화학양론

화학양론의 기초

화학에서 화학양론(stoichiometry)은 양적관계를 나타낼 때 사용된다. 특정물질이 “얼마나 많이” 소모 또는 형성하는가 라는 질문이 바로 화학양론이다.

 

반응식에는 반응에 참여하는 입자수가 표시되어 있다. 균형을 맞춘 반응식의 화학양론계수는 입자수에 관한 것이지 질량에 관한 것이 아니다. 용액의 질량과 부피는 측정하기 쉬운 양이지만, 반응에 참여한 입자수를 직접적으로 측정할 수는 없다. 화학자들은 질량 또는 부피의 일치하지 않는 단위를 해결하기 위해, 이들 값을 몰(mol)수로 변환시켜 사용한다. 따라서 반응식의 균형을 맞추는 것이 제일 중요하다.

 

균형 맞춘 반응식에서의 몰비

메테인(CH₄, methane)은 연소가 가능한 가장 간단한 탄화수소로, 균형 맞춘 반응식은 다음과 같다.

 

CH₄(g) + 2O₂(g) → CO₂(g) + 2H₂O(l)

 

반응식을 읽어보자. "메테인 가스 한 분자가 산소 두 분자와 반응한다" 또는 "메테인 분자 1 mol이 산소 분자 2 mol과 반응한다"라고 읽힌다. 메테인 분자와 산소 분자는 1 : 2의 비이며, 메테인 분자와 이산화탄소 분자는 1: 1의 비이다. 그리고 메테인 분자와 물 분자는 1: 2의 비이고, 산소 분자와 물 분자는 2:2 (또는 1: 1)의 비이다.

 

1 mol CH₄ : 2mol O₂
1 mol CH₄ : 1mol CO₂
1 mol CH₄ : 2mol H₂O
1 mol O₂ : 2mol H₂O

 

아래와 같이 화학양론 계산에서는 몰비를 분율로 나타내기도 한다. 어떤 물질의 양을 관련된 다른 물질의 양으로 환산할 때는 단위환산인자처럼 몰분율을 사용한다.

 

어떤 단위를 다른 단위로 환산하기 위해 비(ratio)를 사용하는데, 화학양론에서도 그리 복잡하지 않다. 하지만 화학양론에서는 여러 번의 변환이 필요하다. 반응에서 어떤 한 물질의 질량을 알고 있고, 다른 반응물 또는 생성물의 질량을 알고자 하는 경우, 세 가지 비를 사용한다: 몰질량비, 균형 맞춘 반응식으로부터의 몰비, 질량을 알고자 하는 물질의 몰질량. 각 단계에 어떤 비를 사용할지 결정하기 위해 모든 양에 단위를 붙인다.

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[예제문제] 메테인의 연소에서 CH₄ 6.75 mol이 완전히 연소하는데 필요한 O2의 몰수는?

 

[풀이] 균형 맞춘 반응식은 아래와 같다.

CH₄(g) + 2O₂(g) → CO₂(g) + 2H₂O(l)

반응식의 계수로 CH₄와 O₂의 비를 이용하여 O₂의 몰수를 구한다.

6.75 mol CH₄ x (2 mol O₂ / 1 mol CH₄) = 13.5 mol O₂

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제한반응물질

화학반응에서 반응물 중 좀 더 빨리 소모되는 것이 있는데, 반응물 중 하나가 소모되면 반응은 멈춘다. 완전히 소모된 반응물은 반응의 진행을 결정하기 때문에 생성물의 양을 제한하게 된다. 이런 반응물을 제한반응물질(limiting reactant)이라 한다.

H₂와 O₂, 각각 여섯 분자가 반응할 때 얼마의 물이 생성되는가? 반응식은 아래와 같다.

