1. 물질 변화와 화학 반응식

우리 주변에서는 물질들이 가만히 있는 것이 아니라 꾸준히 변하고 있습니다. 얼음을 꺼내어 놓으면 녹고 바닥에 놓인 물이 증발하는가 하면 바깥에 노출된 철이 녹이 슨다든가 등의 다양한 변화가 있습니다. 이번 단원에서는 이러한 변화를 구분해 보고 화학이라는 과학에서 가장 필수적인 언어의 한 종류라 할 수 있는 화학반응식의 표현에 대해서 알아 봅시다.

 

(1) 물리 변화와 화학 변화

A. 물리변화

물질의 고유한 성질은 전혀 변하지 않으면서 물질의 모양이나 상태등이 변하는 현상입니다. 변화가 일어나는데도 고유한 성질이 변하지 않는다는 것은 바로 물질을 구성하는 분자의 배열이 달라지긴 하지만 분자 자체의 변화는 없다는데에서 그 이유를 알 수 있습니다. 가장 쉽게 찾아 볼 수 있는 예로 물-얼음의 변화를 살펴 봅시다.

얼음과 물의 분자자체는 차이가 없습니다. 사진에서 보다시피 얼음은 물분자가 6각형 모양으로 배열이 되어 있는 반면에 물은 방향성이 딱히 없다는 점이죠.

 

이러한 물리변화는 다음과 같은 것들이 있습니다.

- 모양이나 크기 변화

그릇이 깨지거나 종이를 자르는 것과 같이 모양이나 크기만 바뀌는 변화를 말합니다. 형태가 변하긴 하지만 물질의 성질은 변함이 없습니다.

 

- 물질의 상태변화

물이 끓어 수증기로 되거나 물이 얼어 얼음으로 되는 등의 상태변화가 발생할때도 물질의 성질은 변하지 않습니다.

 

- 확산이나 용해

잉크가 물에 퍼지거나(확산), 설탕이나 소금 등이 물에 녹는 것(용해) 등과 같이 서로 섞이기만 하는 현상에서는 물질의 성질이 변하지 않습니다.

 

그럼 이러한 물리변화에서 변하는 것과 변하지 않는 것은 어떤 것이 있을까요? 한번 정리해 보도록 합시다.

 

a) 물리변화에서 변하는 것

문자의 배열이 달라지므로 물질의 모양이나 상태가 변한다. 이러한 상태 변화가 일어나면 물질의 부피나 밀도등에 변화가 생긴다

b) 물리변화에서 변하지 않는 것

분자의 종류는 변하지 않으므로 물질의 성질이 달라지지 않고, 분자의 개수도 변함이 없으므로 물질의 총 질량에는 변함이 없습니다. 분자 자체의 변화가 발생하지 않으므로 원자의 종류와 개수도 변화가 없습니다.

 

B. 화학변화

물리변화랑은 다르게 어떤 물질이 성질이 전혀 다른 새로운 물질로 변하는 현상입니다. 물질의 성질이 전혀 다르게 변화가 일어난다는 것은 물질을 구성하는 분자에 변화가 생겨 분자를 구성하는 원자의 배열이 바뀌다는 것입니다. 일상생활에서 자주 보는 물을 전기 분해하는 경우를 생각해 봅시다. 물을 전기분해하면 물 분자가 그대로 유지되지 못하고 물 분자를 구성하는 수소 원자와 산소 원자의 배열이 변하여 물하고는 전혀 성질이 다른 수소 분자와 산소 분자가 생성되게 됩니다. 수소 분자와 산소 분자는 물 분자와는 엄연히 다른 성질을 가진 분자들이죠.

 

이러한 화학 변화는 다음과 같은 것들이 있습니다.

- 물질의 연소

연소는 물질이 산소와 격렬히 반응하는 것을 말합니다. 불에탄다 라고 생각하시면 되는데 양초나 나무 석탄과 석유등을 산소와 격렬히 반응시키면 이산화 탄소 혹은 물과 같은 전혀 다른 새로운 물질이 생성이 됩니다.

 

- 철의 부식

철은 공기 중의 산소와 반응하여 전혀 다른 물질인 녹을 만들어 냅니다.

