뿌리학습 · 중학 과학탐구
화학 반응식과 계수비
어떤 변화를 화학 반응식으로 적으려면 먼저 그것이 화학 변화인지부터 가려야 한다. 물질이 모양이나 상태만 바꾸었다면 물리 변화이고, 성질이 다른 새로운 물질이 생겼다면 화학 변화다. 여기서 흔히 걸린다. 색이 변했다거나 기체가 올라왔다는 것만으로는 판단할 수 없다. 물질이 물에 녹으면서 색을 띠기도 하고, 원래 녹아 있던 기체가 빠져나오기도 한다. 판단 기준은 겉모습이 아니라 새로운 성질의 물질이 생겼는지다.
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개념 정리
입자 수준에서 보면 기준이 더 분명해진다. 분자들의 배열만 흐트러졌다가 다시 모이는 정도라면 분자의 종류는 그대로이므로 성질도 그대로다. 반면 분자를 이루던 원자들이 떨어져 나와 다른 방식으로 다시 결합하면 새로운 분자가 되고 성질도 달라진다. 앞이 물리 변화, 뒤가 화학 변화다.
화학 변화를 식으로 적은 것이 화학 반응식이다. 화살표를 기준으로 왼쪽에 반응물, 오른쪽에 생성물을 두고 각각을 화학식으로 쓴다. 그다음 중요한 작업이 남는다. 반응 전과 후에 각 원자의 개수가 같아지도록 맞추는 일이다. 화학 반응에서 원자는 사라지거나 새로 생기지 않기 때문에, 개수가 맞지 않는 식은 아직 완성된 것이 아니다.
이때 규칙이 하나 있다. 고칠 수 있는 것은 화학식 앞의 계수뿐이다. 화학식 자체는 그 물질이 무엇인지를 나타내므로 손대면 다른 물질이 되어버린다. 계수를 조정할 때는 여러 원자와 결합해 있는 중심 원자부터 시작하는 편이 낫다. 계수를 하나 바꾸면 그 물질에 든 모든 원소의 개수가 함께 움직이므로, 아무 데서나 시작하면 앞서 맞춰둔 것이 다시 어긋난다. 한 원소를 맞춘 뒤에는 반드시 나머지 원소를 다시 세어 본다.
완성된 반응식에서 무엇을 읽을 수 있을까. 반응물과 생성물이 무엇인지, 어떤 원자가 몇 개씩 있는지, 그리고 계수비를 통해 반응에 참여하는 분자 수의 비를 알 수 있다. 반대로 읽을 수 없는 것도 분명히 해두어야 한다. 계수는 분자의 개수를 말할 뿐 무게를 말하지 않는다. 계수를 그대로 질량비로 읽으면 틀린다. 질량 관계를 구하려면 각 원자 1개의 질량을 함께 써서 환산하는 과정이 반드시 들어간다.
이 지점이 세 법칙을 정리하는 출발점이 된다. 계수비는 곧 분자 개수의 비다. 기체끼리의 반응이라면 같은 온도와 압력에서 같은 개수의 기체가 같은 부피를 차지하므로, 개수비를 그대로 부피비로 읽어도 된다. 하지만 질량비는 다르다. 원자는 종류마다 1개의 질량이 다르므로, 개수에 각 원자의 질량을 곱해야 질량비가 나온다. 그래서 같은 반응식에서 개수비와 부피비는 같은 값이지만 질량비는 다른 값이 된다. 세 숫자가 다르게 나온다고 해서 계산이 틀린 것이 아니다.
정리하면 화학 반응식은 세 법칙을 잇는 공통 기반이다. 반응식 하나에서 원자 수가 보존되는 것을 확인하면 질량 보존이고, 화합물 안 성분들의 질량 관계를 뽑으면 일정 성분비이며, 기체들의 계수를 부피로 읽으면 기체 반응의 법칙이다. 법칙이 세 개인 것이 아니라, 하나의 반응식을 세 방향에서 읽는 것이다.
이 단원 시험에서 묻는 것
학교 시험은 교육과정 성취기준을 바탕으로 출제됩니다. 이 단원의 성취기준은 다음을 할 수 있는지 확인하도록 정하고 있습니다.
- [9과16-02]간단한 화학 반응을 화학 반응식으로 표현하고, 화학 반응식에서 계수의 비를 입자 수의 비로 해석할 수 있다.
자주 하는 착각
물리 변화와 화학 변화의 구분
- 색깔이 변하면 화학 변화라고 판단한다. 눈에 띄는 변화가 곧 새로운 물질의 등장이라고 느끼기 때문이다. 물질이 물에 녹으면서 색을 띠는 경우처럼, 색이 변해도 새로운 물질이 생기지 않은 상황이 있다.
