화학2 : I-3. 화학반응식

1. 화학 반응과 반응식

(1) 화학 반응

가. 물리 변화와 화학 변화

변화의 종류	특징	변화		예
		원자	분자
물리적 변화	물질의 본질 자체는 변하지 않고 모양, 크기, 상태 등만 변한다	변하지 않음	변하지 않음	얼음→물 →수증기
화학적 변화	물질의 본질 자체가 변하여 새로운 물질이 생성된다. 원자 사이의 결합이 끊어져 재배열이 일어난다.	변하지 않음	변함	숯의 연소 반응. 물의 전기 분해

나. 화학 반응의 종류

① 화합 : 두 가지 이상의 물질이 반응하여 한 가지 물질로 변화하는 반응

② 분해 : 한 가지 물질이 두 가지 이상의 물질로 변화하는 반응. 열에 의한 분해 반응을 열분해, 전기에 의한 부냏 반응을 전기 분해라고 함.

③ 치환 : 화합물을 구성하는 성분 중 일부가 다른 원자나 원자단으로 자리바꿈하는 반응

④ 복분해 : 두 가지 화합물이 성분의 일부를 서로 바꾸어 두 가지 새로운 화합물을 생성하는 반응

(2) 화학 반응식

가. 화학 반응식 꾸미기

수소와 산소가 반응하여 물(수증기)가 되는 반응

① 반응 물질과 생성 물질의 종류와 화학식을 안다.
반응 물질 : 수소(H₂), 산소(O₂)
생성 물질 : 물(H₂O)

② 반응 물질을 왼쪽에, 생성 물질을 오른쪽에 적고, 화살표로 연결한다.

수소(H₂) + 산소(O₂) → 물(H₂O)

③ 반응 물질과 생성 물질을 구성하는 원자의 종류와 수가 같아지도록 계수를 맞춘다.

2 H₂ + O₂ → 2 H₂O

④ 반응물과 생성물의 물리적 상태를 표시한다. 고체(solid, ), 액체(liquid, ), 기체(gas, ), 수용액(aqueous solution, )

2 H₂ () + O₂ ( ) → 2 H₂O ( ) .........수증기
2 H₂ () + O₂ ( ) → 2 H₂O ( ) ...........물

나. 화학 반응식의 계수 맞추기

화학반응에서는 원자가 새로 생성되거나 소멸되지 않기 때문에 반응 전후에 원자의 종류와 수가 일치하도록 화학 반응식을 적어야 한다. 간단한 반응식에서는 암산법으로 쉽게 할 수 있고, 복잡한 반응식에서는 미정 계수법을 사용해야 한다.

① 암산법

: 계수가 비교적 간단한 반응에서 사용한다. 다음 반응식의 계수를 맞추어 보자.

② 미정 계수법

미정 계수법으로 계수를 맞추는 순서

◐ 반응 물질과 생성 물질의 계수를 등으로 정한다. ◐ 각각의 원자에 대하여 양변의 원자 수가 같아지도록 방정식을 세운다. ◐ 중 어느 하나를 1로 놓고, 다른 것의 계수를 구한다. ◐ 계수가 분수로 나오면 양쪽을 정수 배하여 정수로 고친다. ◐ 반응식이 완결되면 양쪽 원자들의 원자 수가 같은지 확인한다.

(예) 에탄(C₂H₆)을 연소시켜 이산화탄소와 수증기로 만드는 과정의 미정 계수법

㉠ C, H, O의 원자 수가 양쪽에서 같도록 다음과 같이 식을 세운다.

원자	왼쪽 오른쪽
C H O

㉢ 위의 값을 주어진 화학 반응식에 대입하면 다음 식이 얻어진다.

㉣ 화학 반응식의 계수는 정수이므로 양쪽에 2를 곱하면 다음 식이 얻어진다.

다. 알짜 이온 반응식

: 이온성 물질의 반응에서 실제로 반응에 참여하는 이온들만으로 나타낸 화학 반응식.

