통합과학 중3 화학 반응의 규칙성

화학 반응의 규칙성

질량 보존·일정 성분비·기체 반응 법칙을 탐구하고 화학 반응식을 작성한다.

화학 반응이 일어날 때 원자는 새로 생기거나 없어지지 않고 짝만 바꾸기 때문에, 반응 전후 질량이 같고(질량 보존), 한 화합물을 이루는 성분 원소의 질량비가 항상 일정합니다(일정 성분비).

화학 반응은 레고를 부수고 다시 조립하는 일과 같습니다. 블록의 개수와 종류는 그대로이고 조립된 모양만 달라지므로, 무게를 재면 언제나 같습니다.

쉽게 말하면

물질의 변화에서 화학 변화란 성질이 다른 새로운 물질이 생기는 변화라고 배웠습니다. 그런데 '새로운 물질'이라고 해서 없던 재료가 생긴 것은 아닙니다. 원자는 그대로 있고 결합 방식만 바뀝니다. 이 한 문장에서 이 단원의 세 법칙이 전부 나옵니다.

원자의 개수와 종류가 그대로이니 질량도 그대로입니다(질량 보존 법칙). 나무가 타서 재만 남으면 가벼워진 것처럼 보이지만, 빠져나간 이산화 탄소와 수증기까지 모아서 재면 처음과 같습니다. 반대로 강철솜을 태우면 오히려 무거워지는데, 공기 중의 산소가 철에 결합했기 때문입니다.

또 한 종류의 화합물은 언제나 같은 개수 비로 원자가 결합하므로, 성분 원소의 질량비도 늘 같습니다(일정 성분비 법칙). 물은 어디서 만들든 수소와 산소의 질량비가 $1 : 8$ 입니다. 수소를 아무리 많이 넣어도 산소가 부족하면 남은 수소는 반응하지 못하고 그냥 남습니다.

기체끼리 반응할 때는 부피 사이에도 간단한 정수비가 성립합니다(기체 반응 법칙). 같은 온도와 압력에서 수소 기체 2부피와 산소 기체 1부피가 반응해 수증기 2부피가 됩니다. 이 모든 규칙을 한 줄로 압축한 것이 화학 반응식입니다. 반응식의 계수를 맞추는 일은 곧 '양쪽의 원자 개수를 똑같이 만드는 일'입니다.

$2 H_{2} + O_{2} \to 2 H_{2} O$

이렇게 나타납니다

예시 1

밀폐된 용기에서 나무를 태우면

뚜껑을 닫은 채로 태우고 무게를 재면 처음과 똑같습니다. 열린 곳에서 태울 때 가벼워지는 것은 기체가 되어 날아간 물질을 저울이 세지 못했기 때문입니다. 질량 보존 법칙을 확인하려면 반드시 빠져나가는 기체까지 가둬야 합니다.
예시 2

강철솜을 태우면 무거워진다

철이 산소와 결합하면서 산화 철이 됩니다. 결합한 산소의 질량만큼 늘어나므로, 탔는데 오히려 무거워집니다. '타면 가벼워진다'는 생각이 틀렸다는 것을 가장 분명하게 보여 주는 실험입니다.
예시 3

화학 반응식의 계수 맞추기

$C H_{4} + 2 O_{2} \to C O_{2} + 2 H_{2} O$

왼쪽과 오른쪽에서 탄소는 1개씩, 수소는 4개씩, 산소는 4개씩으로 맞습니다. 계수를 맞춘다는 것은 결국 원자 하나도 잃거나 만들지 않았음을 확인하는 절차입니다.

순서대로 하면

화학 반응식 세우는 순서

1반응물과 생성물을 말로 먼저 적습니다. 무엇이 무엇으로 변했는지가 먼저입니다.
2각 물질의 화학식을 정확히 씁니다. 이때 아래첨자는 그 물질의 고유한 정보이므로 절대 바꾸지 않습니다.
3화살표를 긋고, 양쪽의 원자 종류별 개수를 셉니다.
4계수(화학식 앞의 숫자)만 조절해 양쪽 원자 개수를 같게 만듭니다. 여러 물질에 들어 있는 원소(보통 산소)는 마지막에 맞추면 편합니다.
5계수를 가장 간단한 정수비로 정리하고, 원자 개수를 다시 한번 세어 검산합니다.

자주 하는 오해

탔으니까 질량이 줄어들었다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움나무가 타서 재만 남았으니 질량이 줄어들었고, 질량 보존 법칙은 예외가 있다

실제로는빠져나간 이산화 탄소와 수증기의 질량까지 세면 반응 전후의 질량은 정확히 같습니다.

저울은 눈에 보이는 것만 재는 것이 아니라 용기 안에 남은 것만 잽니다. 기체가 날아가 버리면 그 질량은 저울에서 사라지지만 우주에서 사라진 것은 아닙니다. 그래서 질량 보존을 확인하는 실험은 반드시 밀폐 용기에서 합니다. 반대로 강철솜을 태우면 산소가 붙어 무거워지는데, 이 역시 같은 법칙의 다른 얼굴입니다.

반응식을 맞출 때 아래첨자를 바꾸기

이렇게 생각하기 쉬움산소 개수가 안 맞으니