화학2 : I-2. 화학식량

1. 원자량과 분자량

(1) 원자량과 평균원자량

가. 상대적 질량

① 원자량의 필요성 : 원자 1개의 질량은 매우 작은 값이어서 이를 그대로 사용하기가 불편하므로 탄소에 대한 상대적 질량으로 원자량을 정하여 사용하는 것임.
② 상대적 질량의 의미

나. 원자량

① 동위 원소 : 양성자 수(원자 번호)는 같으나 질량수가 달라, 화학적 성질은 같지만 물리적 성질이 다른 원소.

② 원자량 : 질량수가 12인 탄소 원자 ₆C의 질량을 12로 정하고, 이것과 비교한 다른 원자의 상대적 질량.
㉠ 원자량은 원자의 실제 무게가 아닌 상대적인 값이므로 단위가 없다.
㉡ 상대적 원자량은 주기율표에 나와 있는 원자량(=평균 원자량) 값과 차이가 난다.
(예1) 탄소원자 1개의 질량 1.99 × 10-23을 12.00로 정하고,
수소 1개의 실제질량은 1.67 × 10^-23g 은 탄소 1개의 실제 질량의 1/12이므로
12.00× 1/12 = 1.00
(예2) 산소 1개의 실제질량은 2.67 × 10^-23g 은 탄소 1개의 실제 질량의 16/12이므로 12.00× 16/12 = 16.00

③ 평균 원자량 : 자연계에 존재하는 동위원소의 질량수를 평균한 값.

(A의 질량수 × a) + (B의 질량수 × b) 평균 원자량 = ----------------------------------- 100

(예) 자연계에 존재하는 염소의 동위원소는 ³⁵Cl과 ³⁷Cl이 각각 75.77%, 24.23% 존재하므로 Cl의 평균 원자량은 다음과 같이 계산한다.

35 * 75.77 37*24.23 Cl의 평균원자량 = ----------- + ----------- = 35.4846 100 100

④ 1 그램 원자량 : 원자량에 g을 붙인 양
1그램 원자량 = 원자량 + g = 원자 6.02 × 10²³ 개의 질량 = 원자 1 몰의 질량

다. 원자량을 구하는 법

① 듀롱 - 프티(Dulong-Petit)의 법칙

원자량 × 비열 = 26.75 (고체 중금속의 경우)

② 화학식을 이용하는 경우 : 화합물에서 원소들간의 질량비를 구하고, 그 중 한 원소의 원자량을 알면 비례식으로 구할 수 있다.
(예) 탄소 1.00g이 산소와 반응하여 일산화탄소(CO)가 될 때 산소의 질량은 1.33g이다. 산소의 원자량은
1.00 : 1.33 = 12.00 : x(산소) ∴x = 16.0 이다.

③ 최대 공약수법 : X원소를 포함하는 화합물 1몰이 들어 있는 X의 질량을 구하여 최대공약수를 구하면 그 값이 원자량이 된다.
(예) NH₃, H₂O, HCl 각 1몰에 들어 있는 H의 질량은 각각 3.024g, 2.016g, 1.008g 이므로 최대 공약수는 1.008이고, 이것이 H의 원자량이 된다.

(2) 분자량 

가. 분자량

① 분자량 : 분자를 이루고 있는 원자들의 원자량의 총합
예) CO₂의 분자량 ▷ 12+16×2 = 44
H₂O의 분자량 ▷ 1×2+16 = 18

▶▶ 분자량도 상대적인 질량인 원자량의 합이므로, 단위가 없다.

② 평균분자량
예) 공기(N₂ 80% O₂ 20%)의 평균 분자량 : 28 × 0.8 + 32 × 0.2 = 28.8
③ 기체의 분자량 구하기 - 기체 22.4L의 질량이 분자량이다.
예) 0℃, 1atm에서 11.2L의 질량이 22g인 기체의 분자량
11.2L : 22g = 22.4L : x x= 44
예) 밀도가 1.25g/L인 기체의 분자량은
1.25g : 1L = x : 22.4L x = 28

나. 화학식량

: 화학식을 구성하는 모든 원자들의 원자량을 모두 합한 값

① 종류 : 원자량, 분자량, 실험식량 등
② 이온 결정의 화학식량 : 실험식으로 물질을 나타내고 실험식 중에 들어 있는 각 원자의 원자량 합이 화학식량(실험식량)이 된다.
(예) MgSO₄의 화학식량 = Mg의 원자량 + S의 원자량 + O의 원자량 × 4
= 24.3 + 32.0 + 16.0 × 4 = 120.3
③ 성분 원소의 질량 백분율 : 화합물에서 어떤 원소가 차지하는 질량 비율

(예) 물 분자 중의 수소 원자와 산소 원자의 질량 백분율

2. 몰

(1) 몰의 개념 

가. 아보가드로수

: 탄소 원자의 질량은 수소 원자의 12배이므로, 12g의 탄소와 수소 1g에 들어 있는 원자수는 같다. 따라서, 어떤 원소의 원자량에 g을 붙인 질량에 들어 있는 원자수 N은 모두 같다.

원자량에 g을 붙인 값 = N × 원자 1 개의 질량

① 탄소 원자의 N 값 계산 : 탄소 원자량은 12이고, 탄소 원자 1개의 질량은 1.993 × 10 ^-23 g이다. 그러므로 탄소 12g이 들어 있는 탄소 원자의 개수 N은 다음과 같다.

