5.5: 화학적 화학량론 및 기체: 이상기체 법칙을 사용하여 몰수 결정

화학 화학량론은 화학 반응에서 반응물과 생성물 사이의 정량적 관계를 설명합니다.

용액의 몰농도와 함께 고체의 질량과 부피를 사용하여 반응물과 생성물의 양을 측정하는 것 외에도 이제 가스량을 사용하여 수량을 나타낼 수도 있습니다. 기체의 부피, 압력 및 온도를 알고 있으면 기체의 몰 수를 계산하는 이상 기체 방정식을 사용할 수 있습니다. 반대로, 기체의 몰수를 알면 어떤 온도와 압력에서도 기체의 부피를 결정할 수 있습니다.

예를 들어, 8.88g의 갈륨과 과량의 염산이 반응하여 생성된 27°C, 723 torr에서 수소의 부피를 계산해 보겠습니다.

먼저, 제공된 제한 반응물 Ga의 질량을 생성된 수소의 몰수로 변환합니다.

제공된 온도 및 압력 값을 적절한 단위(각각 K 및 atm)로 변환한 다음 수소 가스의 몰량과 이상 기체 방정식을 사용하여 가스의 부피를 계산합니다.

아보가드로의 법칙 재검토

고체와 용액이 나타내지 않는 가스의 화학량론의 간단한 특징을 활용할 수도 있습니다. 이상적인 거동을 보이는 모든 가스는 동일한 부피(동일한 온도 및 압력에서)에 동일한 수의 분자를 포함합니다. 따라서, 화학 반응에 포함된 기체의 부피 비율은 기체 부피가 동일한 온도와 압력에서 측정된다는 전제 하에 반응 방정식의 계수로 제공됩니다.

아보가드로의 법칙(기체의 부피는 기체의 몰수에 정비례함)을 기체와의 화학 반응으로 확장할 수 있습니다. 기체는 모든 기체의 부피가 다음과 같다면 명확하고 단순한 부피 비율로 결합하거나 반응합니다. 동일한 온도와 압력에서 측정되었습니다.

예를 들어, 질소와 수소 기체가 반응하여 암모니아 기체를 생성하기 때문에 다음과 같은 식을 따릅니다.

압력과 온도가 일정하게 유지되면 주어진 부피의 질소 가스가 수소 가스 부피의 3배와 반응하여 암모니아 가스 부피의 2배를 생성합니다.

아보가드로의 법칙에 따르면 동일한 온도와 압력에서 동일한 부피의 기체 N_2, H_2 및 NH_3에는 동일한 수의 분자가 포함됩니다. N_2 분자 1개가 H_2 분자 3개와 반응하여 NH_3 분자 2개를 생성하기 때문에 필요한 H_2의 부피는 N_2 부피의 3배이고, 생성되는 NH_3의 부피는 N_2 부피의 2배입니다.

이 문서는 에서 발췌되었습니다 Openstax, Chemistry 2e, Chapter 9.3 Stoichiometry of Gaseous Substances, Mixtures, and Reactions.

균형을 이룬 화학 반응의 경우 반응물과 생성물의 질량과 몰 수를 포함하는 계산은 일반적인 개념 전개에 따라 수행된다는 점을 기억해야 합니다. 여기서 화학양론 계수는 반응물의 몰과 생성물의 몰 사이의 변환 인자로 사용됩니다. 기체 물질과 관련된 화학 반응에서 기체의 양은 일반적으로 주어진 온도와 압력에서 부피로 표현됩니다.

이것은 기체가 유동적이며 팽창하여 사용 가능한 공간을 채우기 때문입니다. 기체 반응에서 기체의 몰 양과 부피는 이상 기체 법칙을 통해 상호 연관됩니다. 이러한 방식으로 몰 수는 기체의 부피로부터 결정될 수 있고 그 반대의 경우도 성립합니다.

이상 기체의 법칙과 몰 질량, 화학양론의 개념을 모두 결합하여 기체 반응물과 생성물의 부피, 몰 수, 질량과 관련된 계산을 할 수 있습니다. 예를 들어 리튬과 물을 반응시켜 수소 기체를 생성하는 반응을 생각해 봅시다. 반응이 291 켈빈과 0.977 기압에서 일어난다고 가정했을 때 35.25리터의 수소를 생성하려면 리튬의 양은 얼마나 되어야 할까요?

먼저 이상 기체 법칙을 적용하고 주어진 압력, 부피, 온도, 그리고 이상 기체 상수 값을 대입하여 수소 기체의 몰 수를 계산합니다. 그런 다음 화학량론적 비를 사용하여 수소 기체의 몰 수를 리튬 몰 수로 변환합니다. 마지막으로 리튬의 몰 질량으로 곱하면 20.0그램의 질량이 나옵니다.

따라서 20.0그램의 리튬으로 35.25리터의 수소를 생성할 수 있습니다. 표준 온도와 압력, 약칭 STP에서 발생하는 기체 화학 반응의 경우 몰의 부피 22.4리터는 상수입니다. STP에서 기체의 반응에 변환 계수를 사용하여 화학량론적 계산을 수행합니다.

STP에서 물의 생성을 예로 들 수 있습니다. 2그램의 물을 생성하려면 얼마만한 수소가 필요할까요? 일반 개념 전개에 따라 먼저 물의 질량을 몰질량으로 나누어 물의 몰 수를 구합니다.

그런 다음 화학량론 비를 사용하여 수소의 몰을 결정합니다. 마지막으로 STP에서 몰 대 부피 변환 계수를 사용하여 2.5리터의 수소 가스를 얻습니다. 따라서 STP에서 2그램의 물을 생성하려면 2.5리터의 수소가 필요합니다.