화학 반응의 규칙과 에너지 변화

 

“물질의 형태는 변화하지만, 화학 반응 전 물질의 질량과 반응 후 생성되는 물질의 질량은 변하지 않는다” 화학을 사랑하는 여러분이라면 이미 눈치채셨겠죠? 바로 질량보존의 법칙입니다. 

지난 3월 우리는 ‘근대 화학의 아버지’ 라부아지에(Lavoisier)의 질량보존의 법칙과 함께 물리변화와 화학변화에 대해 잠시 알아보는 시간을 가졌는데요. 오늘은 물질의 변화에서 더 나아가 화학 반응의 규칙과 에너지 변화까지 알아보도록 하겠습니다.

▶물질의 변화와 질량보존의 법칙 복습하기!

[과학의 법칙] 질량보존의 법칙

 

 

01

화학 반응과 화학 반응식

   

 

물질의 변화에는 물질의 성질은 변하지 않으면서 모양이나 상태가 변하는 물리 변화와 처음 물질과 성질이 전혀 다른 새로운 물질로 변하는 화학 변화가 있다고 이전에 설명해 드렸는데요. 물질이 화학 변화를 통해 다른 물질로 변하는 것을 화학 반응이라고 합니다. 이때, 화학 반응에 참여한 물질을 반응물, 반응 후에 새롭게 만들어진 물질을 생성물이라고 하죠.

화학 반응을 나타내기 위해서 우리는 화학 반응식을 사용합니다. 화학 반응식을 나타내는 방법은 3단계로 나눌 수 있는데, 함께 알아볼까요?

먼저 왼쪽에는 반응물을, 오른쪽에는 생성물을 적어 줍니다. 그리고 이 둘 사이에 우측으로 향하는 화살표를 그려 넣죠. 반응물과 생성물이 여러 개일 때는 덧셈 부호(+)로 연결해준답니다.

이후 반응물과 생성물을 각각의 화학식으로 나타내야 하는데요. 화학식은 기호와 숫자를 이용해 물질을 나타낸 것입니다. 

마지막으로 반응 전후 원자의 종류와 개수가 같아지도록 계수를 맞춰주어야 합니다. 물질의 입자 수를 나타내는 계수는 화학 반응식에서 반응 전후 원자의 종류와 개수가 같아지도록 화학식 앞에 적는 숫자랍니다. 

 

 

02

화학 반응에 규칙이 있다?

  

 

다양하게 일어나는 화학 반응에는 몇 가지 중요한 법칙이 있습니다. 지난번에 이미 설명해 드린 ‘질량보존의 법칙’이 바로 그 대표적인 예이죠. 오늘은 질량보존의 법칙 이외에 다른 법칙을 알아볼 텐데요. 그중 하나가 바로, 1799년 프랑스의 프루스트(Proust)가 처음 발견한 ‘일정 성분비 법칙’입니다.

두 가지 이상의 원소가 결합하여 생성된 ‘하나의 화합물을 구성하는 원소들의 질량비는 항상 일정하다’라는 법칙이 바로 ‘일정 성분비 법칙’입니다. 어떤 화합물을 구성하는 성분 원소들의 사이에는 일정한 비율이 있다는 뜻이죠. 원자는 그 종류에 따라 일정한 질량이 있는데, 질량이 일정한 원자가 일정한 개수의 비율로 결합하기 때문입니다.

이해가 쉽도록 물의 합성 반응을 예시로 살펴보겠습니다. 물은 수소와 산소로 이루어져 있는데요. 물의 분자를 살펴보면 수소 원자 2개와 산소 원자 1개로 구성되어 있습니다. 따라서 물 분자를 이루는 원자의 개수는 2:1의 비율이라고 할 수 있죠. 

이제 물 분자를 이루는 수소와 산소의 질량비를 알아볼까요? 질량비를 알아보기 위해서는 먼저 각 원자의 질량을 알아야겠죠! 수소의 질량은 1g, 산소의 질량은 16g입니다. 물 분자는 앞서 말씀드렸다시피 수소 원자 2개와 산소 원자 1개로 이루어져 있으므로 수소는 총 2g(1g x2), 산소는 16g(16g x1)의 질량이 됩니다. 즉 2:16의 비율이 되는 것이죠. 비율을 적을 때에는 가장 간단한 정수로 나타내기 때문에 수소와 산소는 1:8의 질량비로 결합한다고 할 수 있습니다.

여기서 잠깐! 소금물과 같이 혼합 비율에 따라 여러 농도를 만들 수 있는 혼합물은 물질이 섞이는 비율이 일정하지 않습니다. 따라서 일정 성분비 법칙이 성립하지 않는다는 점, 기억해주세요.

 

 

03

반응물과 생성물이 기체일때만 성립하는, 기체 반응 법칙

   

 

화학 반응의 또 다른 법칙으로는 1808년, 프랑스의 게이뤼삭(Gay-Lussac)이 발견한 ‘기체 반응 법칙’이 있습니다. ‘일정한 온도와 압력에서 기체들이 반응하여 새로운 기체가 형성될 때, 각 기체의 부피 사이에는 간단한 정수비가 성립한다’라는 법칙이죠.

예를 들어 수소와 산소가 반응하여 수증기를 생성할 때, 수소 분자 두 개와 산소 분자 한 개가 만나 두 개의 수증기 분자를 만듭니다. 즉, 반응물과 생성물인 수소:산소:수증기의 계수비는 2:1:2가 되는 것이죠. 

기체 분자들은 종류나 그 크기에 상관없이 일정한 온도와 압력이라는 조건 아래 분자 한 개가 차지하는 부피는 모두 같습니다. 따라서 기체의 부피비는 분자 수의 비와 같고, 분자 수의 비는 화학 반응식의 계수비와 같죠. 그러므로 수소와 산소가 반응해서 수증기를 만들 때의 부피비는 앞서 알아본 계수비와 같이 2:1:2가 된답니다! 

 

 

04

화학 반응과 에너지 변화

   

 

화학 반응이 일어날 때는 에너지 변화가 일어납니다. 이는 에너지를 방출하거나 흡수한다는 뜻이죠. 에너지를 방출하는 반응을 발열 반응이라고 하고, 반대로 에너지를 흡수하는 반응을 흡열 반응이라고 합니다.

발열 반응이 일어날 때는 에너지를 방출하기 때문에 주변 온도가 높아집니다. 발열 반응의 예시로는 공기 중 산소와 반응하여 에너지를 방출하는 연소 반응과, 염산과 수산화 나트륨 수용액이 반응하여 에너지를 뿜어내는 산과 염기의 반응 등이 있죠.

흡열 반응이 일어날 때는 발열 반응이 일어날 때와 반대로 에너지를 흡수하기 때문에 주변의 온도가 낮아집니다. 식물이 엽록체에서 포도당을 합성하는 광합성이 흡열 반응의 예시랍니다.


오늘은 한화토탈에너지스의 블로그 지기와 함께 화학 반응의 기본부터 에너지 변화까지 알아보았는데, 어떠셨나요? 부디 많은 도움이 되었기를 바라며, 다음에도 화학 지식 가득 담은 콘텐츠로 돌아오겠습니다.

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종합 케미칼 & 에너지 리더,

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