② 아보가드로수 : 6.02 × 10²³의 숫자를 말하며, 원자의 경우 원자량에 g 을 붙인 질량에는 아보가드로수만큼의 원자들이 들어 있다.

나. 몰

① 몰 : 입자 6.02 × 10²³개의 집단
② 몰 수와 입자 수

③ 분자 수와 원자 수 : 분자나 물질은 일정한 개수의 원자나 이온으로 이루어져 있으므로 분자나 물질의 몰 수를 알면 구성원자의 몰 수도 알 수 있다.
(예) 물(H₂O) 1몰 => H₂O 분자 1몰 => H 원자 2몰과 O 원자 2 몰

(2) 물질의 양과 몰 

가. 1몰의 질량

: 원자나 분자, 이온 1몰의 질량은 원자량, 분자량, 이온식량에 g을 붙인 값으로 원자, 분자, 이온 6.02 × 10²³ 개의 질량이다.

1몰의 질량(g)		입자 1몰		1몰 입자의 수(개)
분자량에 g	⇔	분자 1몰	⇔	6.02 × 1023개의 분자
원자량에 g	⇔	원자 1몰	⇔	6.02 × 1023개의 분자
이온식량에 g	⇔	이온 1몰	⇔	6.02 × 1023개의 이온

나. 원자와 분자의 실제 질량

(예) 탄소 원자 한 개의 실제 질량은 탄소 원자 1몰 (=12g) 중에 C 원자 6.02 × 10²³개가 들어 있으므로

다. 이온 결정 물질의 질량 관계

: 이온 결정 물질의 실험식량과 이온들의 이온량에 g을 붙인 값은 그 물질이나 이온들의 1몰 질량과 같다

물 질	화학식량	1몰의 질량	구성 입자의 몰 수	구성 입자의 수
MgCl2	95.3	95.3g	Mg 2+ 1 몰 Cl - 2 몰	Mg 2+ : 6.02 × 10 23개 Cl - : 2 × 6.02 × 10 23개
SO4 2-	96.0	96.0g	S 원자 1 몰 O 원자 4 몰	S : 6.02 × 10 23개 O : 4 × 6.02 × 10 23개

(3) 몰 부피 

가. 기체 1몰의 부피

: 0℃, 1기압(표준 상태)에서 기체 1 몰은 22.4L를 차지하며 그 속에는 6.02 × 10²³ 개의 분자가 들어 있다.

나. 기체의 몰 수와 부피 관계

다. 물질의 양, 입자수, 질량, 부피의 관계

1 몰 = (화학식량)g = 6.02 × 10 23개 = 22.4 L(0℃, 1기압)

3. 화학식과 화학식량을 결정하는 법

(1) 기체의 분자량 계산 

가. 몰 부피 이용

: 0℃, 1기압(표준 상태)에서 모든 기체 1 몰의 부피는 22.4L이므로 0℃, 1기압에서 기체 22.4L의 질량은 1몰의 질량이 괴고 여기에서 g 을 떼면 분자량이 된다.

▒ 0℃, 1기압에서 어떤 기체의 질량이 W g, 부피가 V L일 때 ▒

나. 밀도 이용

: 밀도는 질량/부피 이므로 표준 상태에서 밀도가 d(g/L)인 기체의 분자량(M)은

다. 아보가드로의 법칙 이용

① 같은 온도와 압력에서 부피가 같은 두 기체는 같은 분자수를 가지나, 질량은 서로 다르다. 이 때 두 기체의 질량비는 분자량의 비와 같다.

② 단위 부피당 질량이 밀도이므로 두 기체의 밀도비(=비중)가 분자량의 비와 같다.

(2) 화학식 구하기 

가. 실험식 구하기

① 실험식 구하는 순서
㉠ 원소 분석을 통하여 성분 원소의 질량 백분율이나 질량비를 구한다.
㉡ 질량 백분율이나 질량비를 각각의 원자량으로 나누어 가장 간단한 정수비를 구한다.
㉢ 원소 기호 오른쪽 밑에 정수비를 작은 숫자로 적어 실험식을 구한다.

② 예 : C와 H의 질량 백분율이 각각 85.7%와 14.3% 인 탄화수소의 실험식

C와 H의 결합 비율이 1 : 2이므로 실험식은 CH₂ 이다.

나. 분자식 구하기

① 분자식을 구하는 순서
㉠ 실험식에서 실험식량을 구한다.
㉡ 분자량을 구한다.

㉣ 분자식=(실험식) × n

② 예 : 실험식이 CH이고 분자량이 26 인 물질의 분자식

다. 시성식 구하기

① 물질의 성질을 조사하여 해당하는 작용기를 찾는다.
② 분자식에서 그 작용기를 빼내어 시성식을 쓴다.

라. 화학식을 쓰는 순서

① 무기 화합물
㉠ 금속 원소와 비금속 원소의 화합물 : 금속 원소를 왼쪽, 비금속 원소를 오른쪽에 쓴다.
㉡ 비금속 원소 사이에 이루어진 화합물 : 양성 원소를 왼쪽, 음성 원소를 오른쪽에 쓴다.
(예) KI, Al₂O₃, CuCl₂, CO₂, CS₂

② 탄소 화합물 : C, H, O의 순서로 쓴다.
(예) C₂H₄O₂(아세트산), C₂H₆(에탄), C₆H₁₂O₆(포도당)

(3) 화학식이 나타내는 의미 

가. 분자식이 나타내는 뜻

나. 실험식이 나타내는 뜻