 

2 H₂(g) + O₂(g) → 2 H₂O(g)

 

두 반응물이 존재하는 한 반응은 계속 진행된다. 그러나 여섯 개의 물 분자가 생성되면, 수소는 모두 소모된 상태이다. 산소 세 분자가 여전히 남아있더라도 반응은 진행하지 않는다. 생성물의 양은 수소 양에 의해 제한받으며, 이때 제한반응물질은 수소이다.

 

일반적으로, 반응물의 양을 조절하여 어떤 반응물이 제한반응물질인지 확인할 수 있다. 예로 가솔린의 연소반응에서는 공기로부터 과량의 산소가 공급되기 때문에, 제한반응물질은 가솔린이다.

 

제한반응물질을 명확히 단정할 수는 없다. 화학반응의 초기실험에서는, 물질을 편리하고 이용 가능한 양으로 하여 단순히 섞는다. 제한반응물질은 반응 후 각 반응물의 존재량을 비교하여 결 정할 수 있다. 남은 반응물의 상대적 몰비를 비교하도록 한다.

 

화학양론문제에서 제한반응물질을 다루는 것은 반응물의 양으로부터 생성물의 양을 결정하기 위함이다. 우선 어느 물질이 먼저 소모되는지 결정하고 계산을 하도록 한다. 로켓엔진은 이 성분 연료 혼합물을 사용하는데, 두 성분의 반응에 의해 에너지를 얻는다. 이때 두 물질은 화학양론에 맞도록 디자인되어야 하며, 한 물질만 과량으로 존재해서는 안 된다.

 

이론수득률과 퍼센트수득률

화학반응이 효과적으로 이루어지면, 원하지 않는 부산물은 가능한 적게, 원하는 생성물은 많이 얻을 수 있다. 온도 등의 요인, 부반응, 그리고 생성물의 과반응으로 원하는 물질의 양은 줄어든다.

 

완벽한 조건에서의 생성물의 양이 얼마인지 계산한 후 실제 실험에서 얻은 생성물의 양을 비교함으로써 반응의 효율성을 측정할 수 있다. 생성물의 이론적 양을 이론수득률(theoretical yield)이라 하며, 화학양론으로 계산하여 얻을 수 있는 값이다. 실험을 통해 측정한 생성물의 양을 실제수득률(actual yield)이라 한다. 그리고 두 값의 비를 퍼센트수율(percentage yield)이라 한다.

 

가솔린 등의 탄화수소는 완전연소일 때 더 많은 에너지를 발생한다. 완전연소가 되면 잠재적으로 해로운 화합물(CO와 검댕)이 적게 발생된다. 따라서 완전연소의 정도에 따라 연료의 효율 성을 정의할 수 있다. 배출가스에 CO₂ 외에 CO, CH₂O, 기타 탄소화합물이 발견된다는 것은 부반응이 일어났음을 뜻한다.

 

용액에서의 화학양론

화학양론문제에서 반응에 참여한 물질의 몰(mol) 수를 몰질량(g/mol)과 몰비를 이용하여 구할 수 있다. 이것을 용액에서의 반응으로 확장할 수 있다. 용액의 양은 질량보다는 부피로 측정된다. 몰수는 용액의 농도와 부피에 관련된다(n= MV). 반응에서 물질 간의 몰비를 알기 위해서는 균형 맞춘 화학반응식이 필요하다.

 

적정(titration)이라는 실험방법을 이용하여 용액의 화학양론을 이해해 보자. 정밀히 측정된 반응물을 비커나 플라스크에 옮기고, 지시약이라 불리는 염료를 용액에 첨가한다. 두 번째 반응물을 뷰렛을 사용하여 조심스럽게 넣는다. 반응이 완료되었을 때 지시약의 색은 변하는 데, 이때 화학양론에 들어맞는 반응물 혼합물에 대한 정보를 얻게 된다. 우리는 첫 번째 반응물의 몰수(또는 몰농도와 부피)와 두 번째 반응물의 사용된 용량(V’)을 안다. 그리고 두 물질의 반응식을 안다면, 두 번째 반응물의 미지 농도(M')를 알 수 있다.