중3 과학/질량 보존 법칙/일정 성분비 법칙/화학 반응식

우유가 상하면 덩어리가 생기고, 기체가 발생하는 화학 변화가 일어난다. 화학 변화가 일어날 때 질량은 어떻게 될까? 염화 나트륨 수용액과 질산 은 수용액을 섞으면 흰색 앙금이 생성되지만, 반응 전후에 질량은 변하지 않는다. 즉, 앙금이 생기는 화학 반응이 일어날 때 반응물질의 총 질량과 생성물질의 총 질량은 같다.

달걀 껍데기와 염산을 반응시키면 달걀 껍데기의 주성분인 탄산 칼슘이 염산의 염화 수소와 반응하여 기체가 발생한다. 이 반응이 밀폐된 용기 안에서 일어나면 반응 전후에 질량이 변하지 않는다. 즉, 기체가 발생하는 화학 반응이 일어날 때 반응물질의 총 질량과 생성물질의 총 질량은 같다. 그러나 용기의 뚜껑을 열면 반응 전보다 질량이 작게 측정되는데, 이는 발생한 기체가 공기 중으로 빠져나가기 때문이다. 화학 반응 전후에 물질의 총 질량이 변하지 않는 이유는 무엇일까? 반응물질을 이루는 원자의 종류 및 개수는 생성물질을 이루는 원자의 종류 및 개수와 같다. 즉, 화학 반응이 일어날 때 물질을 이루는 원자의 배열은 달라지더라도 원자의 종류 및 개수는 변하지 않으므로 물질의 총 질량은 변하지 않는다.라부아지에는 다양한 반응에서 반응물질과 생성물질의 질량을 측정하는 실험을 통해‘반응물질의 총 질량과 생성물질의 총 질량은 같다. 즉, 반응 전후에 질량이 변하지 않는다.’는 사실을 발견하였는데, 이를 질량 보존 법칙이라고한다.우리 주변에는 반응 전후에 질량이 변하는 것처럼 보이는 현상도 있다. 예를 들어, 나무가 연소되고 남은 재는 나무보다 질량이 작다. 이는 나무가 연소될 때 이산화 탄소와 수증기가 생성되어 공기 중으로 날아가기 때문이다. 반면, 강철솜이 연소되어 생성된 산화 철(Ⅱ)은 강철솜보다 질량이 큰데, 이는 강철솜이 연소될 때 강철솜의 철과 공기 중의 산소가 결합하기 때문이다. 이처럼 반응 전후에 질량이 변하는 것처럼 보이는 현상도 반응물질과 생성물질을 모두 고려하면 반응 전후에 질량이 변하지 않음을 알 수 있다. 따라서 화학반응이 일어날 때는 항상 질량 보존 법칙이 성립한다.

여러 가지 부품을 결합하여 자동차를 만드는 것처럼 화합물도 반응물질을 이루는 여러 종류의 원자가 화합하여 생성된다.아이오딘화 칼륨 수용액에 질산 납 수용액을 넣으면 노란색 앙금인 아이오딘화 납이 생성된다. 이때 넣어 주는 질산 납 수용액의 양이 증가함에 따라 생성되는 앙금의 양도 증가하는데, 어느 순간 앙금의 양이 더 이상 증가하지 않는다. 이러한 현상이 나타나는 이유는 무엇일까? 아이오딘화 칼륨 수용액보다 넣어 주는 질산 납 수용액의 양이 적을 때는 용액 속에 아이오딘화 이온이 충분하므로 납 이온은 모두 반응하여 앙금을 생성하고, 아이오딘화 이온이 남는다. 반면, 아이오딘화 칼륨 수용액보다 넣어 주는 질산 납 수용액의 양이 많을 때는 아이오딘화 이온은 모두 반응하여 앙금을 생성하고, 납 이온이 남는다. 즉, 용액 속 아이오딘화 이온이 모두 반응하면 넣어 주는 질산 납 수용액의 양이 증가해도 앙금의 양은 더 이상 증가하지 않는다. 이처럼 아이오딘화 이온과 납 이온은 일정한 개수비로 결합한다. 따라서 아이오딘화 납이 생성될 때 반응하는 아이오딘과 납 사이에는 일정한 질량비가 성립한다.마그네슘을 연소시키면 공기 중의산소와 결합하여 산화 마그네슘이 생성되는데, 연소 시키는 마그네슘의 질량이 커질수록 결합하는 산소의 질량도 비례하여 커진다. 즉, 산화마그네슘이 생성될 때 반응하는 마그네슘과 산소 사이에는 일정한 질량비가 성립한다. 이는 마그네슘 원자와 산소 원자가 항상일정한 개수비로 결합하여 산화 마그네슘을 생성하기 때문이다.프루스트는 다양한 화합물에 대한 연구를 통해‘화합물을 구성하는 성분원소 사이에는 일정한 질량비가 성립한다.’는 사실을 발견하였는데, 이를 일정 성분비 법칙이라고 한다. 물질에서 일정 성분비 법칙이 성립하는가의 여부는 혼합물과 화합물을 구분하는 중요한 기준이 된다. 혼합물은 성분 물질이 섞이는 비율이 일정하지 않으므로 일정 성분비 법칙이 성립하지 않지만, 화합물은 성분 물질을 이루는 원자가 일정한 개수비로 결합하기 때문에 항상 일정 성분비 법칙이 성립한다.

지금까지 살펴본 것처럼 질량 보존 법칙과 일정 성분비 법칙은 원자를 이용하면 쉽게 설명할 수 있다. 돌턴은 질량 보존 법칙과 일정 성분비 법칙을 설명하기 위해 원자설을 제안하였다. 즉, 화학 반응이 일어날 때 물질의 질량 사이에 규칙성이 존재한다는 사실은 물질이 입자로 이루어져 있음을 받아들이는 근거가 되었다.

화학 반응을 글로 쓰면 설명이 길어질 수 있고, 모형으로 표현하면 복잡한화학 반응을 나타내기 어렵다. 그러나 화학식을 이용하면 복잡한 화학 반응도 간단하게 나타낼 수 있다. 화학식을 이용하여 화학 반응을 나타낸 것을 화학 반응식이라고 한다.화학 반응에서 질량 보존 법칙이 성립하므로 화학 반응식을 나타낼 때는 화살표 양쪽의 원자의 종류와 개수가 같게 반응물질과 생성물질의 계수를 맞춘다. 화학 반응식의 계수를 통해 화학 반응에서 물질의 입자 수 변화를 알 수 있다. 물의 분해 반응을 나타낸 화학 반응식에서 계수는 분자수와 같으므로 물 분자 2개가 분해되면 산소 분자 1개와 수소 분자 2개가 생성됨을 알 수 있다. 즉, 화학 반응식에서 계수비는 분자 수비와 같다.수증기가 생성되는 반응에서 반응물질과 생성물질의 부피비는 화학 반응식의 계수비와 같다. 이는 온도와 압력이 같을 때 모든 기체는 같은 부피 속에 같은 개수의 분자가 들어 있어 부피비와 분자 수비가 같기 때문이다.이처럼 화학 반응식의 계수를 통해 화학 반응에서 반응물질과 생성물질의 분자 수비를 알 수 있으며, 반응물질과 생성물질이 모두 기체인 경우에는 부피비도 알 수 있다.