3 화학반응과반응화학양론
화학량론 (Stoichiometry) 14 KMnO 4 + 4 C 3 H 5 (OH) 3 --> 7 K 2 CO 3 + 7 Mn 2 O 3 + 5 CO 2 + 16 H 2 O + HEAT 화학적변화 : 왜일어나는가? 얼마나빨리일어나는가? => 양 (quantity) 적인정보가필요 화학량론 (Stoichiometry): 화학반응에서소비되거나생성되는물질의양에대한연구
화학량론 (Stoichiometry) 질량보존의법칙 (Law of Conservation of Mass) We may lay it down as an incontestable axiom that, in all the operations of art and nature, nothing is created; an equal amount of matter exists both before and after the experiment. Upon this principle, the whole art of performing chemical experiments depends. Antoine Lavoisier, 1789
화학반응식 (Chemical Equation) 화학반응식 : 화학반응을간결하게표시두가지정보 => 반응물과생성물의성격과각각의상대적인양 State Symbol Solid (s) Liquid (l) Gas (g) Dissolved in water (in aqueous solution) (aq) CH 4 (g) + 2O 2 (g) CO 2 (g) + 2H 2 O(g) 반응물 생성물 질량보존의법칙 : 화학반응과정에서원자는생성되거나소멸되지않는다. => 균형잡힌화학반응식
화학반응식 (Chemical Equation) 균형잡힌화학반응식 1. 어떤반응이일어났는가결정 : 반응물과생성물 2. 가장복잡한화합물부터조사하고균형을잡는다. 3. 검토 ( 질량보존의법칙 ) Ex) ammonium dichromate 의분해반응 1. (NH 4 ) 2 Cr 2 O 7 (s) Cr 2 O 3 (s) + N 2 (g) + H 2 O(g) 2. (NH 4 ) 2 Cr 2 O 7 (s) Cr 2 O 3 (s) + N 2 (g) + 4H 2 O(g) Ex) 암모니아기체와산소를반응시키면일산화질소와수증기 (1000 o C) 가발생한다. ( 공업적으로질산, HNO 3, 을만드는 Ostwald 공정의첫단계 ) 균형을잡아라. 1. NH 3 (g) + O 2 (g) NO(g) + H 2 O(g) 2. 2NH 3 (g) + O 2 (g) NO(g) + 3H 2 O(g) 2NH 3 (g) + O 2 (g) 2NO(g) + 3H 2 O(g) 2NH 3 (g) + 2.5O 2 (g) 2NO(g) + 3H 2 O(g) (NH 4 ) 2 Cr 2 O 7 Cr 2 O 3 4NH 3 (g) + 5O 2 (g) 4NO(g) + 6H 2 O(g)
화학반응의종류 결합반응 화학반응의분류 : 입자의재배열에따른분류 : 결합반응, 분해반응, 치환반응반응의화학적성격에따른분류 : 침전반응, 산 - 염기반응, 산화 - 환원반응 결합반응 (combination reaction): 두개이상의물질이반응하여하나의생성물을만드는반응 Mg(s) + O 2 (g) 2MgO(s) N 2 (g) + 3H 2 (g) 2NH 3 (g) C 3 H 6 (g) + Br 2 (l) C 3 H 6 Br 2 (l)
화학반응의종류 분해반응 분해반응 (decomposition reaction): 한물질이분해되어두가지이상의물질을생성하는반응 2NaN 3 (s) 2Na(s) + 3N 2 (g) CaCO 3 (s) CaO(s) + CO 2 (g) CuCO 3 (s) CuO(s) + CO 2 (g) 2KClO 3 (s) 2KCl(s) + O 2 (g)
화학반응의종류 연소반응 연소반응 (combustion reaction) : 산소와의반응으로불꽃을내는빠른반응 CH 4 (g) + 2O 2 (g) CO 2 (g) + 2H 2 O(g) C 3 H 8 (g) + 5O 2 (g) 3CO 2 (g) + 4H 2 O(g) - C, H, O 를포함하는유기화합물을연소시키면 CO 2 (g) 와 H 2 O(g, ㅣ ) 가발생한다. - 연소반응은산화 - 환원반응의일종
화학식량 화학식량과분자량 화학반응에서질량은어떻게표현할까? 화학식량 (formula weight, FW): 물질의화학식에있는원자량의총합 분자량 (molecular weight, MW): 분자에있는원자량의총합 CaCl 2 의 FW Ca: 1(40.08 amu) + Cl: 2(35.453 amu) 110.99 amu H 2 SO 4 의 FW(MW) H: 2(1.0 amu) S: 1(32.1 amu) + O: 4(16.0 amu) 98.1 amu C 2 H 6 의 FW(MW) 주기율표 C: 2 (12.011 amu) + H: 6 (1.00794 amu) 30.070 amu 왜분자량으로통일하지않고화학식량이라는것을도입해야할까?