 

- 음식의 숙성이나 부패

과일이 익거나 음식이 썩을 때 그리고 김치등의 발효가 일어날때도 전혀 다른 새로운 물질이 생성이 됩니다.

 

a) 화학변화에서 변하는 것

분자를 구성하는 원자의 배열이 변하므로 분자의 종류가 달라져서 물질의 성질이 변합니다.

 

b) 화학변화에서 변하지 않는 것

분자가 바뀌면서 원자가 재배열되기는 하지만 원자의 종류와 개수가 달라지지 않으므로 물질의 총 질량의 변화는 없습니다.

 

<관련 실험> 마그네슘의 변화 관찰하기

a) 실험 과정

아래쪽 그림과 같이 (가) 마그네슘 리본, (나) 구부린 마그네슘 리본, (다) 마그네슘을 태우고 남은 재에 각각간이 전도계를 대어보고, 묽은 염산을 떨어뜨려 봅니다.

 

b) 실험 결과

- (가) 와 (나)에는 전류가 흐르고, 묽은 염산을 떨어뜨리면 수소 기체가 발생합니다. (나)는 단순히 (가)를 구부린 물리변화만 일어난 것이므로 마그네슘의 성질이 그대로 남아 있습니다.

- (다)는 전류가 전혀 흐르지 않고, 묽은 염산을 떨어뜨려도 변화가 없습니다. (다)는 (가)를 연소시킨 화학 변화가 일어난 것으로 마그네슘의 성질이 유지되지 못합니다.

 

(2) 화학 반응식

A. 화학 반응

화학 반응식의 작성을 익혀 보기에 앞서서 좀전에 배웠던 화학 반응에 대해 다시 한번 내용을 짚어 보도록 합시다. 화학 반응은 화학 변화가 일어나 새로운 물질이 생성되는 반응을 말합니다. 화학 반응이 일어날 때 분자의 변화는 일어나나 원자의 종류와 개수는 변함이 없고 원자의 배열만 달라지게 됩니다. 이때 화학 반응에 참여한 물질을 반응물질(반응물)이라 하고, 화학 반응으로 생성될 물질을 생성물질(생성물) 이라고 합니다.

가장 익숙한 수소분자와 산소분자가 결합해서 물분자를 만드는 모형을 봅시다. 수소와 산소는 반응물질이고 화학 반응후 만들어진 물 분자는 생성물질 입니다.

 

B. 화학 반응식

화학 반응을 글로 설명하거나 일일이 그림으로 표현하는 것보다 화학식을 이용하면 화학 반응을 간단하게(?) 나타낼 수 있습니다. 이와 같이 반응 물질과 생성 물질의 화학식과 기호(+, ->)를 이용하여 화학 반응을 나타낸 식을 화학 반응식이라고 합니다.

 

C. 화학 반응식 작성하기

화학 반응식은 여러분이 화학을 공부하는 이상 늘 보게되는 것입니다. 수학에서 조건을 말로 지리하게 설명하지 않고 수식조건으로 주듯이 화학에서도 화학 반응식으로 다 표현하기 때문에 화학 반응식의 작성부터 차근히 잘 알아두셔야 합니다.

화학반응식의 작성 순서에 대해 알아봅시다.

a) 반응물질의 이름을 화살표의 왼쪽에, 생성 물질의 이름을 화살표의 오른쪽에 씁니다. 반응물질이나 생성물질이 여러가지인 경우 +로 연결합니다.

b) 반응 물질과 생성 물질을 화학식으로 나타냅니다.

c) 화살표 양쪽에 있는 원자의 종류와 개수가 같아지도록 화학식 앞의 숫자(계수)를 조정해 줍니다. 계수는 무조건 정수가 되도록 하고 1은 생략합니다.

 

자 이렇게 글로만 봐서는 잘 알 수가 없으니 실제 수소와 산소가 결합해서 물을 생성하는 반응에 대해 화학반응식을 나타내어 봅시다.

 

Ex)

a) 물 생성 반응해서 수소와 산소가 반응물질이고, 생성물질은 물이다.

수소 + 산소 -> 물

b) 반응물질과 생성물질을 화학식으로 나타내어 봅니다.

수소 - H2

산소 – O2

물 – H2O

H2 + O2 -> H2O

c) 원자의 종류와 개수가 같아지도록 계수를 조정합니다.

