개념 한 쪽
화공양론은 질량, 몰수, 몰비를 이용해 반응물과 생성물의 양을 정량화하는 기초지식이다. 농도와 기체부피, 생성량 계산, 제한반응물과 수율 개념을 바탕으로 공정 문제를 해석한다.
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출제기준 단원 「화공양론」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 중량% 용액의 몰분율·노르말농도 계산 | 1 | 주어진 중량%와 밀도로부터 몰분율 및 노르말농도를 구하기 |
| 반응 속도와 계수비 변환 | 1 | 반응식 계수비로 생성속도에서 소비속도로 변환하기 |
| 질량→몰→기체부피 계산 | 1 | 고체 질량을 몰수로 환산하여 이상기체법칙으로 부피 계산하기 |
화학양론 문제는 먼저 질량을 몰수로 전환하는 과정에서 출발한다. 물질의 질량을 해당 분자량이나 원자량으로 나누어 몰수를 구하고, 반응식의 계수비를 이용해 다른 물질의 몰수나 생성량을 계산한다는 원리를 적용한다.
용액 관련 지표는 서로 다른 정의를 가진다. 질량백분율로 주어진 용액에서는 전체 질량에서 용질과 용매의 질량을 분리한 뒤 몰수로 환산하여 몰분율을 구한다. 노르말농도는 용액 1L당 해당 물질의 당량수(그램당량)를 의미하며, 단순한 이온화의 경우 분자량과 당량수가 같다는 점을 이용한다.
기체 관련 문제는 몰수와 이상기체 상태방정식을 연계하여 해결한다. 고체 또는 액체의 분해·증발로 생성되는 기체의 몰수는 반응식과 분자량으로 결정되며, 생성된 기체의 부피는 V = nRT/P를 이용해 온도와 압력을 통일한 단위로 계산한다. 표준상태에서는 1몰이 22.4L라는 실무적 치환을 사용하여 빠르게 부피를 구할 수 있다.
반응에서 실제 생성량과 이론 생성량의 비율이 수율이며, 제한반응물(제한시약)을 먼저 판별한 뒤 이론량을 계산하여 수율을 산정한다. 또한 반응 속도나 흐름 문제에서는 반응식의 계수비를 속도 변환에 그대로 적용하여 소비·생성 속도를 상호 변환할 수 있다.
문제 풀이의 공통 절차는 다음과 같다. 1) 주어진 질량 또는 농도를 몰수로 환산한다. 2) 반응식의 계수비를 이용해 관련 물질의 몰수 또는 부피를 계산한다. 3) 필요 시 상태방정식이나 표준상태 치환을 적용하여 부피나 농도를 산출한다. 이 절차를 일관되게 적용하면 대부분의 화공양론 문제가 해결된다.
예1) CH4 + H2O → CO + 3H2 반응에서 H2 생성속도가 6 mol/h일 때 CH4 소비속도 계산 절차는 다음과 같다. 반응식의 계수비에서 CH4 : H2 = 1 : 3이므로 CH4 소비속도 = H2 생성속도 ÷ 3 = 6 ÷ 3 = 2 mol/h가 된다.
예2) CaCO3 200 kg을 완전히 하소하여 발생하는 CO2 부피 계산 절차는 다음과 같다. CaCO3 200,000 g을 분자량 100 g/mol로 나누어 몰수 n = 2000 mol을 얻고, 생성된 CO2도 2000 mol이 된다. 이상기체 상태방정식 V = nRT/P에 절대온도 298 K와 적절한 압력(예: 문제에서 주어진 740 mmHg를 760으로 나눈 값)을 대입하여 V를 계산한다.
20wt%소금수용액의 밀도가 10℃에서 1.20g/mL 이다. 소금의 몰분율과 노르말농도는 각각 얼마인가? (단, NaCl 분자량은 58이다.)
정답 ③ · 20wt% 소금수용액 1L(1000g)에는 NaCl 200g(약 3.45mol)과 물 800g(약 44.4mol)이 있습니다. NaCl의 몰분율은 3.45 / (3.45 + 44.4) ≒ 0.072가 됩니다.
몰분율은 용질 몰수÷전체 몰수, 노르말농도는 그램당량수÷용액부피로 계산한다.
[CH4+H2O→CO+3H2] 반응에서 수소생성속도는 6mol/h 이다. 메탄이 수증기와 반응하여 일산화탄소와 수소를 정상적으로 생성시킬 때 메탄의 소비속도(mol/h)는?
정답 ④ · 주어진 반응식 CH4 + H2O → CO + 3H2 에서 화학 양론 계수를 확인합니다. 수소(H2)의 계수가 3이므로, 3몰의 수소가 생성될 때마다 1몰의 메탄(CH4)이 소비됩니다.
분자량 119인 화합물을 분석한 결과 질량%로 C 70.6%, H 4.2%, N 11.8%, O 13.4%이었다면 분자식은?
정답 ④ · 주어진 질량 백분율을 원자량으로 나누어 몰수비를 구합니다. C: 70.6/12=5.88, H: 4.2/1=4.2, N: 11.8/14=0.84, O: 13.4/16=0.84 로 최소 정수비는 C7H5NO가 됩니다.
질량백분율을 원자량으로 나누어 몰수비를 구한 후 분자량과 비교한다.
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