물질의 조성과 화학 반응식

1.화학식과 화학실량

우리 주변의 물질은 분자가 모여서 이루어져 있다.이처럼 분자는 물질의 성질을 갖는 가장 기본 단위 입자이며 원자가 결합하여 만들어진 것이다.원소는 110여 가지 밖에 되지 않지만 분자의 종류는 무한히 많다.왜냐하면 분자에 포함된 원자의 종류와 수,결합 방식에 따라 다양한 물질이 만들어지기 때문이다.다양한 물질을 다루기 윟서는 물질의 조성과 양을 간단한 방법으로 표시할 수 있어야 한다.원소 기호를 이용해서 물질과 물질의 양을 표시하는 방법에 대해 알아보자.

(1)화학식

확학식은 원소 기호를 이용하여 물질을 이루는 원자의 종류와 수를 나타낸 것으로,필요에 따라 분자식,실험식,시성식,구조식을 사용한다.분자식은 분자를 구성하는 원자의 종류와 수를 표현하는 식이다.예를 들어 수소 분자는 분자식으로 수소라고 표시한다.마찬가지 방법으로 다양한 분자들의 분자식은 다음 표와 같이 표시한다.위의 표에서 헬륨은 조금 독특하다.헬륨은 불에 타지 않고,공기보다 가벼운 성질을 갖는 기체 상태의 분자이다.헬륨 기체를 구성하는 분자들은 서로 아무런 결합도 만들지 않고 헬륨 원자 한 개가 각각 떨어져 있는 상태로 존재한다.헬륨처럼 원자 한 개로 구성된 분자를 1원자 분자 라고 한다.산소와 오존을 비교해 보자. 두 물질은 똑같이 산소로 이루어진 홑원소 물질이지만 분자 한 개를 구성하는 원자의 수가 다르기 때문에 나타내는 성질은 전혀 다르다.이처럼 분자는 분자를 구성하는 기본 입자의 종류뿐 아니라 개수에 따라서도 성질이 완전히 달라질 수 있기 떄문에 화학 반응을 나타낼 떄는 정확히 분자식을 사용해야 한다.어떤 물질들은 분자 상태로 존재하지 않는다.산화 구리는 구리와 산소가 1대1의 개수비로 결합하여 생성되는 물질이다.하지만 구리는 1개의 산소와 결합하는 것이아니고 주변을 둘러싼 여러 개의 산소와 결합한다.마찬가지로 산소 역시 주변을 둘러싼 여러 개의 구리 원자와 결합한다.이들은 사방으로 결합하여 거대한 결정 형태로 존재하며,일부가 떨어져도 그 성질이 변하지 않는다.분자와는 다르게 기본 단위로 분리되어 따로따로 존재하지 않기 떄문에 이들을 비분자성 물질 이라고 한다.따라서 비분자성 물질의 경우에는 결정을 구성하는 구리 원자,산소 원자의 정확한 수를 세는 것은 의미가 없다. 숫자가 달라져도 성질이 똑같디 깨문이다. 그래서 비분자성 물질의 화학식은 물질을 구성하는 원자수의 비를 가장 간단한 정수로 표시한다.이렇게 물질을 구성하는 원소의 종류와 개수비를 나타낸 것을 실험식이라고한다.분자도 실험식을 사용할 때가 있다.보통 원소 분석 과정에서 아직 정확한 분자식을 모를때 원자 수의 비를 이용하여 실험식으로 표현한다.그러나 분자의 경우에는 실험식으로 표현할 경우 모든 분자의 정확한 이름과 성질은 알 수 없다.예를 들어 물은 분자식과 실험식이 같지만 산소와 같은 홑원소 물질의 실험식은 원소 기호와 같고 애텐과 프로펜은 서로 다른 물질이지만 실험식은 같다.그래서 실험식은 원소 분석 과정을 거쳐 정확한 화학식을 얻기 위한 징검다리 역할로 사용될 뿐,분자를 실험식으로 표현하는 것은 적절하지 않다.

(2)화학실량,물질의 양을 다루기 위해서는 입자의 질량이나 개수를 표시해야 할 필요가 있다.이때 질량을 표시하기 위해 사용하는 값이 화학실량이다.화학실량은 원자나 분자의 상대적인 질량으로 화학식을 구성하는 원자들의 원자량을 모두 합한 값이다.원자량은 원자의 상대적인 질량으로 질량수가 12인 탄소 원자의 질량을 12로정하고,이것을 기준으로 다른 원소와 비교한 값으로 단위가 없다.원자량을 정의하기 위해서는 질량수가 필요하다.질량수란 원자에 포함되어 있는 양성자 수와 중성자 수를 더한 값이다 원자는 양성자,중성자,전자로 이루어져 있는데 양성자와 중성자는 질량이 거의 같아 각각 1로보고 전자의 질량은 양성자 질량에 비해 매우 작기 때문에 무시한다.따라서 양성자와 중성자의 수를 알면 원자의 상대적 질량을 예측할 수 있다.즉,원자의 원자량은 질량수와 거의 같다.원자량의 정확한 값은 질량수와 조금 다르다.이것은 양성자,중성자,전자가 결합하여 원자를 구성할 떄 질량 결손이 생기기 때문이다.아인슈타인의 공식 E=mc^2에 따라 결합이 생성될 때 방출되는 에너지만큼 질량은 감소한다.예를 들면 질량수가 1인 수소의 원자량은 1로, 이 값은 양성자 1개의 상대적 질량이다.그렇다면 탄소의 상대적 질랴은 12이 되어야 하지만 실제로는 12이다.이러한 차이는 결합 과젱에서 0.096에 해당하는 질량이 에너지로 변환되었기 때문에 나타난다.평균 원자량 : 자연계에는 같은 원소이지만 질량수가 서로 다른 원자들이 존재하는데,이들을 동위 원소라 한다.동위 원소는 양성자와 전자의 수가 같아 화학적 성질은 동일하지만 중성자 수는 달라서 원자량과 물리적 성질이 다르다.자연계의 대부분 원소들은 동위 원소를 가지고 있다.자연계에서 동위 원소의 존재 비율은 어디서나 일정하다.따라서 일반적인 화학 반응에서는 자연계에 존재하는 동위 원소를 그대로 이용하므로 원자량 대신 평균 원자량을 사용한다.평균 원자량은 동위 원소의 존재 비율을 고려하여 구한 원자량의 평균값이다.예를 들어 염소는 자연계에 약 75%의 염소와 약 25%의 염소동위원소가 존재한다. 이떄 평균 원자량은 다음과 같이 계산한다.분자량은 분자의 상대적 질량이다.분자는 원자가 모여서 만들어지므로 분자량은 분자식에 포함된 원자의 원자량을 모두 더하여 얻을 수 있다.실험식으로만 나타낼 수 있는 물질은 이온 결정,공유결정,원자 결정,금속 결정 등과 같은 비분자성 물질로,이러한 물질들의 상대적 질량을 실험식량이라 한다.실험식량의 값은 분자량과 마찬가지로 화학식에 표시된 원자들의 원자량을 모두 더하여 얻는다.