분석화학, 그 두 번째 이야기 | 화학 반응식

분석화학에서 가장 기본적인 것은 화학양론(stoichiometry)이다. 화학 반응식을 가지고 다양한 정량적인 계산을 하는 분야로, 실험을 하려면 필수적으로 공부해야 한다.

연소반응을 통해 시료의 실험식을 구하는 장치이다.

우선, 위의 그림을 보자. 아주 유명한 실험장치 중 하나로, 연소반응이 일어나면 생산되는 물과 이산화탄소를 뒤쪽의 관에서 흡수하고 그때의 질량변화를 통해 시료에 탄소와 수소, 산소가 얼마나 포함되어 있는지 알아내는 방식이다. 물론, 수소와 탄소, 산소의 몰수비만 알 수 있는데, 예를 들어 탄소 : 수소 : 산소의 몰수비가 1 : 2 : 1이면 이를 $CH_{2}O$ 와 같이 나타낼 수 있을 것이다. 이는 세 원소의 몰수를 가장 간단한 정수비로 나타낸 것으로, 실제 물질의 한 분자가 탄소 1개, 수소 2개, 산소 1개로 이루어져 있는지는 알 수 없는데, 이를 실험식(empirical formula)이라고 부른다.

보통 사용하는 화학식은 그 물질을 이루는 최소 단위를 이루는 원소들이 각각 몇개로 이루어져 있는지를 나타낸다. 예를들어, 포도당은 탄소 : 수소 : 산소의 몰수비가 1 : 2 : 1이지만 분자 1개에 탄소가 6개, 수소가 12개, 산소가 6개 포함되어 있다. 그러면, 화학식은 $C_{6}H_{12}O_{6}$ 이 될것이다.

그러면 각 물질의 화학식을 가지고 위 그림의 반응을 나타내는 반응식을 쓸 수 있다. 해당 반응은 포도당인 산소기체($O_{2}$)와 만나서 이산화탄소($CO_{2}$)와 물($H_{2}O$)을 생성하는 반응이므로 아래와 같은 반응식이 된다.

$C_{6}H_{12}O_{6}+O_{2}\rightarrow CO_{2}+H_{2}O$

하지만, 이렇게 표현하면 마치 탄소가 원래 6개에서 1개로 줄어드는 것처럼 보인다. 화학반응에서는 각 원소의 총 개수가 반응 전후로 변하지 않으므로, 이를 반응식에도 표현하기 위해 각 물질의 앞에 숫자를 써 넣어서 한번 반응 할때 물질이 얼마나 반응하고, 또 생성되는지를 나타낸다. 이를 계수를 맞춘다고 표현하는데, 위 반응식의 계수를 맞추면 아래와 같이 반응식을 완성할 수 있다.

$C_{6}H_{12}O_{6}+9O_{2}\rightarrow 6CO_{2}+12H_{2}O$

이처럼 반응식의 계수를 맞추면, 화학 반응에서 물질들의 몰수 변화를 정량적으로 계산할 수 있다. 예를 들어, 포도당 1mol을 반응시키기 위해 산소 10mol을 넣어주었다고 하자. 반응식을 보면 평형상수를 고려하지 않았을 때(이에 대한 내용은 이후에 다룰 것이다.) 포도당 1분자가 반응할 때 산소 기체는 9분자가 반응하므로, 포도당이 모두 반응하고 산소 기체 1mol이 남음을 알 수 있다. 이처럼 몰수가 적어 모두 반응하는 물질을 한계 반응물(limiting reagent)이라 하고, 남아 있는 물질은 과량(in excess)으로 존재한다고 표현한다. 이와 같이 반응하면 이산화 탄소 6mol과 물 12mol이 생성될 것이다. 

이처럼 화학 반응 전후에서 각 물질들의 양적 변화를 정량적으로 분석하는 것이 화학양론이다.