개념 한 쪽
위험물기능장 유기화합물의 특성 — 분자량 계산과 수소결합
유기화합물의 특성은 분자량과 분자 사이의 힘으로 읽는다. 표준상태의 부피와 질량으로 분자량을 구하고, 혼합 기체의 평균분자량을 계산하며, 수소결합을 하는 분자인지 가르는 일이 그 출발점이다. 여기에 연소에 필요한 공기량과 금속의 성질이 더해진다.
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뜻
분자량은 표준상태에서 기체 1몰이 22.4리터를 차지한다는 사실로 구한다. 질량과 부피가 주어지면 1몰에 해당하는 부피일 때의 질량으로 환산하는 비례식을 세운다. 산소 40퍼센트와 질소 60퍼센트로 이루어진 혼합 기체라면 산소의 분자량 32에 0.4를, 질소의 분자량 28에 0.6을 곱해 더한 29.6이 평균분자량이 된다. 온도와 압력이 표준상태와 다르면 이상기체 상태방정식을 써서 몰수를 먼저 구한다. 70도, 130밀리미터수은주에서 1리터의 질량이 대략 0.17그램인 기체는 분자량이 약 28로 계산되어 질소와 맞는다.
연소에 필요한 공기량은 반응식의 부피비에서 나온다. 메탄의 연소 반응식은 CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O이므로 메탄 1리터에는 산소 2리터가 필요하다. 공기 중 산소가 21퍼센트이므로 2를 0.21로 나눈 약 9.5리터가 공기 요구량이 된다.
분자 사이의 힘은 수소결합으로 갈린다. 수소가 불소, 산소, 질소처럼 전기음성도가 큰 원자와 직접 결합할 때 수소결합이 생긴다. HF, NH3, H2O가 그 경우이고, CH3F는 불소가 수소가 아닌 탄소와 결합해 있어 분자 사이의 수소결합을 하지 않는다.
물질의 성질과 확인 반응도 함께 나온다. 크산토프로테인 반응은 질산이 단백질의 티로신이나 트립토판 같은 방향족 아미노산과 반응해 노란색 니트로 화합물을 만드는 현상이며, 황산이나 과염소산, 인산수소암모늄은 이 발색 반응을 일으키지 않는다. 리튬은 은백색 금속 가운데 가장 가벼우면서 물과 반응해 수소를 발생시키고, 알루미늄은 표면의 산화피막 때문에 물과 쉽게 반응하지 않는다. 과산화바륨은 알칼리토금속의 과산화물로서 비중이 약 4.96, 융점이 약 450도인 비교적 안정한 물질이다.
몰과 분자 수의 관계도 계산 문제로 이어진다. 염화수소의 몰질량은 약 36.5그램이므로 3.65킬로그램은 3650그램을 36.5로 나눈 100몰이 된다. 1몰에 아보가드로 수만큼의 분자가 들어 있으므로 분자 수는 100에 6.02 곱하기 10의 23제곱을 곱한 값이 된다. 염소의 산화수는 HClO2에서 +3이고, HClO는 +1, HClO3는 +5, HClO4는 +7이다.
예제
선지 판단은 기준 부피와 결합 상대에서 갈린다. 표준상태라는 조건을 빼놓고 질량과 부피를 그대로 나누면 평균분자량이 어긋나고, 혼합 기체에서 각 성분의 분자량에 몰분율을 곱하지 않으면 29.6에 이르지 못한다. 메탄 1리터에 산소 2리터가 필요하다는 반응식의 비를 무시하고 공기량을 그대로 2리터로 적는 것도 틀린다. 수소결합을 판단할 때 분자 안에 불소가 있는지만 보고 CH3F를 수소결합 물질로 분류하면 결합 상대를 놓친 답이 된다. 크산토프로테인 반응을 황산이나 과염소산으로 설명하는 것도 질산의 니트로화 반응을 다른 산에 옮긴 오류다.
자주 묻는 물음
- 혼합 기체의 평균분자량은 어떻게 계산하나요?
- 각 성분의 분자량에 그 성분의 비율을 곱해 더합니다. 산소 40퍼센트와 질소 60퍼센트라면 32 곱하기 0.4에 28 곱하기 0.6을 더한 29.6이 됩니다.
- 메탄 1리터를 태우는 데 필요한 공기는 몇 리터인가요?
- 반응식 CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O에 따라 산소 2리터가 필요하고, 공기 중 산소가 21퍼센트이므로 2를 0.21로 나눈 약 9.5리터가 됩니다.
- CH3F는 왜 분자간 수소결합을 하지 않나요?
- 수소결합은 수소가 불소, 산소, 질소와 직접 결합할 때 생깁니다. CH3F에서는 불소가 수소가 아닌 탄소와 결합해 있으므로 분자 사이의 수소결합이 만들어지지 않습니다.
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