H2 + O2 -> H2O

위의 화학 반응식을 보면 수소(H) 원자의 개수는 맞으나 산소 (O) 원자의 개수가 맞지 않습니다. 일단 산소 원자부터 맞추어 줍니다.

 

H2 + O2 -> 2H2O

 

이제 수소원자의 개수를 맞추어 주면 됩니다. 생성물쪽에 수소 원자가 4개가 있는 것이 되므로 반응물 쪽의 계수를 수소원자가 4개가 되도록 조정해 줍니다.

 

2H2 + O2 -> 2H2O

 

이러면 반응물과 생성물의 원자의 종류와 개수는 변함없이 유지가 되게 됩니다. 그럼 화학 반응식이 완성이 된 것이죠. 하나의 예시를 더 해 보겠습니다.

 

Ex)

메테인이 연소하면 이산화 탄소와 물이 생성된다. 이 화학반응을 식으로 나타내어 봅니다.

 

a) 먼저 반응물과 생성물을 구분지어 나타냅니다.

메테인 + 산소 -> 이산화탄소 + 물

 

b) 화학식으로 나타냅니다.

메테인 – CH4

산소 – O2

이산화탄소 – CO2

물 – H2O

 

CH4 + O2 -> CO2 + H2O

 

c) 개수를 맞추어 줍니다.

 

CH4 + O2 -> CO2 + H2O

일단 양쪽의 탄소(C) 원자의 개수는 맞습니다. 일단 산소 원자는 생성물 양쪽에 다 있으니 나중에 맞추고 수소 원자의 개수를 맞추어 줍니다. 반응물에는 4개, 생성물은 2개 이므로 생성물의 수소원자의 개수를 맞춥니다.

 

CH4 + O2 -> CO2 +2H2O

 

이제 산소원자의 개수를 맞추어 봅니다. 생성물에 산소(O) 원자가 4개가 있으므로 반응물쪽에 산소원자가 4개가 되도록 맞추어 줍니다.

 

CH4 + 2O2 -> CO2 +2H2O

 

하지만 이와 같은 방법은 복잡한 화학반응식에서는 사용하기가 좀 어렵습니다. 많이 연습 하시다 보면 어떤 원자의 개수를 우선적으로 맞추고가 판단이 되실 것인데 그렇지 않은 경우는 계수를 가정해서 연립 방정식을 푸셔야 합니다. 다음의 예를 한번 보세요

 

Ex) 탄산 나트륨과 염화 칼슘이 반응하여 탄산칼슘과 염화 나트륨이 생성되는 화학반응을 화학반응식으로 나타내어 봅시다.

 

a) 반응물과 생성물을 구분해서 식을 씁니다.

탄산 나트륨 + 염화 칼슘 -> 탄산 칼슘 + 염화 나트륨

 

b) 화학식을 써서 식을 나타내어 봅시다.

탄산 나트륨 – Na2CO3

염화 칼슘 – CaCl2

탄산 칼슘 – CaCO3

염화 나트륨 – NaCl

 

Na2CO3 + CaCl2 -> CaCO3 + NaCl

 

c) 이제 반응물과 생성물 앞에 계수를 두고 양쪽의 원자의 개수가 같아지도록 방정식을 만듭니다.

 

aNa2CO3 + bCaCl2 -> xCaCO3 + yNaCl

 

Na 원자수

2a=y

C 원자수

a=x

Ca 원자수

b=x

Cl 원자수

2b=y

 

화학 반응식의 개수는 정수이므로 네개의 미지수 중 하나를 1이라 가정합니다.

 

여기에서는 a=1 이라 합시다.

 

a=1 이면 y=2 이며 x=1 이고 b=1 이 됩니다. 화학 반응식에서 계수 1은 생략이 가능하므로 다음과 같이 화학반응식을 완성할 수 있습니다.

 

Na2CO3 + CaCl2 -> CaCO3 + 2NaCl

 

D. 화학 반응식의 의미

화학 반응식에서 얻어낼 수 있는 정보가 어떤 것인지를 알기 위해 앞에서 구성한 물의 합성 화학반응식을 두고 판단해 보겠습니다. 물의 합성 화학 반응식은 다음과 같습니다.

