제3장 화학량론 (Stoichiometry)

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1 제3장 화학량론 (Stoichiometry)
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2 원자 질량 (atomic mass) 또는 원자량 (atomic weight)
미시적 세계 (Micro World) 원자 또는 분자 거시적 세계 (Macro World) 그램 (gram) 원자 질량 (atomic mass) 또는 원자량 (atomic weight) : 원자 질량 단위 (atomic mass units, amu)로 표시된 원자의 질량 원자 질량의 정의: 12C 원자 1개 질량 = 12 amu 이러한 기준으로, 1H = amu 16O = amu

3 평균 원자 질량(average atomic mass) : 자연계에 존재하는 원소의 모든 동위원소를 포함한 혼합물의 평균 질량.

4 평균 원자 질량 리튬의 평균 원자 질량 : (average atomic mass) 자연계에 존재하는 리튬 :
7.42% 6Li (6.015 amu) 92.58% 7Li (7.016 amu) 리튬의 평균 원자 질량 : 7.42 x x 7.016 100 = amu

5 평균 원자 질량 (6.941)

6 다스(Dozen) = 12 켤레(Pair) = 2 몰(Mole, mol) 단위: 입자의 수를 다룰 때 사용하는 단위
몰 (mole, mol): 12C 동위원소 g 내에 들어 있는 탄소원자의 개수 만큼에 해당하는 물질의 량 1 몰 = NA = x 1023 Avogadro 수 (NA)

7 어떤 원소에 대해, 원자량 (amu) = 몰질량 (gram) 몰질량 (Molar mass) : 어떤 물질 1 mole 의
계란 몰질량 (Molar mass) : 어떤 물질 mole 의 질량을 g 단위로 정의 신발 공기돌 원자 12C 원자 1몰 = x 1023개의 원자 = g 12C 원자 1개 = amu 12C 원자 1 몰 = 12C g 리튬 원자 1몰 = Li g 어떤 원소에 대해, 원자량 (amu) = 몰질량 (gram)

8 여러 일반 원소들의 1 몰(mol) : S C Hg Fe Cu

9 12C 원자 1개 12.00 amu 12.00 g 12C 원자 x 1023 개 = 1.66 x g 1 amu x 1 amu = 1.66 x g 또는 1 g = x 1023 amu M = 몰질량 (g/mol) NA = Avogadro 수

10 몰질량(Molar Mass)을 이해하세요? 포타슘 (K) 0.551 g은 몇 개의 원자를 포함하는지요?
1 mol K = g K 1 mol K = x 1023 K 원자 1 mol K 39.10 g K x x 6.022 x 1023 K 원자 1 mol K = 0.551 g K 8.49 x 1021 K 원자

11 어떤 분자 화합물에 대해, 분자 질량 (amu) = 몰질량 (gram) 분자 질량 (Molecular mass)
(또는 molecular weight, 분자량) : 분자를 이루고 있는 원자들의 원자 질량(amu 단위)의 합 SO2 1S 32.07 amu 2O + 2 x amu SO2 64.07 amu 어떤 분자 화합물에 대해, 분자 질량 (amu) = 몰질량 (gram) SO2 1 분자 = amu 1 몰 SO2 = g SO2

12 분자질량 (Molecular Mass)을
이해하세요? C3H8O 72.5 g에 함유된 H 원자수를 구하시오? 1 mol C3H8O = (3 x 12) + (8 x 1) + 16 = 60 g C3H8O 1 mol C3H8O 분자 = 8 mol H 원자 1 mol H = x H 원자 1 mol C3H8O 60 g C3H8O x 8 mol H 원자 1 mol C3H8O x 6.022 x 1023 H 원자 1 mol H 원자 x = 72.5 g C3H8O 5.82 x H 원자

13 화학 식량 (formula mass) : 이온 결합 화합물에서 화학식 단위 한 개의 원자 질량의 합. (amu 단위)
1Na 22.99 amu NaCl 1Cl amu NaCl 58.44 amu 이온 결합 화합물에 대해, 화학식량 (amu) = 몰질량 (gram) NaCl 1개 단위의 화학 식량 = amu NaCl 1몰 = NaCl g

14 화학식량 (Formula Mass)을 이해하세요? Ca3(PO4)2 의 화학식량을 계산하시오? Ca3(PO4)2의 화학식량
3 x 40.08 2 P 2 x 30.97 8 O + 8 x 16.00 amu