반응 물질인 Pb(NO₃)₂ 와 KI, 생성 물질인 KNO₃ 는 수용액 상태에서 거의 모두 이온 상태로 존재하므로

① 구경꾼 이온 : 반응 전후에 용액 속에 존재하며 변하지 않는 이온.(K⁺, NO₃^-)
② 알짜 이온 : 실제로 반응에 참여하는 이온. Pb²⁺ 과 I^-
③ 알짜 이온 반응식


④ 알짜 이온 반응식의 예

㉠ 앙금 생성 반응

㉡ 중화 반응

㉢ 금속과 산의 반응

2. 화학 반응에서의 양적 관계

(1) 화학 반응식이 나타내는 뜻

가. 생성 물질과 반응 물질의 종류
나. 물질들의 몰수비, 분자수비
다. 물질들의 질량비
라. 기체인 경우 물질들의 부피비
마. 질량 보존의 법칙, 일정 성분비의 법칙, 기체일 경우 기체 반응의 법칙과 아보가드로의 법칙이 성립함을 알 수 있다.

화학 반응식의 계수의 비 = 몰수의 비 = 분자수의 비 = 부피의 비(기체)≠질량의 비

반응식	2H2( g) + O2(g) ---→ 2H2O( g)	관 련 법 칙
반응 물질과 생성 물질 계 수 몰 수 비 분 자 수 부 피 비 질 량 질 량 비	수소(기체) 산소(기체) 수증기(기체) 2 : 1 : 2 2 몰 : 1 몰 : 2 몰 2 분자 : 1 분자 : 2 분자 2 부피 : 1 부피 : 2 부피 2×2 g + 32 g = 2×18 g 1 : 8 : 9	아보가드로의 법칙 기체 반응의 법칙 질량보존의 법칙 일정 성분비의 법칙

(2) 화학 반응식을 이용한 계산

: 화학 반응식에서 반응 물질과 생성 물질의 계수는 몰수 관계를 의미하므로 몰을 환산 인자로 해서 물질의 양 계산

가. 질량 - 질량 관계

메탄(CH₄) 160g이 완전 연소하기 위해 필요한 산소의 질량

[방법 1]

• 1 단계 : 메탄 160g의 몰수를 구한다.
  
• 2 단계 : 1몰의 메탄이 연소하기 위해 필요한 산소의 몰수는 2몰이므로, 다음 관계식을 이용하여 10몰의 메탄이 연소할 때 필요한 산소의 몰수 x를 구한다.
  1 몰 : 2 몰 = 10 몰 : x, x= = 20 몰
• 3 단계 : 산소 1 몰의 질량 32g 으로부터 산소 20몰의 질량을 구한다.
  20 몰 × 32 g/몰 = 640 g

[방법 2]

반응식에서 메탄과 산소의 계수비가 1 : 2 이므로 메탄 16g 이 연소할 때 산소 64g이 필요하다. 따라서 메탄 160g이 연소할 때 필요한 산소의 질량 x는 다음 관계식으로 구한다.

나. 질량 - 부피 관계

메탄 160g이 연소할 때 표준상태에서 생성되는 수증기의 부피.

[방법 1]

• 1 단계 : 메탄 160g의 몰수를 구한다.
  
• 2 단계 : 생성되는 수증기의 몰수를 구한다.
  1몰의 메탄이 연소할 때 2몰의 수증기가 생성되므로 10몰의 메탄이 연소할 때 생성되는 수증기의 몰수 x는 다음과 같이 구할 수 있다.
  1 몰 : 2 몰 = 10 몰 : x
  x = 20 몰
• 3 단계 : 표준 상태에서 수증기 1몰이 차지하는 부피는 22.4L이므로, 20 몰의 수증기가 차지하는 부피는 다음과 같이 구한다.
  20 몰 × 22.4 L/몰 = 448L

[방법 2]
표준 상태에서 메탄 16g이 연소할 때 수증기는 2×22.4L가 생성된다. 따라서 메탄 160g이 연소할 때 표준 상태에서 생성되는 수증기의 부피 x는 다음 관계식으로 구한다.
16g : 2×22.4L = 160g : x
x = 448L

다. 부피 - 부피 관계

온도와 압력이 같은 상태에서 기체들이 반응할 때, 화학 반응식의 계수들은 부피비가 된다(기체 반응의 법칙)

(예) 메탄 10L를 연소시킬 때 필요한 산소의 부피와 생성되는 이산화탄소의 부피 구하기

[화학 반응에서의 양적 관계 정리]