실험실 기본 시약농도 조제법

[멋진모시마]

몰(mole)

각각 이온이나 분자들에 의해 화합물이 반응할 때 그들은 아주 작은 입자이기 때문에 그들의 수를 세는 것은 불가능하다. 그러나 물질의 질량을 알아냄으로써 존재해 있는 이온이나 분자의 개수를 계산할 수 있다. 이런 계산을 하기 위해서 몰(mole)의 개념을 도입해야 한다. 1몰은 6.02 * 10²³개의 입자로 정의한다.

이 아보가드로(Avogadro)의 수라 한다. 즉 이온, 원자, 분자 등 모든 화학입자들을 몰의 개념을 사용하여 나타낼 수 있다. 그러나 아보가드로의 수는 정확한 값이 아니다. 이것은 실험적으로 측정되어졌다. 몰은 이온, 원자, 분자와 같은 작은 입자의 많은 양을 측정하기 위하여 연구하는데 실용적인 큰 단위이다. 몰이 중요한 까닭은 그것이 화학적으로 서로 반응하는 물질의 질량을 조절하는 수단이 되기 때문이다.

몰 질량

화학에서 아주 중요한 단위인 물질 1몰은 그램으로 표시된 물질의 화학식량이다. 어떤 물질의 몰 질량(molar mass)은 몰당 그램(g/mol)의 단위를 사용한다. 예를들어 탄소원자의 화학식은 ¹²C이고 이 탄소의 화학식량은 12.0amu이다. 그러나 이 값을 그램의 단위인 12.0g으로 표현하면 이 양은 6.02 * 10²³개의 탄소원자 혹은 탄소 1몰을 의미한다.

많은 원소들이 분자로 존재한다 할지라도 일반적으로 원소의 몰은 그 원소의 원자에 대한 몰을 언급하는 것이다. 따라서 어떤 원소 1몰은 다른 원소 1몰과 같은 개수의 원자(6.02 * 10²³)를 포함하고 있으나 질량은 서로 다르다.

1mol의 질량은 화학식이 가지고 있는 원자질량을 모두 합한 것으로 정의되는 화학식량(formula mass)에 의해 주어진다. 따라서 몰당 그램의 형태로 표시된 어떤 물질의 몰질량은 수치상으로 보아 화학식량과 꼭 같다. 주목할 점은 물질의 화학식량은 그 화학식에 나타나 있는 원자의 원자질량을 그저 합해 주면 알 수가 있고, 물질의 몰 질량을 얻으려면 그 물질의 화학식을 알지 않으면 안된다. 몰 질량을 알게되면 용액속에 존재하는 mol 수를 계산할 수 있다. 몰 수의 계산은 다음과 같다.

$$

mol~수~=~ { 채취량~(g)} over {몰~질량~(g/mol) }

몰농도(Molarity)

우리가 농도를 알고 싶을 때에 화학에서는 몰수를 이용하여 몰농도의 개념을 이용하여 나타낸다. 용질의 농도를 나타내는데 있어서 가장 유용한 방법은 아마도 몰농도(molarity, M)일 것이다. 용액의 몰농도는 용액 1L당 그 안에 들어있는 용질의 몰수를 가리킨다. 즉 용액 1L중에 존재하는 용질의 mol 수이다.

$$

몰농도~=~ { 용질의~몰수} over {용액의~리터수 }

몰농도(mol/l : M) 계산

일반적으로 몰수를 계산할 때 고체일 때와 액체일 때로 나누어 계산하면 편리하다.

⼦ 고체의 몰농도 계산

$$

M(mol/l)~=~ { { 채취량(g)} over {몰~질량(g/mol) } } over {L~수 } ~=~mol/l

예를들어 NaOH(f㊠w=40) 40g을 용액 10L에 녹였을 때, 이 용액의 몰농도를 계산하면 다음과 같다.

$$

M~=~ { (40~g)/(40~g/mol)} over {10~L } ~=~0.1~M(mol/l)

⼦ 액체의 몰농도 계산

액체의 몰농도를 구하기 위해서는 비중과 퍼센트(％)를 알아야 한다. 액체의 퍼센트는 순도의 개념으로 생각한다. 비중(Kg/L, g./l)은 용매 1L(ml)당 용질의 Kg(g) 수를 의미한다.

예를 들어서 황산(H₂SO₄ f㊠w=98 비중=1.84) 95% 원액의 몰농도를 계산하면, 다음과 같다.

$$

M~=~ { { 1.84~Kg~ TIMES ~1000~g/Kg~times~95/100} over {98~g/mol } } over {1~L } ~=~17.837~M(mol/l)

이 방법 이외에 몇 가지 방법들이 있다. 단위환산으로서 몰농도를 계산할 수도 있고, 정의를 바탕으로 비례식을 사용해도 된다. 이런 계산이 힘들다고 느낄 때에는 다음과 같은 원리를 이용한 공식화된 식을 이용해도 편리하게 몰농도 계산을 할 수 있다. 이 때 %농도는 그대로 대입해야 한다.

$$

M~(mol/l)~=~ {10~times~%농도~times~비중 } over {분자량~(화학식량) }

규정농도(Normality)

규정농도(N : eq/l)는 용액 1L당 존재하는 당량 수(number of equivalent weight)를 의미한다. 당량 수는 산-염기반응일 때에는 H⁺와 OH^-의 개수와 관련되며, 산화-환원반응일 경우에는 전자의 이동 량이 된다.

$$

N~(eq/l)~=~ { { 채취량~g} over {당량~g/eq } } over {L~수 } ~=~eq/l

HCl, HNO₃, NaOH, KOH등은 H⁺와 OH^-가 각각 하나 씩 있으므로 이 들은 몰농도와 규정농도가 같다. 그러나 H₂SO₄, H₂CO₃, Mg(OH)₂, Ca(OH)₂ 등은 규정농도는 몰농도의 두 배이다. 산화환원반응은 이동된 전자수를 알아야 하므로 조금 더 공부가 필요하다. 몰농도와 규정농도의 관계를 간단히 표현하면 다음과 같다.

$$

몰농도~(M~:~mol/l)~=~ { 규정농도~(N~:~eq/l)} over {당량수 }

예를 들어서 황산(H₂SO₄ f㊠w=98 비중=1.84) 95% 원액의 규정농도를 계산하면, 다음과 같다. 황산은 H⁺가 2개 있으므로 2당량이 된다. 황산 1당량은 98/2 = 49g이 된다.

$$

N~=~ { { 1.84~Kg~ TIMES ~1000~g/Kg~times~95/100} over {98~g/eq } } over {1~L } ~=~35.674~N(eq/l)

용액의 희석

용액을 희석함에 있어서 여러 가지 방법이 있겠지만 화학에서는 자주 사용하는 것은 몰농도와 규정농도를 이용하는 방법이다.

MV = M'V'

NV = N'V'

여기서 V와 V'는 용액의 부피이다. 이 희석방법을 이용하여 황산 1M 용액 1L를 만들어 보자. 황산 원액의 몰농도는 17.837M 이므로

17.837M * V(ml) = 1M * 1000ml

V(ml) = 56.063 ml

된다. 그러므로 황산원액 56.063 ml를 취하여 증류수를 가해서 1L로 하면 된다.

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