화학식의 종류및 화학식 구하는 방법
논문 등에 발표를 할 때는, 화합물의 구조를 밝혀내고 증명할 수 있는 증거를 제시해야 합니다.
보통 그 과정은
1) 원소분석(elemental analyzer)을 하고,
2) 질량분석기(mass spectroscopy)로 질량을 측정하고,
3) 적외선 스펙트럼(IR spectroscopy)으로 작용기를 밝혀내고,
4) 핵자기공명 스펙트럼(nmr spectroscopy)으로 탄소와 수소의 결합 환경을 밝혀낸 후,
5) 이것들을 종합하여 분자의 구조식을 밝혀냅니다.
필요한 경우
A) 자외선 스펙트럼(UV spectroscopy)으로 불포화 상태에 관한 정보를 얻기도 하고,
B) 광학활성을 가지는 물질인 경우 ORD- CD라는 광학활성측정 기기에 의하여 입체 구조까지 결정을 합니다.
화학식은 위의 과정을 순서대로 거쳐서 구할 수 있으며, 과정마다 화학식의 종류가 나온다고 보면 됩니다.
화학식이라고 하면 보통 실험식과 분자식을 말합니다. 여기에 화합물의 특징을 나타내는 작용기(functional group)를 나타낸 식을 시성식이라고 하고, 원자가 연결된 순서까지 표현한 식을 구조식이라고 합니다.
님의 질문은 화합물 뿐만 아니라 홀원소 물질도 포함되므로, 물질로 각각의 화학식에 대해 답하겠습니다.
# 1 실험식 : 어떤 물질을 이루는 원자의 종류와 원자 수를 가장 간단한 정수비로 나타낸 식입니다.
즉 원소분석에 의하여 원소의 질량 조성비(%)를 구하고, 그 조성비를 원소의 원자량으로 나눈 정수비입니다.
중 고등과정에서 가장 예를 많이 드는 화합물이 C, H, O로만 구성된 아세트산입니다. 아세트산의 원소분석을 하기 위해서는 우선 이 화합물이 C, H, O로만 이루어졌다는 것을 미리 알고 있어야만 합니다. (이 설명을 하지 않으면 많은 학생들이 혼동함)
아세트산 6.000g을 정확히 측정하여 산소를 공급하여 태우고 발생하는 이산화탄소와 물의 질량을 측정합니다.
아세트산(6.000g) + 산소 -> CO2(8.800g) + H2O(3.600g)
산소는 외부에서 공급이 되었지만 이산화탄소와 물로 변환된 탄소와 수소는 아세트산으로부터 나온 것입니다.
- 이산화탄소 중 탄소의 함량은 12/44 이므로
C의 질량 = 생성된 CO2의 질량 × 12/44 = 8.800 x 12/44 = 2.400g
- 물 중 수소의 함량은 2/18이므로
H의 질량 = 생성된 H2O의 질량 × 2/18 = 3.600 x 2/18 = 0.400g
- O의 질량은 측정된 아세트산 질량 중 C와 H의 질량을 뺀 나머지 질량 = 6.000g – 2.400g -0.400g = 3.200g
그러므로 C : H : O의 질량비 = 2.4 : 0.4 : 3.2
C : H : O의 원소비 = 2.4/12 : 0.4/1 : 3.2/16 = 0.2 : 0.4 : 0.2 = 1 : 2 : 1
결과적으로 아세트산의 실험식은 CH2O 이며, 실험식량은 20입니다.
# 2 분자식 : 분자를 구성하는 원자의 종류와 수를 모두 나타낸 식으로 분자량을 계산할 때 쓰입니다.
분자량을 알고 있어야 하며, 분자량은 보통 질량분석기에 의하여 구합니다. 분자량은 실험식량의 정수배로 나타납니다.
예를 들어 아세트산을 질량분석기로 분자량을 측정하면 60.000이 나옵니다.
그러므로 아세트산의 분자량 = 아세트산의 실험식량 x 2
결과적으로 아세트산의 분지식은 (CH2O) x 2 = C2H4O2 입니다.