15 가벼운 원소 무거운 원소 질량분석기 Ne의 스펙트럼 -

16 n : 화합물 1 mol에 들어 있는 각 원소들의 mol수
화합물의 조성 백분율 (percent composition) 화합물 내 어떤 원소의 조성 백분율 = n x 원소의 몰질량 화합물의 몰질량 x 100% n : 화합물 1 mol에 들어 있는 각 원소들의 mol수 %C = 2 x (12.01 g) 46.07 g x 100% = 52.14% C2H6O %H = 6 x (1.008 g) 46.07 g x 100% = 13.13% %O = 1 x (16.00 g) 46.07 g x 100% = 34.73% 52.14% % % = 100.0%

17 화합물의 조성 백분율과 실험식 구하기 예제) 원소의 질량 조성 백분율이 다음과 같은 화합물에 대해 실험식을 구하시오.
K 24.75%, Mn 34.77%, O 40.51%. nK = g K x = mol K 1 mol K 39.10 g K nMn = g Mn x = mol Mn 1 mol Mn 54.94 g Mn nO = g O x = mol O 1 mol O 16.00 g O

18 KMnO4 화합물의 조성 백분율과 실험식 구하기(계속) nK = 0.6330, nMn = 0.6329, nO = 2.532
~ 1.0 0.6330 0.6329 Mn : 0.6329 = 1.0 O : ~ 4.0 2.532 0.6329 KMnO4

19 O의 g = 시료의 g – (탄소의 g + 수소의 g) 4.0 g O = 0.25 mol O
실험으로 실험식 구하기 에탄올의 실험식 구하기 위한 도구 예제) 에탄올 11.5g이 연소될 때, CO2 22.0g과 H2O 13.5g이 발생. g CO2 mol CO2 mol C g C 6.00 g C = 0.50 mol C g H2O mol H2O mol H g H 1.51 g H = 1.50 mol H O의 g = 시료의 g – (탄소의 g + 수소의 g) 4.0 g O = 0.25 mol O 실험식은 C0.50H1.50O0.25이나 가장 작은 아래첨자 0.25로 모두 나누어, 결과적으로, 실험식은 C2H6O이다

20 화학 반응 (chemical reaction)과 화학 반응식(chemical equation)
화학 반응 : 어떤 물질이 새로운 물질로 변하는 과정 화학 반응식 : 화학 반응 중에 일어나는 일들을 보여 주기 위한 화학 기호 Reactants (반응물) Products (생성물) 수소의 연소를 표현하는 세 가지 방법 2) 1) 3)

21 Mg 2 원자와 O2 1 분자의 반응 결과 MgO 2 화학식량 생성
화학 반응식을 어떻게 “이해하는가”? 2 Mg + O MgO Mg 2 원자와 O2 1 분자의 반응 결과 MgO 2 화학식량 생성 Mg 2 몰과 O2 1몰의 반응 결과 MgO 2 몰 생성 Mg 48.6 g과 O g의 반응 결과 MgO 80.6 g 생성 다음은 아니올씨다… !!! Mg 2g과 O2 1g의 반응 결과 MgO 2g 생성

22 화학 반응식의 균형 맞추기 모든 반응물과 생성물을 확인하고 올바른 화학식으로 반응식의 왼쪽과 오른쪽에 각각 적는다.
화학 반응식의 균형 맞추기 모든 반응물과 생성물을 확인하고 올바른 화학식으로 반응식의 왼쪽과 오른쪽에 각각 적는다. 에테인(Ethane)은 산소와 반응하여 이산화 탄소와 물을 생성한다. C2H6 + O2 CO2 + H2O 반응식 양쪽에 있는 각 원소의 원자수가 같아지도록 화학식 앞에 있는 숫자로 계수를 맞춘다. 단, 다음과 같이 화학식의 아래첨자는 바꿀 수 없다. 2C2H6 NOT C4H12

23 화학 반응식의 균형 맞추기(계속) 반응식의 양쪽에 각기 한 번씩 나타난 원소를 포함하는 화학식부터 시작하여 같은 수의 원자를 가지도록 계수를 이용하여 균형을 맞춘다. C2H6 + O2 CO2 + H2O C 부터 시작하여.. 2C 1C 2 x CO2 C2H6 + O2 2CO2 + H2O 6 H 2H 3 x H2O C2H6 + O2 2CO2 + 3H2O 따라서,

