시리즈:화포자도 쉽게 알 수 있는 화학/총론

화학 반응에서의 질량 관계

원자 질량

평균 원자 질량 계산. 수소는 1이며, 2번부터 20번까지의 원소들은 원자량이 "원자번호 × 2"의 법칙이 대체로 맞아들어간다. 물론 정확한 법칙은 아니지만 대체로 이렇다는 것.(염소에서 뽀록나긴 한다) 통상 고등학교 수준에서는 이 정도까지만 알아두면 통밥굴려서 문제를 푸는데는 지장이 없을 것이다. 그리고 어지간한 문제에서는 원자량이 얼마인지 표기되니 걱정하지 말자.

여담으로 원자량은 1몰당 그램수인데 기준은 탄소원자 1몰의 질량을 12g으로 정의하는 것에서 시작한다. 고교 과정이든 대학 기초화학과정이든 적어도 수소와 산소, 탄소, 질소 정도의 원자량은 외워두자. 수소는 1이고 나머지는 원자번호의 2배수가 원자량이므로 외우기도 쉽다. 왜 이 원소들을 따로 예기하냐면, 화학2 과정에서도 유기화합물까지 들어가 봐야 저 원자량을 계산하는 문제들은 원소들이 거의 전부이기 때문이다.(물론 언제든지 뒤통수를 맞을 수 있기 때문에 저것만 다 외웠다고 안심하지 말자)

아보가드로 수와 원소의 몰질량

일단 이 숫자는 무조건 외워두는 게 속이 편하다. 무슨 소리인고 하니 기체 1몰당 들어가는 분자의 숫자는 6.02×10²³개라는 소리이다. 분자량이 얼마이건, 분자를 구성하고 있는 원자의 수가 몇개이건 그건 전혀 상관없다 일단 기체물질이기만 하다면 그게 단원자 분자이건, 이원자분자이건, 다원자 분자이건 기체 1몰에 해당하는 분자의 개수는 무조건 저것이며, 부피비도 여기에 동일하게 적용된다. 즉, 기체간의 반응식에서 몰의 비율 = 기체의 부피비율이 되기 때문에 반응 이후 부피상태를 쉽게 유추할 수 있다. 예를 들어 수소와 산소가 만나 물이 되는 화학 반응식을 살펴보면 2H₂(g) + O₂(g) → 2H₂O(g) 로 수소 2몰과 산소 1몰이 반응하여 물분자 2몰이 발생함을 알 수 있으며, 반응 이후의 물이 수증기라는 기체상태이므로 반응 이후의 총 부피는 3에서 2로 줄어들게 되는 것이다.

질량 분석기

원리

실험식 결정법

원수

한계 시약

한계 시약, 초과 시약

주기율표는 왜 외우나요?

대부분의 선생님들이 화학을 처음 배울 때 외우라고 하는 것이다. 학생들 입장에서는 크고 아름다운스케일에 주눅이 들게 되고, 화학을 하기 싫어지는 첫 번째 이유가 된다. 하지만 어떤 원소의 원자번호, 주기(가로줄), 족(세로줄)은 전부 중요한 성질을 가지고 있으며 그 중 1번~20번까지의 원소는 매우 자주 나오므로 외우는 게 좋다. 외우지 않으려고 해도 계속 화학을 하다 보면 외워질 수밖에 없다.

주기율표를 처음 보면 굉장히 낯설다. 1~18족(세로줄)까지의 원소가 있는데, 1번(수소)~20번(칼슘)까지의 원소는 1, 2, 3, 4… 이런 식으로 배치가 된 게 아니라 1, 2, 13(!), 14,… 순으로 진행된다(미국식 표기라면 1A~8A, 1B~8B얘들도 순서 되게 이상하다로 되어 있을 것이다). 그리고 밑에는 58~71번, 90~103번까지의 원소가 이상하게 따로 분리되어 있다. 일단 가장 거슬리는 건 2족과 13족 사이의 텅 빈 공간이다.

주기율표를 외울 때는 아무 의미가 없어 보여도, 나중에 화학을 배워나갈수록 배치나 숫자 하나하나가 중요한 의미를 담고 있다는 걸 알게 된다. 주기율표가 왜 저런 모양인지도 알 수 있다. 이런 걸 알아가는 것도 화학의 재미라고 볼 수 있다. 더 자세한 내용은 뒤에 나올 주기율표 항목에서 설명한다.

이 세상에 원소가 118개밖에 없다는 걸 어떻게 알아요?

'이 지구상에 있는 원소는 118개 뿐이다'라는 말을 들으면 반감이 생길 것이다. "아니, 이 우주가 얼마나 넓은데, 우리 인간이 아직 발견 못 한 원소가 있을지도 모르잖아요?"라는 의문이 들 것이다. (한글자모도 24개로 다 말하는데 뭐가 이상하단거야!)

