[몰의 개념과 농도]몰 2부









몰의 개념


원자나 분자의 질량은 매우 작다고 할 수 있다. 우리는 실험실에서 화학실험을 진행할 경우, 매우 많은 양의 화학물질을 다룬다고 할 수 있다. 따라서 이러한 많은 양의 화학물질의 원자나 분자를 세기위해서는 특정한 단위 즉 화학적인 단위가 요구된다고 할 수 있다. 이러한 화학적인 양을 세는 단위를 몰(㏖e)이라한다. 


몰이란 단위를 좀더 정확하게 나타내면 12C 의 12g중에 포함되어 있는 원자(또는 분자, 이온, 입자의 수)의 개수와 같은 수를 포함하는 물질의 양으로 정의된다. 그러므로 1몰이란 매우 작은 입자의 특정개수를 포함한다는 것을 의미하며, 물질의 종류에는 상관없이 항상 같은 수의 입자를 포함한다는 것을 의미한다. 1몰(㏖e)은 6.022 × 1023 개의 입자 (혹은 원자, 분자)를 포함한다고 나타낸다. 6.022 × 1023를 아보가드로수(Avogadro's number)라 부르며, 화학에 공헌을 한 아보가드로(Amedo Avogadro)의 이름을 따왔다.


1 ㏖e C 원자 = 6.022 × 1023개의 C 원자


1 ㏖e NaCl 분자 = 6.022 × 1023개의 NaCl 분자


1 ㏖e 의 탁구공 = 6.022 × 1023개의 탁구공


그림 1 각 1㏖e을 나타내는 원소들이 시계방향으로 담겨있다. 구리(copper), 알루미늄(aluminum), 철(iron), 황(sulfur), 요오드(iodine), (가운데) 수은(mercury).



몰과 질량, 개수 관계


순수한 원소 1몰에 있는 질량을 몰질량(㏖ar mass)이라 하고, 단위는 g/㏖로 나타낸다. 순수한 금속 나트륨이 23.00g 이 있다고 할 때, 이것의 원자량은 23.00amu이므로 나트륨원자 1㏖e이 존재한다고 말할 수 있고, 또한 6.022 ×1023개의 원자를 갖고 있다라고 말 할 수 있다. 기타 다른 원소들의 1㏖e의 원자수와 각각의 몰질량을 Table 2에 나타내었다. 어떠한 분자물질 예를 들면, 수소(H2), 산소(O2) 및 물(H2O)의 경우에도 위와 마찬가지로 적용이 된다.



수소(H2) 의 분자량은 2.0이고 무게 2.0g은 1 ㏖e에 해당되며, 6.022 × 1023개의 분자의 갯수가 존재한다. 또한 2 ㏖e의 H원자를 포함하므로 2 × 6.022 × 1023개 의 원자수가 존재한다고 할 수 있다. 산소(O2)의 분자량은 16.0이고 무게 16.0g의 산소는 1㏖e에 해당되며, 또한 6.022 × 1023개의 분자의 갯수를 포함한다. 그리고 2㏖e의 O원자를 포함하므로 2 × 6.022 × 1023개 의 원자수가 존재한다고 할 수 있다. 물(H2O)의 분자량은 18.0이고 무게 18.0g은 1 ㏖e에 해당되며, 6.022 × 1023개의 물분자의 갯수가 존재한다.

 

예제) 25℃에서 질소(N2) 기체 40g이 있을 경우에 (a) 몰수, (b) 분자수, (c) 원자수를 각각 계산하시오. N의 원자량 14.0


풀이) 1몰의 N2에는 6.022 × 1023개의 N2분자가 포함되어 있고, N2 1몰의 질량은 14.0g이므로,

(a) x ㏖ N2 = 40g × 1㏖ N2/28.0g = 1.43 ㏖ N2

(b) x N2 ㏖ecules = 1.43 ㏖ × 6.022×1023/1㏖ = 8.611×1023 ㏖ecules

(c) N2 1㏖은 2 ㏖의 N 원자수를 포함하므로

x atoms = 40g N2 × 6.022×1023/14.0g N2 molecules × 2N atoms/1N2 molecules = 1.72 × 1024 N atoms


Table 1 여러 가지 1몰 원소들의 비교


예제) 메탄가스(CH4)는 천연가스의 주성분이다. 메탄가스 5.5g은 몇 몰에 해당하는가?


풀이) CH4의 몰질양을 먼저 계산하고, 주어진 양을 몰수로 바꾼다.

CH4의 몰질량 = 12.01g + 4(1.008g) = 16.04g

5.5g × (1㏖ CH4)/16.04 = 0.343㏖ CH4



실험식(화학식) 또는 분자식의 계산


어떠한 화합물속에 포함되어 있는 원소들의 질량비로부터 질량에 해당되는 상대적인 몰수를 구함으로서 실험식 또는 분자식을 결정할 수 있다.

예제) 질량비로 산소 59.8% 및 황 40.2%를 포함하는 화합물의 실험식은 무었인가?

시료의 질량을 모르므로 총질량을 100g으로 정하여 푸는 것이 편리하다. 백분율과 각 원소의 질량의 합이 같기 때문이다.


x ㏖의 산소 = 59.8g × 1㏖/16.0g = 3.74 ㏖

x ㏖의 황 = 40.2g × 1㏖/32.0g = 1.26 ㏖


실험식 즉 화학식은 가장 간단한 정수의 원자로 표시되어야하므로, 몰수의 비는 정수비로 표시되어야한다. 정수의 몰수비를 구하기위해서는 가장 적은양의 몰수로 나눈다. 3.74㏖의 O/1.26㏖의 S 은 3.00㏖의 O/1.00㏖의 S 해당하므로 따라서 실험식은 SO3에 해당한다.

 

예제) 어떤 화합물을 화학분석한 결과 탄소가 85.5%와 수소가 14.5%로 얻어졌을 경우, 실험식을 결정하고 그것의 분자량이 42이라면 이때의 분자식은 무엇인가?


풀이) 총질량을 100g으로하여 C가 85.5g 과 H가 14.0g 이므로 이때 C는 85.5g × 1㏖/12.0g = 7.13 ㏖이고, H는 14.0g × 1㏖/1.0g = 14.0 ㏖이다. 가장 간단한 정수의 비는 적은 양으로 각각 나누어주어야 하므로, 이때 실험식은 1㏖ C ≃ 2 ㏖ H이다. 따라서 CH2이다. 이때 분자량은 42이므로 분자식은 =n × 실험식 이다. 그러므로 분자식은 n(CH2) = 42이고, n × (12.0+2 ×1.0) = 42 이다. 따라서 n 은 3이다. 분자식은 3 ×(CH2) = C3H6이다.






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