2. 화학반응의 규칙

 

1. 질량 보존 법칙

 

(1) 물리 변화가 일어날 때의 질량 변화

 

물질의 상태변화등 다양한 물리 변화가 일어났을때에 물질의 질량은 변하지 않습니다. 얼음이 녹아 물이 되어도 질량이 변화가 없는 다음의 실험을 보면 쉽게 알 수 있습니다.

 

그 이유는 물리 변화가 일어나도 물질을 이루는 분자의 종류와 개수(또는 원자의 종류와 개수)가 변하지 않기 때문입니다.

 

(2) 화학 변화가 일어날 때의 질량 변화

 

물질이 반응하여 새로운 물질을 생성하는 화학 변화가 일어나도 반응물질의 총 질량과 생성 물질의 총 질량은 변하지 않습니다. 이는 화학 변화가 일어나도 물질을 이루는 원자의 종류와 개수가 변하지 않기 때문입니다. 이는 앙금 생성 반응이나 기체 발생반응 그리고 연소 반응 등에서도 반응 전후 질량은 그대로 유지 됩니다.

 

기체발생 반응이나 연소반응 등은 밀폐된 용기가 아니면 반응후 기체가 빠져나가버리므로 질량 보존 법칙이 성립하지 않습니다만 밀폐된 용기내에서는 반응 전후 질량이 서로 같습니다.

 

(3) 질량 보존 법칙

 

물리변화나 화학변화에서 질량이 보존되는 것을 확인했습니다. 이 중에서 질량 보존 법칙은 라부아지에가 발견한 화학법칙으로 화학 반응이 일어날 때 반응 전후에 물질의 총 질량은 보존된다는 것입니다.

 

반응물질의 총 질량= 생성물질의 총 질량

 

A. 질량 보존 법칙이 성립하는 까닭

화학 반응이 일어나서 분자를 구성하는 원자가 재배열 되어도 그 원자의 종류와 개수가 변하지 않기 때문입니다.

 

B. 질량 보존의 법칙은 이미 보신바와 같이 화학 변화 뿐 아니라 물리 변화에서도 성립합니다.

 

2. 일정 성분비 법칙

 

(1) 화합물을 이루는 성분 원소의 질량비

화합물을 구성하는 성분 원소의 원자들이 항상 일정한 개수비로 결합하므로 화합물을 이루는 성분 원소의 질량비가 일정하게 유지됩니다.

 

다음의 실험 결과를 통해 확인해 봅시다.

 

- 처음 혼합한 기체의 질량에서 남은 기체의 질량을 빼면 반응한 수소와 산소의 질량을 구해낼 수 있습니다.

- 이와 같은 실험 결과를 해석해 보면 물을 이루는 수소와 산소의 질량비는 1:8 임을 알 수 있습니다.

 

이와 같은 방법으로 산화 구리(II)를 이루는 구리와 산소의 질량비를 계산해 낼 수 있습니다.

 

마찬가지로 실험 결과를 분석해 보면 구리와 산소의 질량비는 4:1임을 알 수 있습니다.

 

(2) 일정 성분비 법칙

 

프루스트가 발견한 화학 법칙으로, 화합물을 구성하는 성분 원소 사이에는 항상 일정한 질량비가 성립한다는 것이다.

 

A. 일정 성분비 법칙이 성립하는 까닭

화합물을 구성하는 성분 원자의 개수비는 항상 일정하기 때문입니다. 구성하는 원자의 종류가 같더라도 성분 원자의 개수비가 다르면 다른 물질이 되기 때문이죠. 대표적인 예로 물과 과산화수소가 있습니다.

 

물과 과산화수소는 구성하는 원자가 수소와 산소로 같습니다. 하지만 원자의 개수비가 물 같은 경우는 수소 : 산소가 2:1인 반면에 과산화수소는 1:1 입니다.

 

당연히 화학반응 법칙이므로 혼합물에서는 성립하지 않고 화합물에서만 성립합니다. 혼합물은 두개의 물질이 섞여있는 것 뿐이므로 일정한 질량비라는 부분이 존재하진 않습니다.

 

(3) 분자 모형을 통한 일정 성분비 법칙의 이해

화학물을 구성하는 성분 원소의 질량비는 원자의 개수비에 원자 1개의 질량비를 곱해서 구해낼 수 있습니다. 따라서 다음 몇가지 화합물들의 질량비가 어떻게 구해지는 지를 다음 표를 통해 살펴 봅시다. 그리고 몇가지 화합물의 질량비는 자연스럽게 기억이 될텐데 암기해 두도록 합시다.

 

다음 실험으로도 일정 성분비 법칙을 이해해 보도록 합시다.

 

- 예시 화학물이 볼트 1개에 너트 3개로 구성이 된다고 가정해 봅시다.

- 볼트와 너트중 하나가 다 없어질 때 까지 결합이 일어나고 나머지는 그대로 남게 됩니다.

