화학 반응의 기호 언어와 화학 방정식

이번에는 물질이 다른 물질로 변화하는 화학 반응에 대해 알아보고자 합니다. 화학적 변화를 통해 반응물이 결과 물질인 생성물을 만들어 내는 과정을 설명하기 위해서는 화학의 기호 언어와 화학 반응을 기술하는 방법을 먼저 배워야 합니다. 

 

화학 반응의 기호

화학 반응은 시작 물질인 '반응물'로부터 '생성물'로 향하는 화살표로 기호화합니다. 

 

반응물→생성물

 

예를 들어 Na는 물과 격렬하게 반응하는 금속으로 작은 조간의 Na를 물에 넣으면 수소 기체와 NaOH가 생성되며, 발생한 열은 Na를 둥근 공 모양으로 녹입니다. 정성적으로 반응물과 생성물의 종류만을 보여주는 골격 방정식으로 나타내면 아래와 같습니다. 화학식의 각 원자의 수는 아래첨자로 나타냅니다.

반응을 정량적으로 표현하기 위해서는 반응에서 새로 생성되거나 소멸되는 원자는 존재하지 않는다는 것을 고려하여 나타내야 합니다. 원자들은 화학 반응을 통해 결합 상대는 바꾸지만 원자가 없어지거나 생성되지는 않습니다. 왜냐하면 질량 보존의 법칙에 따라 전체 질량은 일정하기 때문입니다. 그래서 화살표의 양쪽에 있는 원소들이 동일한 원자수로 존재하도록 화학식의 계수를 맞춥니다. 그래서 이를 균형 화학 방정식이라고 부릅니다. 위의 골격 방정식을 살펴보면 좌변에는 두 개의 수소 원자가 있지만, 우변에는 세 개의 수소 원자가 있으므로 동일한 원자수로 맞추면 아래와 같습니다. 

화학 방정식은 두 개의 Na 원자가 두 개의 Na 이온을 만들고 두 개의 물 분자가 한 개의 수소 분자와 두 개의 수산화 이온을 만드는 것을 보여 줍니다. 화학 반응식에서 원자나 분자 앞에 숫자를 그 물질의 양론 계수라고 부른다. 

이  방정식에 Avogadro 상수를 곱하여 생각하면 Na 원자 2 mol과 물 분자 2 mol이 반응하면 NaOH 2 mol과 수소 분자 1 mol을 형성한다고 이해할 수 있습니다. 즉, 균형 화학 방정식의 양론 계수는 반응에서 반응물 또는 생성물의 상대적인 몰수를 나타냅니다. 

화학방정식은 반응물과 생성물의 물리적 상태를 상태 기호를 이용하여 고체는 s, 액체는 l, 기체는 g, 수용액은 aq로 나타냅니다. 

만약 고온에서의 반응이라는 것을 나타내기 위해서는 화살표 위에 그리스 문자 델타(△)를 표기합니다. 또한 촉매를 표현할 수도 있습니다. 사실 촉매는 반응 속도를 증가시킬 뿐 반응에는 참여하지 않기 때문에 델타와 마찬가지로 화살표 위에 촉매의 화학식을 적어서 표시합니다. 

균형 화학 방정식

이제 화학 방정식의 양론 계수를 나타내어 완성해보도록 하겠습니다. 예로 수소와 산소 기체가 반응하여 물을 생성하는 반응을 나타내봅니다. 먼저 골격 방정식을 만든 다음 반응물과 생성물의 원자와 분자 수를 균형 잡아 양론 계수를 표시합니다. 그리고 상태 기호를 추가합니다. 

보통 균형 화학 방정식에 있는 양론 계수들은 가장 작은 정수를 넣지만, 좌변과 우변이 동일하도록 어떤 수를 곱하여 나타내는 것도 가능합니다. 때로는 분수로 나타내기도 합니다. 위의 반응식에서 수소와 물 분자의 계수를 1로 하고 산소 분자의 계수를 1/2로 나타내어도 됩니다. 추가로 표준상태(0℃, 1기압)에서 수소 44.8L와 산소 22.4L가 반응하여 물 44.8L가 생성되는 기체반응의 법칙을 설명할 수 있습니다.  

 

어떤 반응에 대한 설명을 기초로 화학식을 작성해보는 경우도 있습니다. 만약 '메탄은 천연가스의 주성분입니다. 메탄은 산소가 존재할 때 연소하여 처음에는 기체 상태인 이산화탄소와 물을 형성합니다'라는 설명이 있다면 우리는 골격 방정식을 먼저 세운 후 양론 계수와 상태 기호를 첨가하여 작성해 볼 수 있겠습니다. 

화학 반응식으로 무엇을 알 수 있을 까?

우리는 반응물과 생성물의 물질 종류나 분자와 원자의 종류와 개수를 알 수 있습니다. 그리고 화학 반응식이 기체 사이의 반응인 경우에만 양론 계수를 통해 부피 비를 알 수 있습니다. 단, 질량비는 알 수 없습니다. 마지막으로 본문에 언급했던 질량 보존의 법칙을 성립하고 있음을 알 수 있습니다. 하지만 우리는 반응물과 생성물의 질량은 알 수 없습니다. 당연히 원자와 분자의 크기, 모양 질량 또한 알 수 없습니다.