최재영 한국폴리텍 정수캠퍼스 교수(건축기계설비기술사, 공조냉동기계기술사)
제1장 물리와 화학의 기초
1-2 화학의 기초
1. 원자(량)와 분자(량)
모든 물체는 원자(原子)와 분자(分子)라는 미립자의 집합에 의해 이루어지며, 동일 종류만의 원자로 구성되어 있는 물질을 원소 또는 원자라 하고, 더 이상 세분할 수 없는 미립자이다. 원자의 구성은 원자핵과 그 주위를 회전하는 전자로 이루어지나 다른 종류의 원자와 결합하여 여러 가지 물질의 분자를 구성한다.
어느 물질의 성질을 갖는 최소입자를 그 물질의 분자라 하며, 기계적인 방법으로는 더 이상 나눌 수 없는 입자지만 화학적인 방법으로는 몇 개 또는 몇 종류의 원자로 나눌 수 있다. 즉, 분자는 원자가 화학적으로 결합한 것으로 물질은 이들 분자의 집합체이다.
또한, 산소분자나 수소분자와 같이 동일 종류의 원자 결합으로 한 개의 분자가 구성된 것을 단체라 하고, 물 분자나 프로판 분자와 같이 다른 종류의 원자 결합으로 분자가 구성된 것을 화합물(化合物)이라 한다.
그리고 물질을 구성하는 원자나 분자도 질량을 갖지만 크기가 아주 작으므로 단위로 표시할 수가 없다. 자연에 존재하는 원소의 동위원소들을 구성비에 따라 가중한 평균 질량수를 원자량(atomic weight)이라고 한다. 즉, 한 원소의 원자를 특정한 수로 기준을 삼아, 나머지는 이 기준에 대한 상대적인 값으로서 표시하며, 현재 사용하는 국제원자량은 탄소의 동위원소 중 탄소12(12C)를 기준으로 하여 이것을 원자량 12로 정한다.
한편, 분자량(molecular weight(mass)은 분자의 질량을 나타내는 양으로 분자를 구성하는 모든 원자들의 원자량 값을 더해서 계산하므로 어떤 분자의 분자식을 알고 구성원자의 원자량을 알면 그 분자의 분자량을 구할 수 있다.
이 같은 방법으로 산소분자의 분자량을 구하면, 화학식이 O2라는 것과 원자량이 16이라는 것을 알고 있으므로 산소의 분자량은 32가 됨을 알 수 있으며, 마찬가지로 물(H2O) 분자는 원자량 1인 수소 두 개와 16인 산소 하나로 구성되므로 18의 분자량을 가지게 된다.
2. 화학방정식(Chemical equation)
화학반응에서 처음에 존재하는 물질을 반응물(reactor)이라하며, 변화에 의하여 생긴 물질을 생성물(product)이라고 한다. 즉, 화학반응에서 반응물질과 생성물질 및 그들 간의 양적관계를 나타내는 등식을 화학방정식(化學方程式)이라 하며, 예를 들면 수소와 산소의 결합반응은 2H2+O2 ➡ 2H2O로 나타내고, 2mol의 수소와 1mol의 산소에서 2mol의 물이 생기는 것을 의미하고 있다.
질량불변의 법칙에 의하면 생성물의 총 질량은 반응물의 총 질량과 같다. 정해진 조건에서 정해진 반응물 사이에 반응이 일어날 때 항상 같은 생성물이 얻어지며, 일정량의 반응물로부터 생성되는 생성물의 양도 예측할 수 있다. 이와 같이 반응물과 생성물의 종류가 확정되면 그 반응에 관하여는 물질의 양과 종류도 간단히 기호로 표시할 수 있는데 이것이 화학방정식이다.
예로서 기체 탄화수소인 에탄(C₂H₆)을 공기 중의 산소와 반응시키면 두 가지 물질이 생성되는데 하나는 기체(CO₂)이며, 또 하나의 생성물인 물은 25℃, 1기압에서 액체이므로, 이것을 식으로 표기하면 다음과 같다.
화학방정식은 반응을 이루는 각 종류의 원자에 대해 화살표의 양쪽에 같은 수의 원자가 존재할 때 평형을 이루었다고 하며, 일반적으로 평형방정식을 구하기 위해서 가장 작은 양의 정수를 사용한다.