# 3 시성식 : 화합물에 포함되어 있는 작용기를 표현한 화학식입니다. 화합물의 물성을 예측할 때 쓰입니다.
적외선 스펙트럼으로 작용기를 확인할 수 있습니다.
아세트산은 카르복실기(-COOH)를 가지는 것이 확인되므로 시성식은 CH3COOH입니다.
주의) 만약에 위의 화합물이 적외선 스펙트럼으로 카르복실기가 아니고 알코올기가 확인이 된다면, C2H2(OH)2의 시성식을 가지게 되는 것입니다.
# 4 구조식 : 분자내의 원자들의 결합 상태를 분자결합(bond)으로 나타낸 식입니다.
핵자기공명 스펙트럼으로 탄소와 수소의 결합 환경을 밝혀낸 후 결정이 되며, 필요 시 자외선 스펙트럼이 사용되기도 합니다.
예를 들어 에탄올을 C2H5OH로 나타내면 시성식, CH3CH2OH나 CH3-CH2-OH로 나타내면 구조식입니다.
이곳에서는 그림을 그리는 것이 제한이 되어 있으므로 설명이 미흡할 수 있어 아쉽습니다.
http://science.kongju.ac.kr/highschool/chem/물질세계의규칙성/cheq/html/chak-3.html 를 방문하셔서 한 예를 보시기 바랍니다.
구조식을 나타낼 때는 원자가가 꼭 고려되어야 하며, 원자가는 주기율표에서 최외각전자수를 확인하여 옥테트룰을 만족시켜야 합니다.
C의 원자가 : 4
H의 원자가 : 1
O의 원자가 : 2
N의 원자가 : 3
할로겐 원소(F, Cl, Br, I)의 원자가 : 1
# 5 입체구조식 : 구조식의 입체적 구조를 나타낸 식입니다.
광학활성을 가지는 물질인 경우 ORD- CD라는 광학활성측정 기기에 의하여 자료를 얻고, 그 자료의 분석에 의하여 결정을 합니다.
대학이나 대학원에서는 이런 과정을 위한 기기분석화학이라는 과목을 1학기~ 2년기에 걸쳐 배우게 됩니다
논문 등에 발표를 할 때는, 화합물의 구조를 밝혀내고 증명할 수 있는 증거를 제시해야 합니다.
보통 그 과정은
1) 원소분석(elemental analyzer)을 하고,
2) 질량분석기(mass spectroscopy)로 질량을 측정하고,
3) 적외선 스펙트럼(IR spectroscopy)으로 작용기를 밝혀내고,
4) 핵자기공명 스펙트럼(nmr spectroscopy)으로 탄소와 수소의 결합 환경을 밝혀낸 후,
5) 이것들을 종합하여 분자의 구조식을 밝혀냅니다.
필요한 경우
A) 자외선 스펙트럼(UV spectroscopy)으로 불포화 상태에 관한 정보를 얻기도 하고,
B) 광학활성을 가지는 물질인 경우 ORD- CD라는 광학활성측정 기기에 의하여 입체 구조까지 결정을 합니다.
화학식은 위의 과정을 순서대로 거쳐서 구할 수 있으며, 과정마다 화학식의 종류가 나온다고 보면 됩니다.
화학식이라고 하면 보통 실험식과 분자식을 말합니다. 여기에 화합물의 특징을 나타내는 작용기(functional group)를 나타낸 식을 시성식이라고 하고, 원자가 연결된 순서까지 표현한 식을 구조식이라고 합니다.
님의 질문은 화합물 뿐만 아니라 홀원소 물질도 포함되므로, 물질로 각각의 화학식에 대해 답하겠습니다.
# 1 실험식 : 어떤 물질을 이루는 원자의 종류와 원자 수를 가장 간단한 정수비로 나타낸 식입니다.
즉 원소분석에 의하여 원소의 질량 조성비(%)를 구하고, 그 조성비를 원소의 원자량으로 나눈 정수비입니다.