 

2H2 + O2 -> 2H2O

 

- 화학식을 통해 반응물질과 생성물질의 종류를 알 수 있습니다.

- 반응 물질과 생성물질의 구성하는 입자의 종류, 입자를 이루는 원자의 종류와 개수비를 알 수 있습니다.

- 화학 반응식의 계수비는 방응하거나 생성되는 물질의 입자(분자)수의 비입니다.

 

자 그럼 예로 든 물의 합성 화학 반응식을 알아가 보겠습니다.

- 반응물질은 수소와 산소이고, 생성물질은 물입니다.

- 수소분자는 수소원자 2개, 산소분자는 산소원자 2개, 물분자는 수소원자 2개와 산소원자 1개로 구성되어 있습니다.

- 수소분자 2개와 산소분자 1개가 반응하여 2개의 물분자를 만들어 냅니다. 반응 분자수의 비는 수소 : 산소 : 물 = 1 : 2 : 1 입니다.

 

 

<파고들기>

화학 반응식은 화학에서 쓰이는 기본적인 반응식이므로 여기에 더 많은 정보를 담을 수 있습니다. 그 부분에 대해서 추가로 알아보도록 합시다.

 

A. 반응물질과 생성물질의 상태를 나타낼 수 있습니다.

화학 반응식에서는 물질의 상태를 화학식 뒤에 괄호를 쓰고 상태관련된 기호를 써서 나타냅니다. 고체는 (s), 액체는 (l), 기체는 (g), 수용액은 (aq)로 나타냅니다. 각각 해당 상태의 영어인 solid, liquid, gas, aqua의 앞 글자를 딴 것입니다.

Ex)

2H2(g) + O2(g)-> 2H2O(g)

수소 기체와 산소 기체가 만나 물의 기체형태 즉 수증기가 생성된다는 점을 좀더 확실하게 알 수 있습니다.

 

B. 기체의 발생이나 앙금이 생성되는 것을 표현할 수 있습니다.

이와 같은 경우는 직관적으로 나타냅니다. 기체의 발생 같은 경우는 위 방향의 화살표(↑)를, 앙금 생성 반응의 경우 아래 방향의 화살표(↓)를 사용합니다.

 

Ex)

염산과 마그네슘이 반응하여 수소기체가 발생하는 반응의 화학반응식

Mg + 2HCl -> MgCl2 + H2↑

 

염화 나트륨 수용액과 질산 은 수용액이 반응하여 염화 은의 흰색 앙금을 생성하는 반응의 화학반응식

NaCl + AgNO3 -> AgCl↓ + NaNO3

 

C. 화학 반응이 일어나기 위한 조건을 표현할 수 있습니다.

 

화학반응에 필요한 반응물이 있다고 해서 무조건 생성물로의 화학반응이 이루어지는 것은 아닙니다. 화학 반응이 일어나기 위해서는 특정한 조건이 있어야 합니다. 화학 반응이 일어날 조건은 화학반응식에서 화살표쪽에 표현을 해 줍니다. 화살표 아래에는 주로 반응이 일어나는 데 필요한 환경을, 화살표 윗 부분에는 주로 촉매가 들어갑니다.

 

Ex) 탄산수소 나트륨을 가열하면 탄산 나트륨과 물, 이산화 탄소로 분해되는 반응의 화학 반응식

 

는 가열을 나타내는 기호입니다.

 

질소 기체와 수소 기체를 400~600 ℃, 300 기압에서 산화 철 (III) (Fe2O3) 를 촉매로 하여 반응시켰을때 암모니아 기체가 생성되는 반응의 화학반응식

 

 

D. 화학 반응이 일어날 때 출입하는 열의 양도 나타낼 수 있습니다. 이 경우 열을 방출하는 발열 반응일 경우는 +로, 열을 흡수하는 흡열반응일 경우는 – 기호로 표시해 줍니다.

 

Ex) 수소 기체와 산소 기체가 반응할 때 방출하는 열량을 표현한 화학 반응식

 

2H2 (g) + O2 (g) -> 2H2O (g) + 483.6kJ

 

수증기가 수소 기체와 산소 기체로 분해될 때 흡수하는 열량을 표현한 화학 반응식

 

2H2O(g) -> 2H2 (g) + O2 (g) – 483.6kJ