3. 몰(mole)과 몰농도(molarity)
국제계량단위계에 의한 7가지 기본단위 중에서 물질의 양을 나타내는 계량단위로 1몰은 원자량의 기준에 따라 탄소의 질량수 12인 동위원소 12C의 12g 중에 포함되는 원자의 수, 즉 아보가드로수와 같다. 이에 해당하는 6.02×1023 물질입자(원자·분자·자유라디칼·이온·전자)를 포함하는 물질의 집단을 1몰로 정의하며, 그 기호는 mol이다.
예를 들면 암모니아는 분자식 NH₂이므로 질소 N의 원자량은 14, 수소 3원자의 원자량은 3으로 그 합은 17로 된다. 또, 물의 분자식은 H₂O이므로 수소 2원자의 원자량은 2이며, 산소 원자량은 16, 그 합은 18로 되고 물 분자량은 18이다. 또 산소 1분자mol은 산소 2원자mol과 같으며, 메탄(NH4) 1분자mol 안에서 수소 4원자 mol 즉, 수소원자 4×6×10²³개가 들어 있는 셈이다.
몰농도는 용액 1리터에 녹아있는 용질의 몰수로 나타내는 농도로 mol/ℓ 또는 M으로 표시하며, 1M은 1mol/L에 해당한다. 용액의 몰농도를 계산하려면 용질의 몰수를 구해야 하며, 이를 위하여 용질의 질량과 용질의 화학식량을 알아야 한다. 1몰(그램분자)은 물질의 분자량에 g을 붙인 질량이기 때문에, 분자량 58인 NaCl이 1ℓ의 물속에 58g 녹아 있는 경우의 몰 농도는 1mol/ℓ이다.
염화나트륨 5.85g이 용해된 용액의 부피가 100㎖일 때, 이 용액의 몰농도를 구하면, 5.85÷58.5=0.1mol이 되며, 0.1M의 수산화나트륨 100㎖가 필요하다면 필요한 용질의 몰수(용액의 몰농도)×(용액의 부피)는 0.01mol(=0.1M×0.1L)이다. 이를 질량으로 환산하면 0.4g(=0.01mol×40g/mol)이므로 여기에 증류수 30~40㎖를 섞어 용해시킨 다음 증류수를 추가하여 전체 용액의 부피가 100㎖가 되도록 한다.
중략...
월간 에너지관리 2026년 4월호 게재
최재영 한국폴리텍 정수캠퍼스 교수(건축기계설비기술사, 공조냉동기계기술사)
제1장 물리와 화학의 기초
1-2 화학의 기초
1. 원자(량)와 분자(량)
모든 물체는 원자(原子)와 분자(分子)라는 미립자의 집합에 의해 이루어지며, 동일 종류만의 원자로 구성되어 있는 물질을 원소 또는 원자라 하고, 더 이상 세분할 수 없는 미립자이다. 원자의 구성은 원자핵과 그 주위를 회전하는 전자로 이루어지나 다른 종류의 원자와 결합하여 여러 가지 물질의 분자를 구성한다.
어느 물질의 성질을 갖는 최소입자를 그 물질의 분자라 하며, 기계적인 방법으로는 더 이상 나눌 수 없는 입자지만 화학적인 방법으로는 몇 개 또는 몇 종류의 원자로 나눌 수 있다. 즉, 분자는 원자가 화학적으로 결합한 것으로 물질은 이들 분자의 집합체이다.
또한, 산소분자나 수소분자와 같이 동일 종류의 원자 결합으로 한 개의 분자가 구성된 것을 단체라 하고, 물 분자나 프로판 분자와 같이 다른 종류의 원자 결합으로 분자가 구성된 것을 화합물(化合物)이라 한다.
그리고 물질을 구성하는 원자나 분자도 질량을 갖지만 크기가 아주 작으므로 단위로 표시할 수가 없다. 자연에 존재하는 원소의 동위원소들을 구성비에 따라 가중한 평균 질량수를 원자량(atomic weight)이라고 한다. 즉, 한 원소의 원자를 특정한 수로 기준을 삼아, 나머지는 이 기준에 대한 상대적인 값으로서 표시하며, 현재 사용하는 국제원자량은 탄소의 동위원소 중 탄소12(12C)를 기준으로 하여 이것을 원자량 12로 정한다.
한편, 분자량(molecular weight(mass)은 분자의 질량을 나타내는 양으로 분자를 구성하는 모든 원자들의 원자량 값을 더해서 계산하므로 어떤 분자의 분자식을 알고 구성원자의 원자량을 알면 그 분자의 분자량을 구할 수 있다.