- 기체가 발생하면 화학 변화라고 판단한다. 위와 같은 이유다. 원래 녹아 있던 기체가 빠져나오는 것과 반응으로 새로 생기는 것은 다르다.
- 분자의 배열이 바뀌는 것과 원자의 배열이 바뀌는 것을 같은 말로 쓴다. 두 층위를 구분하지 않으면 물질의 성질이 유지되는지 판정할 수 없다. 분자 배열만 바뀌면 물리 변화, 원자 배열까지 바뀌면 화학 변화다.
화학 반응식 작성과 계수 맞추기
- 원자 수를 맞추려고 화학식 자체를 고친다. 숫자를 바꿔야 한다는 것까지는 알지만 어디를 바꿀 수 있는지 모르기 때문이다. 화학식은 그 물질이 무엇인지를 나타내므로 건드릴 수 없고, 조정할 수 있는 것은 화학식 앞의 계수뿐이다.
- 한 원소만 맞추고 반응식이 완성됐다고 본다. 한 원소의 계수를 바꾸면 그 물질에 든 다른 원소의 개수도 함께 바뀐다는 점을 확인하지 않기 때문이다.
- 아무 원소부터 계수를 맞추기 시작해 수정이 계속 어긋난다. 시작점에 기준이 없어서다. 여러 원자와 결합한 중심 원자부터 맞추면 되돌아가는 횟수가 줄어든다.
계수비의 의미와 세 법칙의 관계
- 계수비를 질량의 비로 읽는다. 반응식에 적힌 유일한 숫자가 계수라서 모든 양적 정보가 거기 들어 있다고 여기기 때문이다. 계수는 분자 수의 비를 알려줄 뿐이며, 질량 관계를 구하려면 각 원자 1개의 질량을 곱해 환산하는 단계가 더 필요하다.
- 질량비를 다루는 법칙과 부피비를 다루는 법칙을 섞어 쓴다. 이 혼동은 학습자들이 실제로 가장 많이 질문하는 지점으로 관측된다. 세 법칙을 따로 배우면서 이름만 외우고 적용 대상의 차이를 정리하지 못한 결과다.
- 개수비·부피비·질량비를 모두 같은 값으로 취급한다. 같은 반응식에서 나온 숫자라 하나의 비율일 것이라고 넘겨짚기 때문이다. 개수비와 부피비는 같지만 질량비는 다르다.
이런 오개념, 나도 갖고 있을까?
색깔이 변하면 새로운 물질이 생긴 것이므로 화학 변화로 판단할 수 있다.정답 보기
X (흔한 오개념이에요)
색이 변하면 뭔가 달라진 것처럼 눈에 확 들어오기 때문에 새로운 물질이 생겼다고 느끼기 쉬워요. 그런데 실제로는 물질이 물에 녹으면서 색을 띠는 경우처럼, 색이 변해도 새로운 물질이 생기지 않는 상황이 있어요. 따라서 색깔 변화는 화학 변화를 판단하는 결정적인 기준이 될 수 없어요.
원래 물질에 녹아 있던 기체가 빠져나오는 것은 화학 변화가 아니다.정답 보기
O (맞는 설명이에요)
거품이 생기거나 기체가 나오는 현상은 눈에 잘 띄어서 무언가 새로운 물질이 생긴 것처럼 느껴지기 쉬워요. 하지만 탄산음료를 따를 때처럼 원래 녹아 있던 기체가 단순히 빠져나오는 경우도 있어요. 실제로는 반응을 통해 새로운 기체가 만들어질 때만 화학 변화로 볼 수 있어요.
분자의 배열이 바뀌는 것과 원자의 배열이 바뀌는 것은 같은 의미이므로 구분하지 않아도 된다.정답 보기
X (흔한 오개념이에요)
변화가 일어날 때 겉으로 보이는 모습이 달라지면 무언가 근본적으로 바뀐 것처럼 느껴지기 때문에, 분자 배열 변화와 원자 배열 변화를 같은 수준의 변화로 묶어 생각하기 쉬워요. 실제로는 두 층위는 서로 다른 개념으로, 분자 배열만 바뀌는 경우에는 물질의 성질이 그대로 유지되는 물리 변화에 해당해요. 반면 원자의 배열까지 바뀌면 새로운 성질을 가진 물질이 생겨나는 화학 변화가 되므로, 변화의 종류를 판정하려면 이 두 층위를 구분하는 것이 중요해요.
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자주 묻는 질문
교육부 고시 제2022-33호 과학탐구 교육과정 기반