중 고등과정에서 가장 예를 많이 드는 화합물이 C, H, O로만 구성된 아세트산입니다. 아세트산의 원소분석을 하기 위해서는 우선 이 화합물이 C, H, O로만 이루어졌다는 것을 미리 알고 있어야만 합니다. (이 설명을 하지 않으면 많은 학생들이 혼동함)
아세트산 6.000g을 정확히 측정하여 산소를 공급하여 태우고 발생하는 이산화탄소와 물의 질량을 측정합니다.
아세트산(6.000g) + 산소 -> CO2(8.800g) + H2O(3.600g)
산소는 외부에서 공급이 되었지만 이산화탄소와 물로 변환된 탄소와 수소는 아세트산으로부터 나온 것입니다.
- 이산화탄소 중 탄소의 함량은 12/44 이므로
C의 질량 = 생성된 CO2의 질량 × 12/44 = 8.800 x 12/44 = 2.400g
- 물 중 수소의 함량은 2/18이므로
H의 질량 = 생성된 H2O의 질량 × 2/18 = 3.600 x 2/18 = 0.400g
- O의 질량은 측정된 아세트산 질량 중 C와 H의 질량을 뺀 나머지 질량 = 6.000g – 2.400g -0.400g = 3.200g
그러므로 C : H : O의 질량비 = 2.4 : 0.4 : 3.2
C : H : O의 원소비 = 2.4/12 : 0.4/1 : 3.2/16 = 0.2 : 0.4 : 0.2 = 1 : 2 : 1
결과적으로 아세트산의 실험식은 CH2O 이며, 실험식량은 20입니다.
# 2 분자식 : 분자를 구성하는 원자의 종류와 수를 모두 나타낸 식으로 분자량을 계산할 때 쓰입니다.
분자량을 알고 있어야 하며, 분자량은 보통 질량분석기에 의하여 구합니다. 분자량은 실험식량의 정수배로 나타납니다.
예를 들어 아세트산을 질량분석기로 분자량을 측정하면 60.000이 나옵니다.
그러므로 아세트산의 분자량 = 아세트산의 실험식량 x 2
결과적으로 아세트산의 분지식은 (CH2O) x 2 = C2H4O2 입니다.
# 3 시성식 : 화합물에 포함되어 있는 작용기를 표현한 화학식입니다. 화합물의 물성을 예측할 때 쓰입니다.
적외선 스펙트럼으로 작용기를 확인할 수 있습니다.
아세트산은 카르복실기(-COOH)를 가지는 것이 확인되므로 시성식은 CH3COOH입니다.
주의) 만약에 위의 화합물이 적외선 스펙트럼으로 카르복실기가 아니고 알코올기가 확인이 된다면, C2H2(OH)2의 시성식을 가지게 되는 것입니다.
# 4 구조식 : 분자내의 원자들의 결합 상태를 분자결합(bond)으로 나타낸 식입니다.
핵자기공명 스펙트럼으로 탄소와 수소의 결합 환경을 밝혀낸 후 결정이 되며, 필요 시 자외선 스펙트럼이 사용되기도 합니다.
예를 들어 에탄올을 C2H5OH로 나타내면 시성식, CH3CH2OH나 CH3-CH2-OH로 나타내면 구조식입니다.
이곳에서는 그림을 그리는 것이 제한이 되어 있으므로 설명이 미흡할 수 있어 아쉽습니다.
http://science.kongju.ac.kr/highschool/chem/물질세계의규칙성/cheq/html/chak-3.html 를 방문하셔서 한 예를 보시기 바랍니다.
구조식을 나타낼 때는 원자가가 꼭 고려되어야 하며, 원자가는 주기율표에서 최외각전자수를 확인하여 옥테트룰을 만족시켜야 합니다.
C의 원자가 : 4
H의 원자가 : 1
O의 원자가 : 2
N의 원자가 : 3
할로겐 원소(F, Cl, Br, I)의 원자가 : 1
# 5 입체구조식 : 구조식의 입체적 구조를 나타낸 식입니다.
광학활성을 가지는 물질인 경우 ORD- CD라는 광학활성측정 기기에 의하여 자료를 얻고, 그 자료의 분석에 의하여 결정을 합니다.
대학이나 대학원에서는 이런 과정을 위한 기기분석화학이라는 과목을 1학기~ 2년기에 걸쳐 배우게 됩니다
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