2O

계속

moles C = 0.4001 g C = 0.0333 mol C

moles H = 0.0673 g H = 0.0666 mol H

moles O = 0.533 g O = 0.0333 mol O

실험식은 CH2O

1 mol C

12.01 g C

1 mol H

1.008 g H

1 mol O

16.00 g O

실험식으로부터 분자식

몰질량을 알아야 함예 ) 아세트산 :M = 60 g/mol60 / 30 = 2 ( 실험식 : CH2O 12+2+16)분자식 = C2H4O2

3.4 화학반응에서 질량관계

Balancing → 반응식의 완결

반응에서 질량관계

화학반응식의 완결 (Balancing)화학반응식 양쪽의 화학식의 계수를 조정하여 원자의 수를 같게 한다 .예 ) 공기 중에서 프로페인을 연소하면 이산화탄소와 물이 생성 :

C3H8(g) + O2(g) CO2(g) + H2O(l)

Balance C: C3H8(g) + O2(g) 3CO2(g) + H2O(l)Balance H: C3H8(g) + O2(g) 3CO2(g) + 4H2O(l)Balance O: C3H8(g) + 5O2(g) 3CO2(g) + 4H2O(l)

의미 :1 mol C3H8 는 5 mol O2 와 반응하여 3 mol CO2 와 4 mol H2O 를 생성

화학반응에서 질량관계

예 1) 1.65 mol C3H8 이 탈 때 몇 몰의 CO2 가 생성 ?완결된 반응식의 계수로부터 변환인자를 얻음 :C3H8(g) + 5O2(g) 3CO2(g) + 4H2O(l)

1.65 mol C3H8 = 4.95 mol CO2

예 2) 12.0 g 의 C3H8 이 반응하는데 필요한 O2 의 질량 ?

3 mol CO21 mol C3H8

12.0 g C3H8

= 43.6 g O2

1 mol C3H844.09 g C3H8

5 mol O21 mol C3H8

32.00 g O21 mol O2

반응에서의 수율

한정시약과 이론적 수율

실험적수율 , 백분비 (% 수율 )

한정시약과 이론적 수율• 일반적으로 반응물들은 반응에 필요한 정확한 비율로 존재하지 않음

• 과량으로 존재하는 반응물은 반응이 끝나면 남음 .

• 나머지 , 한정시약 ( limiting reactant), 는 완전히 소비되어 이론적

수율의 생성물을 만듬

한정시약을 알고 , 이론적 수율을 계산하려면 :① 첫번째 반응물이 한정시약이라고 가정하고 기대수율 계산② 두번째 반응물에 대해서 이 계산을 반복③ 두 개중에서 적은 양이 이론적 수율 임 ④ 적은 이론적 수율이 나온 반응물이 한정시약임 .

예제 )

2Ag(s) + I2(s) gI(s)AgI 의 이론적 수율을 계산 하고 , 1.00 g Ag 와 1.00 g I2 가 반응할 때 한정시약은 ?

Ag 가 한정일 때 이론적 수율 :

1.00 g Ag = 2.18 g AgI

I2 가 한정일 때 이론적 수율 :

1.00 g I2 = 1.85 g AgI

이론적 수율 = 1.85 g AgI ; I2 한정시약

469.54 g AgI215.74 g Ag

469.54 g AgI253.80 g I2

실험적 수율 , 백분비수율

백분비 수율 = 100

AgI 의 실험적 수율을 1.50 g 이라고 가정하면 :

% yield = 100 = 81.1%

actual yield

theoretical yield

1.501.85