화학에서 질량관계 : 화학량론 Mass Relations in Chemistry :Stoichiometry Chapter 3 화학에서 질량관계 : 화학량론 Mass Relations in Chemistry :Stoichiometry

무엇을 배우나 화학반응에서의 질량관계를 알기 위해 원자질량 몰의 개념 화학식 화학식에서 원자(질량)비 화학반응에서의 질량관계 이론적 수율

3.1 원자질량 원자질량이란 동위원소 존재비로부터 원자질량의계산 개별 원자의 질량

원자질량(atomic mass) C-12 척도에 근거 탄소의 가장 흔한 동위원소(C-12)를 12amu로 표시 원자들의 상대질량 C-12 척도에 근거 탄소의 가장 흔한 동위원소(C-12)를 12amu로 표시 예) 원자질량의 의미 : 니켈원자는 58.69 / 40.08 = 1.464 칼슘보다 1.464배 무겁다 58.69 / 10.81 = 5.429 붕소보다 5.429배 무겁다

질량분석기

염소의 질량스펙트럼(동위원소)

Atomic mass = ∑ (isotope mass X fractional abundance) 동위원소 존재비로부터 원자질량의 계산 Atomic mass = ∑ (isotope mass X fractional abundance) A.M. of Ne = 20.00 (0.9092) +21.00 (0.0026) +22.00 (0.0882) = 20.18 amu

NA = Avogadro’s number = 6.022  1023 아보가드로수 H, Cl, Ni 의 원자질량은 H = 1.008 amu Cl = 35.45 amu Ni = 58.69 amu 수소 1.008 g 중의 수소 원자수 = 염소 35.45 g 중의 염소 원자수 = 니켈 58.69g 중의 니켈 원자수 =NA : NA = Avogadro’s number = 6.022  1023

원자 한 개의 질량 H 원자의 질량: 1 H atom  = 1.674  10–24 g 1g 니켈 중의 니켈원자의 개수: 1.00 g Ni  = 1.026  1022 atoms

3.2 몰(Mole) 의미 몰질량 몰-질량 변환

1몰의 의미 1 mol = 6.022  1023 개 1 mol H = 6.022  1023 atoms ; mass = 1.008 g 1 mol Cl = 6.022  1023 atoms ; mass = 35.45 g 1 mol Cl2 = 6.022  1023 molecules ; mass = 70.90 g 1 mol HCl = 6.022  1023 molecules ; mass = 36.46 g Q) 모래 1몰은 얼마나 될까? 1cm3=18,000 알갱이 라면

몰질량 몰질량(molar mass), M, 은 원자질량의 합과 같다 몰- g 환산 (m = M X n): 13.2 mol CaCl2 을 g단위로 계산 mass = 13.2 mol CaCl2  = 1.47  103 g

예제) 16.4 g C6H12O6은 몇 몰 인가? moles = 16.4 g C6H12O6  = 0.0919 mol

3.3 화학식(Formulas)에서 질량관계 화학식으로부터 질량 % %조성으로부터 실험식 분석 데이터로부터 실험식 실험식으로부터 분자식

화학식으로부터 질량 %(조성백분율) 예제)K2CrO4의 %조성? 몰질량 = (78.20 + 52.00 + 64.00) g / mol = 194.20 g / mol %K =  100% = 40.27% %Cr =  100% = 26.78% %O =  100% = 32.96% K : Cr : O = 2 : 1 : 4 → 원자비 =몰 비

조성백분율로부터 실험식 화합물 시료 중 각 원소의 질량 각 원소의 몰수몰비 예제) 26.6% K, 35.4% Cr, 38.0% O 을 포함한 화합물의 실험식 시료 100 g 으로 시작: 26.6 g K, 35.4 g Cr, 38.0 g O. moles K = 26.6 g  = 0.680 mol K moles Cr = 35.4 g  = 0.681 mol Cr moles O = 38.0 g  = 2.38 mol O 2.38 / 0.680 = 3.50 = 7 / 2 이므로 실험식: K2Cr2O7