화학식량 화학식과조성백분율 조성백분율 (percent composition) = 질량백분율 : 물질에서어떤원소 ( 원자 ) 가차지하는질량의퍼센트 원소의조성 % = ( 원자개수 ) ( 원자량 ) ( 화합물의화학식량 ) x 100 % Ex) 설탕 (C 12 H 22 O 11, MW = 342.0 amu) 에서각원소의질량백분율?
Avogadro 수와몰 몰, Avogadro 수 몰 (mole) : 12 g의탄소동위원소 12 C에있는 12 C 원자의개수 = 6.02214 x 10 23 = Avogadro 수 (Avogadro's number, N A ) 1 mol of anything = 6.022 x 10 23 units of that thing 1 mol 12 C 원자 = 6.022 x 10 23 12 C 원자 1 mol H 2 O 분자 = 6.022 x 10 23 H 2 O 분자 1 mol NO 3- 이온 = 6.022 x 10 23 NO 3- 이온 23 12amu (6.022 10 atoms)( ) 12g atom 23 6.022 10 amu 1g exact number Ex) 글루코스 (C 6 H 12 O 6 ) 0.350 mol 에있는 H H 원자의개수? Moles C 6 H 12 O 6 molecules C 6 H 12 O 6 atoms H
Avogadro 수와몰 몰질량 몰질량 (molar mass) : 물질 1 몰의질량 (g/mol) - 원소의경우, 몰질량은주기율표에서볼수있는원소의원자량 - amu 단위의화학식량과 g/mol 단위의몰질량의수는동일 Ex) 글루코스 (C 6 H 12 O 6 ) 의몰질량? 몰질량 180.0 g/mol
Avogadro 수와몰 질량과몰의환산 Ex) 5.380 g 글루코스 (C 6 H 12 O 6 ) 의몰수? Glucose 의몰질량 180.0 g/mol Ex) 0.433 mol 질산칼슘 (Ca(NO 3 ) 2 ) 의질량? Ca(NO 3 ) 2 의화학식량 = 40.078 amu + 2(14.007 amu) + 6(15.999 amu) = 164.086 amu Ca(NO 3 ) 2 의몰질량 = 164.086 g/mol 164.086
Avogadro 수와몰 질량과입자수의환산 Ex) 5.23 g 글루코스 (C 6 H 12 O 6 ) 의분자개수? Glucose 의몰질량 180.0 g/mol 분자개수 Ex) 5.23 g 글루코스 (C 6 H 12 O 6 ) 에있는산소원자의개수?
화학분석으로얻는실험식 질량백분율 => 실험식 실험식 : 화합물을구성하는각원소의원자개수의최소정수비 많은경우에화학분석으로부터실험식을구할수있다. 질량백분율 => 실험식 1. 화합물 100 g 에있는각원소의질량를구한다.( 질량백분율이용 ) 2. 각원소의몰수를구한다. 3. 몰수들을가장작은몰수로나눈다. 4. 각수에적당한수를곱하여간단한정수비를구한다. Ex) 아스코르브산 (vitamin C) 은질량비로 40.92% C, 4.58% H, 54.50% O 를포함한다. 실험식?