일단 지금 계속해서 새로운 원소가 발견되는 중인 것은 맞다. 하지만, 새로 발견된 원소는 인공적으로 만들어진것들이며, 납을 기준으로 그 위의 원소들은 상대적으로 안정도가 떨어진다. 이렇게 안정도가 떨어지는 가장 큰 이유는 중성자와 양성자의 비율을 맞추기 힘들어지기 때문이다. 양성자끼리는 서로 반발하고 중성자는 상대적으로 쉽게 이탈할 수 있기 때문에 중성자와 양성자의 수가 많으면 극도로 불안정해진다. 이 이상 파고들면 물리학의 영역이다 현재 인공적으로 합성된 많은 원소들은 단 몇초만에 혹은 몇 밀리초만에 소멸해버리므로 이들을 기초로 하여 더 큰 원자량을 가진 원소들의 생성확률은 더더욱 낮다고 생각을 할 수 있다.

매우 안정된 중성자와 양성자의 조합을 매직 넘버라고 하는데, 현재까지 이 조합에 속하는 원소로 알려진것은 헬륨, 산소, 칼슘, 니켈, 주석, 납 등이다. 이 다음으로는 운비헥슘이라고 불리우는 원소가 여기에 속했다고 알려져 있다. 하지만, 아직까지 만드는데 성공을 하지 못했고 당연히 그 조건이 매우 까다롭기 때문에 쉽게 발견하긴 힘들 것이다. 잊지 말자. 과학은 발견을 하는 학문이지, 이게 절대적이라고 선을 긋는 학문이 아니다.

주기율표 외우는 방법.

대부분의 암기법은 1~20번 원소까지만 나와 있다. 그 이상은 이 단계에서 외울 필요가 없기 때문이다. 단, 원자번호에 상관없이 1족(알칼리 금속), 2족(알칼리 토금속), 17족(할로젠), 18족(비활성 기체)는 외워 두면 가끔 유용하다. 이것들도 나중에는 자주 봐서 외워지게 된다. 칼륨과 칼슘의 순서는 헷갈리니 조심할 것.대학 오면 칼륨이 포타슘으로 둔갑해서 더 머리아파진다

H(수소) He(헬륨) Li(리튬) Be(베릴륨) B(붕소) C(탄소) N(질소) O(산소) F(플루오린) Ne(네온) Na(나트륨/소듐) Mg(마그네슘) Al(알루미늄) Si(규소(실리콘)) P(인) [S(황) Cl(염소) Ar(아르곤) K(칼륨/포타슘) Ca(칼슘)

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• 수헤리베붕탄질산불네나마알실인황염알곤크카 : 이건 좀 옛날 방식이다. 플루오린을 불소라고 하기도 하기 때문. 원소기호의 발음에 초점을 맞춘 것이다.
• 흐헤 리베비씨노프네 남극알십스클라 크카 : 원소기호를 영어로 3번부터 20번까지 쭉 읽은 것으로 문자 하나가 원소 하나에 대응되지 않는다.
• 수리나칼 베마칼 붕알갈 탄규게 질인비 산황셀 플염브 헬네아크 : 족 단위로 암기하는 방법.

그 외 더 많은 암기법은 추가바람

여담

Na은 나트륨이라고도, 소듐이라고도 읽는다. 대학교 가면 책에 죄다 소듐이라고 적혀 있어서 낯설 것이다.여기서 나이가 티가 난다 개편된 교육과정에서는 소듐, 포타슘이라고 한다 카더라 K도 칼륨, 포타슘 표기를 둘 다 쓴다. 왜 이렇게 되는지는 Na 항목과 K 항목 참고. 그리고 Si(규소)는 실리콘이라고 읽지만 우리가 흔히 아는 실리콘과 다르다!

주기율표는 힘을 들여 외울 필요가 없다. 그저 자주 사용하다가 보면, 화학을 더욱 깊게 공부하다 보면, 어느새 자신이 원자번호만 듣는다면 그 원소가 무엇인지, 위치가 어디인지, 오비탈의 바닥배치가 무엇인지, 또는 그 원자의 질량이나, 아니면 전기 친화도와 원소의 족, 반응성, 이온화 에너지와 그런 이온 결합시 어째서 다른 모습의 결합이 없는가에 대한 이유, 전기음성도, 원자가전자와 오비탈의 홀전자수와 같은 것들을 곧바로 말할 수 있다. 혹시, 주기율표를 아직도 외운다는 바보같은 생각을 가지고 있다면 묻겠다. 저기 나열된 것들을 모든 번호에 대해서 외울 수 있는가?