화학분석데이터로부터 실험식 예제) 아세트산 시료 (C, H, O atoms) 1.000 g 을 태웠더니 1.446 g CO2 와 0.6001 g H2O 을 얻었다. 실험식? 시료 중 C의 질량 (from CO2)시료 중 H의 질량 (from H2O)차로부터 O 의 질량 mass C = 1.466 g CO2  = 0.4001 g C mass H = 0.6001 g H2O  = 0.0673 g H mass O = 1.00 g – 0.400 g – 0.067 g = 0.533 g

계속 moles C = 0.4001 g C  = 0.0333 mol C moles H = 0.0673 g H  = 0.0666 mol H moles O = 0.533 g O  = 0.0333 mol O 실험식은 CH2O

실험식으로부터 분자식 몰질량을 알아야 함 예) 아세트산: M = 60 g/mol 60 / 30 = 2 (실험식: CH2O 12+2+16) 분자식 = C2H4O2

3.4 화학반응에서 질량관계 Balancing → 반응식의 완결 반응에서 질량관계

C3H8(g) + O2(g)  CO2(g) + H2O(l) 화학반응식의 완결(Balancing) 화학반응식 양쪽의 화학식의 계수를 조정하여 원자의 수를 같게 한다. 예) 공기 중에서 프로페인을 연소하면 이산화탄소와 물이 생성: C3H8(g) + O2(g)  CO2(g) + H2O(l) Balance C: C3H8(g) + O2(g)  3CO2(g) + H2O(l) Balance H: C3H8(g) + O2(g)  3CO2(g) + 4H2O(l) Balance O: C3H8(g) + 5O2(g)  3CO2(g) + 4H2O(l) 의미: 1 mol C3H8 는5 mol O2 와 반응하여 3 mol CO2 와 4 mol H2O를 생성

화학반응에서 질량관계 예1) 1.65 mol C3H8 이 탈 때 몇 몰의 CO2 가 생성? 완결된 반응식의 계수로부터 변환인자를 얻음: C3H8(g) + 5O2(g)  3CO2(g) + 4H2O(l) 1.65 mol C3H8  = 4.95 mol CO2 예2) 12.0 g 의 C3H8이 반응하는데 필요한 O2 의 질량? 12.0 g C3H8    = 43.6 g O2

반응에서의 수율 한정시약과 이론적 수율 실험적수율, 백분비(%수율)

한정시약과 이론적 수율 일반적으로 반응물들은 반응에 필요한 정확한 비율로 존재하지 않음 과량으로 존재하는 반응물은 반응이 끝나면 남음. 나머지, 한정시약( limiting reactant), 는 완전히 소비되어 이론적 수율의 생성물을 만듬 한정시약을 알고, 이론적 수율을 계산하려면: 첫번째 반응물이 한정시약이라고 가정하고 기대수율 계산 두번째 반응물에 대해서 이 계산을 반복 두 개중에서 적은 양이 이론적 수율 임 적은 이론적 수율이 나온 반응물이 한정시약임.

예제) 2Ag(s) + I2(s)  gI(s) Ag 가 한정일 때 이론적 수율: AgI 의 이론적 수율을 계산 하고, 1.00 g Ag 와 1.00 g I2 가 반응할 때 한정시약은? Ag 가 한정일 때 이론적 수율: 1.00 g Ag  = 2.18 g AgI I2 가 한정일 때 이론적 수율: 1.00 g I2  = 1.85 g AgI 이론적 수율 = 1.85 g AgI ; I2 한정시약 2Ag(s) + I2(s)  gI(s)

실험적 수율, 백분비수율 백분비 수율 =  100 AgI 의 실험적 수율을 1.50 g이라고 가정하면: 백분비 수율 =  100 AgI 의 실험적 수율을 1.50 g이라고 가정하면: % yield =  100 = 81.1%