화학분석으로얻는실험식 실험식 => 분자식 질량분석기를이용하면화합물의분자량을알수있다.( 분자식, 실험식은알수없음 ) Ex) 아스코르브산 (vitamin C) 의분자량은 176 amu 이다. 분자식? 실험식 화학식량 88.0 amu 176amu 분자식 = 화학식 x = C 6 H 8 O 6 88.0amu
화학분석으로얻는실험식 연소분석 C, H, O 를포함하는유기화합물을연소시키면 CO 2 (g) 와 H 2 O(g, ㅣ ) 가발생한다. C : 생성된 CO 2 의질량으로부터 C 를구한다. H : 생성된 H 2 O 의질량으로부터 H 를구한다 O : C 와 H 를구한후, 그차이로부터 O 를구한다. 실험식
화학분석으로얻는실험식 연소분석 Ex) 아이소프로필알코올 0.255 g 을연소시켜 0.561 g CO 2, 0.306 g H 2 O 을얻었다. 실험식? C 3 H 8 O C:H:O = 0.0128: 0.0340: 0.0043 = 3.0: 7.9: 1.0 3:8:1
균형잡힌반응식에서얻는정량적정보 균형잡힌화학반응식으로부터화학론적당량 (equivalent) 을알수있다. 2 mol H 2 1 mol O 2 2 mol H 2 O CH 4 (g) + 2O 2 (g) CO 2 (g) + 2H 2 O(g) 반응물 생성물
균형잡힌반응식에서얻는정량적정보 Ex) 글루코스 (C 6 H 12 O 6 ) 1.00 g 이타면물몇 g 이생성되는가? C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 6 CO 2 + 6 H 2 O
균형잡힌반응식에서얻는정량적정보 Ex) 수산화리튬 (lithium hydroxide, LiOH) 은 CO 2 와반응하여물과탄산리튬 (lithium carbonate, Li 2 CO 3 ) 을만든다. LiOH 1.00 g 이흡수할수있는 CO 2 의질량? 2LiOH(s) + CO 2 (g) Li 2 CO 3 (s) + H 2 O(l) Columbia Apollo 13 Emergency Rig LiOH Unit Grams LiOH moles LiOH moles CO 2 grams CO
한계반응물 2H 2 (g) + O 2 (g) 2H 2 O(g) 한계반응물 (limiting reactant): 반응에서완전히소비되는반응물. 생성물의양을결정. 과량반응물 (excess reactant): 반응완결후에도남아있는반응물
한계반응물 Ex) N 2 결합끊기 N 2 (g) + 3H 2 (g) 2NH 3 (g) 3.0 mol N 2 와 6.0 mol H 2 를반응시켰을때생성되는 NH 3 의몰수? 3.0 mol N 2 을완전히소비하기위해필요한 H 2 의몰수 생성되는 NH 2 의몰수 한계시약
한계반응물 이론적수득량 이론적수득량 (theoretical yield): 이론적으로가능한생성물의최대량 실제수득량수득백분율 (%) = x 100 이론적수득량 Ex) 나일론생산의원료인아디프산 (adipic acid, H 2 C 6 H 8 O 4 ) 은사이클로헥세인 (cyclohexane, C 6 H 12 ) 과산소의반응으로얻는다. 2 C 6 H 12 (l) + 5 O 2 (g) 2 H 2 C 6 H 8 O 4 (l) + 2 H 2 O(g) (a) 25.0 g 의사이클로헥세인을반응시켰을때얻을수있는아디프산의최대량은? ( 충분한양의산소가공급되었다고가정 ) (b) 33.5 g 의아디프산을얻었다면수득백분율은?