알갱이(원자, 분자) 만나고 헤어지는 것이 화학이라면, 화학에서 알갱이 수는 중요하다.
수소 2분자, 산소 1분자 만나서 물 2분자가 만들어지는데 화학반응식은 2H2 + O2 → 2H2O 이다.
여기에서 분자 개수비는 2:1:2 이다.
이 알갱이 개수를 쉽게 표현되는 것이 질량, 부피이다.
다시 말하면 화학에서 물질의 질량, 부피는 그 물질의 작은 알갱이인 원자, 분자의 개수를 나타내는 것이다.
이는 질량과 부피를 알갱이의 수로 바꿀 수 있어야한다.
모든 물질은 원자가 모여서 이루어진 것이고, 그 물질은 그 물질 원자의 정수배만큼 모인 것이다.
알갱이가 모여서 질량이 되고 질량은 알갱이 수이다. 모든 물질의 질량은 그 물질 원자 질량의 정수배이다.
화학에서 원자 1개의 질량(수소 원자 질량 1.67×10^(-24)g)은 너무 작아서 표시하기 불편하다. 간단하게 표시할 필요가 있다.
원자에서 질량 대부분은 핵이 차지한다. 전자의 질량은 핵에 비해 너무 작아 무시한다.
핵은 양성자와 중성자로 이루어져있고, 양성자와 중성자의 질량은 거의 같다.
원자에서 양성자와 중성자가 질량이 된다. 그리고 양성자와 중성자 수의 합을 질량수라 한다.
질량수가 가장 작은 원자, 가장 가벼운 원자는 수소이다. 수소는 원자번호 1번(양성자 1개)이고 중성자가 없다.
모든 원자들은 수소원자 질량(질량수 1)의 정수배가 된다.
모든 물질은 원자로 되어있고 모든 원자들은 수소 원자 질량의 정수배이다. 즉 모든 물질의 질량은 수소 원자의 정수배이다.
수소의 원자 1개의 질량은 1.67×10^(-24)g이다.
세상의 모든 물질은 1.67×10^(-24)g의 정수배이다.
여기서 수소 질량 1.67×10^(-24)g을 1로 놓고 다른 원자, 물질들을 비교하면
간단하게 다른 원자, 분자들의 질량을 표시할 수 있다.
모든 시간은 1초의 정수배이다.
세슘 원자에서 방출되는 빛이 919263177번 진동하는데 걸리는 시간을 간단하게 1초로 놓았다.
시간이 5×919263177번 진동한 것만큼 흘렀다라고 하는 것 보다는 5초 흘렀다고 하면 편리하다.
원자, 분자 알갱이 질량을 수소 원자(질량수 1)와 비교한 값을 화학식량이라 한다.
원자 1개의 질량비는(수소와 비교한) 원자량, 분자 1개 질량비는 분자량이라 한다.
질량수(양성자, 중성자수 합)를 수소와 비교한 값이 화학식량이 된다.
현재는 탄소 원자량을 12로 기준한 값으로 비교해서 화학식량으로 쓰인다.
여기에서 몇가지 중요한 원자량(질량수)을 보면, H(1), N(14), O(16).. 이다.
분자량(분자 1개 질량 비율)은 원자량의 합이다. H2O는 1×2 + 16 = 18이다.
CO2는 12 + 16×2 = 44 이고, 이는 수소 보다 44배 무겁다는 것이다.
화학식량은 알갱이를 기준 원자량(C)과 비교한 값이다.
이제는 화학식량을 확장시켜보자.
수소와 탄소의 질량을 비교해보자. 수소와 탄소 각각 1개의 질량비는 1 : 12이다.
수소와 탄소가 각각 2개일 때의 질량비는 1×2 : 12×2 = 1 : 12로 같다.
수소와 탄소가 각각 1억개 일 때도 질량비는 1×1억 : 12×1억 = 1 : 12로 같다.
개수가 같을 때는 아무리 많아도 전체는 1개의 질량비(화학식량비)와 같다.
수소의 개수를 1g이 될 때까지 늘려보자. 수소 원자 6.02×10^(23)개가 모이면 수소 1g이 된다.
수소와 탄소가 6.02×10^(23)개일 때 질량비는 개수가 같으므로 1 : 12이고, 수소가 1g이므로 탄소의 질량은 12g이 된다.
수소와 탄소가 6.02×10^(23)개가 되면 각각 1g, 12g이고 이는 원자량(화학식량)에 g(그램) 붙인 값이다.
이를 확대하면 모든 알갱이(원자, 분자)가 6.02×10^(23)개 모이면
화학식량(원자량, 분자량)에 g(그램) 붙인 질량이 된다(=몰 질량).
여기서 상수 6.02×10^(23)를 1몰(아보가드로 수)이라 한다.
분자 알갱이에서 중요한 법칙 아보가드로법칙을 보자.
기체에서 온도, 압력 일정할 때 같은 부피속에 같은 수의 분자 알갱이(분자 종류에 관계없이)가 들어간다.
0℃, 1기압에서 모든 분자들은 1몰일 때 부피는 22.4L이다(=몰부피).
정리하면 알갱이(원자, 분자) 1몰은 화학식량(원자량, 분자량)에 g(그램) 붙인 질량값이고,
분자에서(기체) 1몰은 0℃, 1기압일 때 22.4L 부피이다.
이는 알갱이 개수(몰)는 질량, 부피로 표시할 수 있고, 거꾸로 질량, 부피는 알갱이 수(몰)로 표시할 수 있다.
H2O(분자량 18) 36g이 화학반응에 참여하면, 몰 질량이 18g이므로 36g은 (36/18) = 2몰이 반응한 것이다.
이를 식으로 표시하면 몰수 n = (질량/화학식량)이다. 이산화탄소가 44.8L 있다면 (44.8/22.4) = 2몰이 된다.
이는 몰수n = (부피/22.4)이다.
여기서 몰수 n = (질량/화학식량) = (부피/22.4) 이다.
화학은 알갱이 만나고 헤어짐이고, 알갱이 수는 질량과 부피로 표현된다고 하였다.
화학에서 주어지는 질량과 부피는 알갱이 수(몰)로 바꿀 수 있다.
다시 말하며, 화학에서 질량, 부피가 주어지면 알갱이 수(몰)로(원래 의미의 화학으로) 바꾸어야한다.
화학반응식은 기호 모아놓은 공식이다. 원자수의 만나고 헤어짐이 화학이고,
그 과정을 표시한 공식이 화학반응식이라면, 우리 주변에서 흔히 쓰이는 질량, 부피는
알갱이 수(원자수, 분자수 = 몰)로 바꾸어야 한다.
그래야 화학반응식을 적용할 수 있다.
-------------------------------------- 박현승