이 같은 방법으로 산소분자의 분자량을 구하면, 화학식이 O2라는 것과 원자량이 16이라는 것을 알고 있으므로 산소의 분자량은 32가 됨을 알 수 있으며, 마찬가지로 물(H2O) 분자는 원자량 1인 수소 두 개와 16인 산소 하나로 구성되므로 18의 분자량을 가지게 된다.
2. 화학방정식(Chemical equation)
화학반응에서 처음에 존재하는 물질을 반응물(reactor)이라하며, 변화에 의하여 생긴 물질을 생성물(product)이라고 한다. 즉, 화학반응에서 반응물질과 생성물질 및 그들 간의 양적관계를 나타내는 등식을 화학방정식(化學方程式)이라 하며, 예를 들면 수소와 산소의 결합반응은 2H2+O2 ➡ 2H2O로 나타내고, 2mol의 수소와 1mol의 산소에서 2mol의 물이 생기는 것을 의미하고 있다.
질량불변의 법칙에 의하면 생성물의 총 질량은 반응물의 총 질량과 같다. 정해진 조건에서 정해진 반응물 사이에 반응이 일어날 때 항상 같은 생성물이 얻어지며, 일정량의 반응물로부터 생성되는 생성물의 양도 예측할 수 있다. 이와 같이 반응물과 생성물의 종류가 확정되면 그 반응에 관하여는 물질의 양과 종류도 간단히 기호로 표시할 수 있는데 이것이 화학방정식이다.
예로서 기체 탄화수소인 에탄(C₂H₆)을 공기 중의 산소와 반응시키면 두 가지 물질이 생성되는데 하나는 기체(CO₂)이며, 또 하나의 생성물인 물은 25℃, 1기압에서 액체이므로, 이것을 식으로 표기하면 다음과 같다.
화학방정식은 반응을 이루는 각 종류의 원자에 대해 화살표의 양쪽에 같은 수의 원자가 존재할 때 평형을 이루었다고 하며, 일반적으로 평형방정식을 구하기 위해서 가장 작은 양의 정수를 사용한다.
3. 몰(mole)과 몰농도(molarity)
국제계량단위계에 의한 7가지 기본단위 중에서 물질의 양을 나타내는 계량단위로 1몰은 원자량의 기준에 따라 탄소의 질량수 12인 동위원소 12C의 12g 중에 포함되는 원자의 수, 즉 아보가드로수와 같다. 이에 해당하는 6.02×1023 물질입자(원자·분자·자유라디칼·이온·전자)를 포함하는 물질의 집단을 1몰로 정의하며, 그 기호는 mol이다.
예를 들면 암모니아는 분자식 NH₂이므로 질소 N의 원자량은 14, 수소 3원자의 원자량은 3으로 그 합은 17로 된다. 또, 물의 분자식은 H₂O이므로 수소 2원자의 원자량은 2이며, 산소 원자량은 16, 그 합은 18로 되고 물 분자량은 18이다. 또 산소 1분자mol은 산소 2원자mol과 같으며, 메탄(NH4) 1분자mol 안에서 수소 4원자 mol 즉, 수소원자 4×6×10²³개가 들어 있는 셈이다.
몰농도는 용액 1리터에 녹아있는 용질의 몰수로 나타내는 농도로 mol/ℓ 또는 M으로 표시하며, 1M은 1mol/L에 해당한다. 용액의 몰농도를 계산하려면 용질의 몰수를 구해야 하며, 이를 위하여 용질의 질량과 용질의 화학식량을 알아야 한다. 1몰(그램분자)은 물질의 분자량에 g을 붙인 질량이기 때문에, 분자량 58인 NaCl이 1ℓ의 물속에 58g 녹아 있는 경우의 몰 농도는 1mol/ℓ이다.
염화나트륨 5.85g이 용해된 용액의 부피가 100㎖일 때, 이 용액의 몰농도를 구하면, 5.85÷58.5=0.1mol이 되며, 0.1M의 수산화나트륨 100㎖가 필요하다면 필요한 용질의 몰수(용액의 몰농도)×(용액의 부피)는 0.01mol(=0.1M×0.1L)이다. 이를 질량으로 환산하면 0.4g(=0.01mol×40g/mol)이므로 여기에 증류수 30~40㎖를 섞어 용해시킨 다음 증류수를 추가하여 전체 용액의 부피가 100㎖가 되도록 한다.
중략...
월간 에너지관리 2026년 4월호 게재