화학 반응과 반응 화학양론3

14 KMnO4 + 4 C3H5(OH)3 --> 7 K2CO3 + 7 Mn2O3 + 5 CO2 + 16 H2O + HEAT

화학적변화: 왜 일어나는가? 얼마나 빨리 일어나는가?=> 양(quantity)적인 정보가 필요

화학량론(Stoichiometry): 화학반응에서 소비되거나 생성되는 물질의 양에 대한 연구

화학량론(Stoichiometry)

질량보존의 법칙(Law of Conservation of Mass)

화학량론(Stoichiometry)

“We may lay it down as an incontestable axiom that, in all theoperations of art and nature, nothingis created; an equal amount of matter exists both before and after theexperiment. Upon this principle, thewhole art of performing chemicalexperiments depends.”

— Antoine Lavoisier, 1789

화학반응식: 화학반응을 간결하게 표시두 가지 정보 => 반응물과 생성물의 성격과 각각의 상대적인 양

CH4(g) + 2O2(g) → CO2(g) + 2H2O(g)

반응물 생성물

질량보존의 법칙: 화학반응 과정에서 원자는 생성되거나 소멸되지않는다.=> 균형잡힌 화학반응식

화학반응식(Chemical Equation)

State SymbolSolid (s)Liquid (l)Gas (g)Dissolved in water (in aqueous solution) (aq)

화학반응식(Chemical Equation)균형잡힌

화학반응식

1. 어떤 반응이 일어났는 가 결정: 반응물과 생성물2. 가장 복잡한 화합물부터 조사하고 균형을 잡는다.3. 검토(질량보존의 법칙)

Ex) ammonium dichromate의 분해 반응

(NH4)2Cr2O7Cr2O3

1. (NH4)2Cr2O7 (s) → Cr2O3(s) + N2(g) + H2O(g)

2. (NH4)2Cr2O7 (s) → Cr2O3(s) + N2(g) + 4H2O(g)

Ex) 암모니아 기체와 산소를 반응시키면 일산화질소와 수증기(1000 oC)가 발생한다. (공업적으로 질산, HNO3,을 만드는 Ostwald 공정의 첫단계) 균형을 잡아라.

1. NH3(g) + O2(g) → NO(g) + H2O(g)

2. 2NH3(g) + O2(g) → NO(g) + 3H2O(g)

2NH3(g) + O2(g) → 2NO(g) + 3H2O(g)

2NH3(g) + 2.5O2(g) → 2NO(g) + 3H2O(g) 4NH3(g) + 5O2(g) → 4NO(g) + 6H2O(g)

화학반응의 종류

화학반응의 분류:

입자의 재배열에 따른 분류: 결합반응, 분해반응, 치환반응반응의 화학적 성격에 따른 분류: 침전반응, 산-염기반응, 산화-환원 반응

결합반응(combination reaction): 두 개 이상의 물질이 반응하여 하나의 생성물을만드는 반응

Mg(s) + O2(g) 2MgO(s)

결합반응

N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g)

C3H6(g) + Br2(l) C3H6Br2(l)

화학반응의 종류

분해반응(decomposition reaction): 한 물질이 분해되어 두 가지 이상의 물질을생성하는 반응

분해반응

2NaN3(s) 2Na(s) + 3N2(g)

CaCO3(s) CaO(s) + CO2(g)

CuCO3(s) CuO(s) + CO2(g)

2KClO3(s) 2KCl(s) + O2(g)

화학반응의 종류

연소반응(combustion reaction) : 산소와의 반응으로 불꽃을 내는 빠른 반응

연소반응

CH4(g) + 2O2(g) → CO2(g) + 2H2O(g)

C3H8(g) + 5O2(g) 3CO2(g) + 4H2O(g)

- C, H, O를 포함하는 유기화합물을 연소시키면 CO2(g)와 H2O(g,ㅣ)가 발생한다.

- 연소반응은 산화-환원 반응의 일종

화학식량

화학반응에서 질량은 어떻게 표현할까?

화학식량과 분자량

화학식량(formula weight, FW): 물질의 화학식에 있는 원자량의 총합

CaCl2 의 FW

Ca: 1(40.08 amu)

+ Cl: 2(35.453 amu)110.99 amu

H2SO4의 FW(MW)

H: 2(1.0 amu)

S: 1(32.1 amu)

+ O: 4(16.0 amu)

98.1 amu

주기율표분자량(molecular weight, MW): 분자에 있는 원자량의 총합

C: 2 (12.011 amu)

30.070 amu

+ H: 6 (1.00794 amu)

C2H6의 FW(MW)

왜 분자량으로 통일하지 않고 화학식량이라는 것을 도입해야 할까?

화학식량 화학식과 조성 백분율

조성백분율(percent composition) = 질량백분율

: 물질에서 어떤 원소(원자)가 차지하는 질량의 퍼센트

원소의 조성% =(원자 개수) (원자량)

(화합물의 화학식량)x 100 %

Ex) 설탕(C12H22O11, MW = 342.0 amu)에서 각 원소의 질량백분율 ?

Avogadro 수와 몰 몰, Avogadro 수

몰(mole) : 12 g의 탄소 동위원소 12C에 있는 12C 원자의 개수

= 6.02214 x 1023 = Avogadro 수(Avogadro's number, NA)

1 mol of anything = 6.022 x 1023 units of that thing

1 mol 12C 원자 = 6.022 x 1023 12C 원자

1 mol H2O 분자 = 6.022 x 1023 H2O 분자

1 mol NO3- 이온 = 6.022 x 1023 NO3

- 이온

gamu

gatom

amuatoms

110022.6

12)12

)(10022.6(

23

23

exact number

Ex) 글루코스(C6H12O6) 0.350 mol에 있는 HH 원자의 개수?