24 화학 반응식의 균형 맞추기(계속) 나머지 반응물과 생성물에 대해 양쪽에서 원자의 개수가 같도록 계수를 이용하여 균형을 맞춘다.
화학 반응식의 균형 맞추기(계속) 나머지 반응물과 생성물에 대해 양쪽에서 원자의 개수가 같도록 계수를 이용하여 균형을 맞춘다. x O2 7 2 C2H6 + O2 2CO2 + 3H2O 2O 4 O (2x2) O (3x1) = 7O C2H O2 2CO2 + 3H2O 7 2 X 2 하여 정수화 2C2H6 + 7O2 4CO2 + 6H2O

25 화학 반응식의 균형 맞추기(계속) 확인!!! 2C2H6 + 7O2 4CO2 + 6H2O 4 C (2 x 2) 4 C
화학 반응식의 균형 맞추기(계속) 확인!!! 2C2H6 + 7O2 4CO2 + 6H2O 4 C (2 x 2) 4 C 12 H (2 x 6) 12 H (6 x 2) 14 O (7 x 2) 14 O (4 x 2 + 6) 반응물 생성물 4 C 12 H 14 O

26 반응물과 생성물의 양 화학양론 (stoichiometry): 화학 반응에서 반응물과 생성물간의 정량적인 관계를 공부하는 것
몰 방법 (mole method): 화학량론적 계수는 각 물질의 몰 수로 해석 균형화학반응식을 쓴다 반응물 량을 mol로 바꾸어 쓴다 반응식을 이용하여 생성물의 mol수를 계산한다 생성물의 mol수를 원하는 단위로 바꾸어 계산한다

27 예) Methanol 의 연소반응식은 다음과 같다.
2CH3OH + 3O CO2 + 4H2O 만약 209 g 의 methanol이 연소되었다면 몇 g의 물이 생기는가? grams CH3OH moles CH3OH moles H2O grams H2O 몰질량으로 전환 CH3OH 몰질량으로 전환 H2O 반응식을 이용하여 생성물의 몰 계산 1 mol CH3OH 32.0 g CH3OH x 4 mol H2O 2 mol CH3OH x 18.0 g H2O 1 mol H2O x = 209 g CH3OH 235 g H2O

28 한계반응물 반응 전 2NO + O2 2NO2 한계반응물: NO 초과 반응물: O2 반응 후
반응 후 NO 8mol O2 7mol 한계 반응물 (Limiting Reagent): 반응에서 제일 먼저 소진되는 반응물 초과 반응물 (Excess Reagent): 한계 반응물 이상으로 존재하는 반응물 2NO + O NO2 NO 모두반응 O2 3mol 남음 한계반응물: NO 초과 반응물: O2

29 따라서, Fe2O3 (601 g)량과 비교하면 Al 이 한계반응물이다
한계반응물 (Limiting Reagent)을 이해하세요? 다음 반응에서 Al 124 g이 Fe2O3 601 g과 반응한다면 몇 g의 Al2O3가 생기겠는가? 2Al + Fe2O Al2O3 + 2Fe g Al Mol Al 필요한 mol Fe2O3 필요한 g Fe2O3 또는 g Fe2O3 mol Fe2O3 필요한 mol Al 필요한 g Al 1 mol Al 27.0 g Al x 1 mol Fe2O3 2 mol Al x 160. g Fe2O3 1 mol Fe2O3 x = 124 g Al 367 g Fe2O3 Al 124 g이 반응하기 위해서는 Fe2O3 367g이 필요 따라서, Fe2O3 (601 g)량과 비교하면 Al 이 한계반응물이다

30 생성물 량을 계산하기 위하여 Al량을 이용하면…
g Al mol Al mol Al2O3 g Al2O3 2Al + Fe2O Al2O3 + 2Fe 1 mol Al 27.0 g Al x 1 mol Al2O3 2 mol Al x 102. g Al2O3 1 mol Al2O3 x = 124 g Al 234 g Al2O3 잘 맞추었네~~~!!!

31 반응 수득률 (yield) 이론적 수득량 (Theoretical Yield ) : 한계반응물이 전부 반응한다고 할 때 얻어지는 생성물의 양 실제 수득량( Actual Yield) : 반응에서 실제로 얻어지는 생성물의 양 수득 백분율 = 실제 수득량 이론적 수득량 x 100