 

3. 기체 반응 법칙

 

(1) 기체 사이의 반응에서의 부피관계

화학반응에서 기체사이의 반응에서의 부피관계에 대해 여러 실험을 통해 알아 보도록 합시다.

 

A. 수증기 생성 반응

일정한 온도와 압력이 유지된다고 할 때 수소 기체와 산소 기체가 반응하여 수증기를 생성할 때 각 기체의 부피비는 수소 : 산소 : 수증기 = 2 : 1 : 2 로 일정합니다.

 

다음 실험 결과를 통해 알아 봅시다.

 

- 두 기체를 함께 넣었을 때 한 기체가 다 사라질 때 까지 화학 반응이 일어나므로 처음 혼합한 기의 부피에서 남은 기체의 부피를 빼면 반응한 수소 기체와 산소기체의 부피를 알 수 있습니다.

- 이 결과를 통해 알아본 각 기체의 부피비는 수소 : 산소 : 수증기 = 2 : 1 : 2 라는 점을 알 수 있습니다.

 

B. 암모니아 기체 생성 반응에서의 부피비

일정한 온도와 압력이 유지된다고 할 때 질소 : 수소 : 암모니아 = 1 : 3 : 2 의 부피비로 반응이 이루어 집니다.

 

C. 염화 수소 기체 생성 반응에서의 부피비

일정한 온도와 압력이 유지된다고 할 때 수소 : 염소 : 염화 수소 = 1 : 1 : 2 의 부피비로 반응이 이루어 집니다.

 

(2) 기체 반응 법칙

게이뤼삭이 발견한 화학 법칙으로 일정한 온도와 압력이 유지된다는 가정하에 기체들이 반응하여 새로운 기체를 생성할 때 각 기체의 부피 사이에는 간단한 정수비가 성립한다는 것이다.

 

(3) 기체의 부피와 분자수의 관계

온도와 압력이 일정하게 유지된다고 할 때 모든 기체는 같은 부피속에 같은 개수의 분자가 들어있다.

 

 

<파고 들기>

 

먼가 이상하죠? 아무리 크기가 작은 기체분자라 하더라도 질량과 크기가 다를텐데 온도와 압력이 같을 때 같은 부피에 기체의 종류에 상관없이 같은 개수의 분자의 개수가 존재한다는 사실이 쉽게 이해가는 부분은 아닙니다.

 

그 부분에 대한 상세한 설명은 너무나 어렵기 때문에 우리는 일단 결과를 받아들이기로 합니다. 이미 아보가드로라는 과학자가 이제 대한 가정을 만들었고 우리는 이를 아보가드로의 분자설이라는 이름으로 받아들이고 있습니다. 아보가드로는 기체 반응의 법칙을 설명하기 위해 다음과 같은 분자의 개념을 제안했습니다.

 

- 물질은 원자들이 결합하여 이루어진 분자로 이루어져 있고, 분자는 물질의 성질을 지닌 가장 작은 입자이다.

- 분자가 반응하여 원자 상태로 되면 그 물질의 성질을 잃게 됩니다.

- 기체의 종류와 관계없이 같은 온도와 압력에서 같은 부피의 기체속에 들어 있는 분자 수는 같다.

 

이미 중학과학2에서 물질의 성질을 나타내는 가장 기본적인 단위가 분자이며 분자가 원자로 나뉘어 지면 분자의 성질을 잃는다 라고 배웠으니 앞의 두개에 대해서는 쉽게 이해할 수 있으실 겁니다. 그러나 마지막은 선뜻 받아들이기 어려운데요 기체의 분자는 매우 크기가 작고 꽤 큰 부피안에서 기체분자사이의 무한대에 가깝다 즉 서로 영향을 거의 끼치지 않는다라는 점에서 온도와 압력조건이 변하지 않는다는 가정하에 같은 부피안에 들어 있는 기체 분자의 수는 기체의 종류에 상관없이 같다라는 것으로 이해하시면 되겠습니다.

 

그럼 특정 부피안의 기체 분자의 개수는 몇 개나 되는 것일까요?? 많은 과학자들이 그 부분을 관측하려고 시도했고 많은 시행 착오 끝에 다음의 관찰결과를 얻었습니다.

 

기체분자는 그 종류에 상관없이 0℃, 1기압, 22.4L 안에 1 mole 만큼의 개수가 존재하며 1 mole의 크기는 다음과 같다

 

(4) 기체 사이의 반응에서 화학 반응식과 부피비의 관계

 

온도와 압력이 일정할 때 기체는 같은 부피속에 같은 개수의 분자가 들어 있으므로 각 기체의 부피비는 분자수의 비와 같습니다. 따라서, 앞에서 화학 반응식의 계수비는 분자수 비와 같다고 하였으므로 반응 물질과 생성 물질이 모두 기체인 경우 화학 반응식의 계수비는 분자수 비 또는 부피비와 같습니다. 다음의 화학반응식을 통해서 그 관계를 살펴 보도록 합시다.