Moles C6H12O6 → molecules C6H12O6 → atoms H

Avogadro 수와 몰 몰질량

몰질량(molar mass) : 물질 1 몰의 질량 (g/mol)

- 원소의 경우, 몰질량은 주기율표에서 볼 수 있는 원소의 원자량- amu 단위의 화학식량과 g/mol 단위의 몰질량의 수는 동일

몰질량Ex) 글루코스(C6H12O6) 의 몰질량? 180.0 g/mol

Avogadro 수와 몰 질량과 몰의 환산

Ex) 5.380 g 글루코스(C6H12O6)의 몰수?

Glucose의 몰질량 180.0 g/mol

Ex) 0.433 mol 질산 칼슘(Ca(NO3)2)의 질량?

Ca(NO3)2의 화학식량 = 40.078 amu + 2(14.007 amu) + 6(15.999 amu)= 164.086 amu

Ca(NO3)2의 몰질량 = 164.086 g/mol

164.086

Avogadro 수와 몰 질량과 입자수의 환산

Ex) 5.23 g 글루코스(C6H12O6)의 분자 개수?

Glucose의 몰질량 180.0 g/mol

Ex) 5.23 g 글루코스(C6H12O6)에 있는 산소 원자의 개수?

분자 개수

화학 분석으로 얻는 실험식

실험식: 화합물을 구성하는 각 원소의 원자 개수의 최소 정수비

많은 경우에 화학 분석으로부터 실험식을 구할 수 있다.

질량백분율 => 실험식

1. 화합물 100 g에 있는 각 원소의 질량를 구한다.(질량백분율 이용)2. 각 원소의 몰수를 구한다.3. 몰수들을 가장 작은 몰수로 나눈다.4. 각 수에 적당한 수를 곱하여 간단한 정수비를 구한다.

Ex) 아스코르브산(vitamin C)은 질량비로 40.92% C, 4.58% H, 54.50% O를 포함한다. 실험식 ?

질량백분율 => 실험식

화학 분석으로 얻는 실험식

Ex) 아스코르브산(vitamin C)의 분자량은 176 amu 이다. 분자식?

실험식 => 분자식

질량분석기를 이용하면 화합물의 분자량을 알 수 있다.(분자식, 실험식은 알 수 없음)

실험식 화학식량 88.0 amu

분자식 = 화학식 x = C6H8O6amu

amu

0.88

176

화학 분석으로 얻는 실험식 연소 분석

C : 생성된 CO2의 질량으로부터 C를 구한다.

H : 생성된 H2O의 질량으로부터 H를 구한다

O : C와 H를 구한 후, 그 차이로부터 O를 구한다.

C, H, O를 포함하는 유기화합물을 연소시키면 CO2(g)와 H2O(g,ㅣ)가 발생한다.

실험식

화학 분석으로 얻는 실험식

Ex) 아이소프로필알코올 0.255 g을 연소시켜 0.561 g CO2, 0.306 g H2O을 얻었다. 실험식?

연소 분석

C:H:O = 0.0128: 0.0340: 0.0043 = 3.0: 7.9: 1.0 ≒ 3:8:1

C3H8O

균형잡힌 반응식에서 얻는 정량적 정보

CH4(g) + 2O2(g) → CO2(g) + 2H2O(g)

반응물 생성물

균형잡힌 화학반응식으로부터 화학론적당량(equivalent)을 알 수 있다.

2 mol H2 ∽ 1 mol O2 ∽ 2 mol H2O

균형잡힌 반응식에서 얻는 정량적 정보

Ex) 글루코스(C6H12O6) 1.00 g 이 타면 물 몇 g 이 생성되는가?

C6H12O6 + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O

균형잡힌 반응식에서 얻는 정량적 정보

Ex) 수산화리튬(lithium hydroxide, LiOH)은 CO2와 반응하여 물과 탄산리튬(lithiumcarbonate, Li2CO3)을 만든다. LiOH 1.00 g이 흡수할 수 있는 CO2의 질량?

2LiOH(s) + CO2(g) → Li2CO3(s) + H2O(l)

Grams LiOH → moles LiOH → moles CO2 → grams CO

Apollo 13 EmergencyRig LiOH Unit Columbia

한계 반응물

2H2(g) + O2(g) → 2H2O(g)

한계반응물(limiting reactant):반응에서 완전히 소비되는 반응물. 생성물의 양을 결정.

과량반응물(excess reactant):반응 완결 후에도 남아있는 반응물

한계 반응물

Ex) N2 결합 끊기N2(g) + 3H2(g) → 2NH3(g)

3.0 mol N2와 6.0 mol H2를 반응 시켰을 때 생성되는 NH3의 몰 수?

3.0 mol N2을 완전히 소비하기 위해 필요한 H2의 몰 수

한계시약

생성되는 NH2의 몰 수

한계 반응물 이론적 수득량

이론적 수득량(theoretical yield): 이론적으로 가능한 생성물의 최대량

수득백분율(%) = x 100

실제 수득량

이론적 수득량

Ex) 나일론 생산의 원료인 아디프산(adipic acid, H2C6H8O4)은 사이클로헥세인(cyclohexane, C6H12)과 산소의 반응으로 얻는다.

2 C6H12(l) + 5 O2(g) → 2 H2C6H8O4(l) + 2 H2O(g)

(a) 25.0 g 의 사이클로헥세인을 반응시켰을 때 얻을 수 있는아디프산의 최대량은? (충분한 양의 산소가 공급되었다고가정)

(b) 33.5 g의 아디프산을 얻었다면 수득백분율은?