뿌리학습 · 중학 과학탐구
질량 보존·일정 성분비·기체 반응 법칙
화학 반응이 일어나면 물질의 겉모습이 완전히 달라진다. 그래서 반응 전과 후를 비교할 때 무엇이 그대로이고 무엇이 달라졌는지 헷갈리기 쉽다. 여기서 다루는 세 가지 법칙은 결국 하나의 질문에 답한다. 반응이 일어나도 변하지 않는 것은 무엇인가.
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개념 정리
답은 원자다. 화학 반응에서 원자는 새로 생기지도, 사라지지도 않는다. 다만 서로 붙어 있던 방식만 바뀐다. 붙어 있는 방식이 바뀌면 물질의 성질은 완전히 달라지지만, 그 안에 든 원자의 종류와 개수는 그대로다. 세 법칙은 화학 반응에서 물질이 일정한 규칙에 따라 변한다는 사실을 각각 질량, 성분의 비, 기체의 부피비로 나타낸 것이다.
첫째, 질량 보존 법칙이다. 원자가 그대로이니 원자들의 질량을 모두 더한 값도 그대로다. 그래서 반응물의 총 질량과 생성물의 총 질량은 같다. 여기서 중요한 단어는 총이다. 반응에 참여한 것과 반응으로 생긴 것을 하나도 빠짐없이 세어야 한다. 기체처럼 눈에 보이지 않는 것을 빠뜨리면 질량이 줄거나 늘어난 것처럼 보인다. 질량이 달라진 것처럼 보인다면 반응 전후의 물질을 모두 포함했는지 먼저 확인해야 한다.
그래서 기체가 발생하는 반응이나 물질이 타는 연소 반응을 실험할 때는 뚜껑을 닫은 밀폐 용기에서 측정한다. 열린 용기에서는 기체가 드나들어 질량이 변한 것처럼 보이지만, 밀폐 용기에서는 드나드는 기체까지 함께 담기므로 질량이 보존됨을 확인할 수 있다.
둘째, 일정 성분비 법칙이다. 어떤 화합물이든 그것을 이루는 원자들은 정해진 개수 비율로 결합한다. 물이라면 수소 2개에 산소 1개, 다른 비율의 물은 없다. 그런데 실험실에서는 원자를 개수로 세지 않고 저울로 잰다. 그래서 개수비를 질량비로 바꿔야 한다. 이때 원자 1개의 질량이 종류마다 다르다는 점이 핵심이다. 개수비에 원자 1개의 질량을 곱하면 질량비가 나오고, 이 값은 가장 간단한 정수비로 정리해 둔다. 예를 들어 물을 이루는 수소와 산소의 질량비는 2대 16인데, 이를 1대 8로 줄여 쓴다. 이렇게 정리해 두면 계산이 훨씬 단순해진다.
성분비가 고정되어 있다는 말에는 중요한 결과가 따라온다. 두 물질이 정해진 비율로 반응하는 상황에서는 한쪽이 먼저 모두 반응해 버리면 남은 다른 쪽은 더 이상 반응에 참여할 수 없다. 그래서 계산할 때는 항상 어느 쪽이 먼저 바닥나는지를 먼저 정해야 한다. 먼저 바닥나는 쪽이 생성물의 양을 결정하고, 나머지는 반응하지 않은 채 남는다.
셋째, 기체 반응의 법칙이다. 반응하는 물질이 모두 기체일 때는 부피로 재는 편이 편하다. 그런데 기체에는 특별한 성질이 있다. 같은 온도와 압력에서 기체의 양이 같다면, 기체의 종류가 달라도 차지하는 부피가 같다. 분자가 크다고 부피가 큰 것이 아니다. 이 성질 덕분에 개수의 비를 그대로 부피의 비로 읽을 수 있다. 그리고 반응하는 분자의 개수비는 이미 화학 반응식의 계수에 적혀 있다. 따라서 반응물과 생성물이 모두 기체이고 같은 온도와 압력에서 비교한다면, 반응식의 계수비를 기체의 부피비로 쓸 수 있다.
세 법칙을 구분하는 기준은 무엇과 무엇을 비교하는가이다. 질량 보존은 반응 전체의 앞과 뒤를 비교한다. 일정 성분비는 하나의 화합물 안에서 성분들끼리 비교한다. 기체 반응은 반응물과 생성물을 부피로 비교한다. 비교 대상이 다르므로 세 법칙은 서로 대체하지 않고, 한 문제 안에서 함께 쓰이는 경우가 많다.
이 단원 시험에서 묻는 것
학교 시험은 교육과정 성취기준을 바탕으로 출제됩니다. 이 단원의 성취기준은 다음을 할 수 있는지 확인하도록 정하고 있습니다.
- [9과16-04]화합물을 구성하는 성분 원소의 질량비가 일정함을 실험 자료를 해석하여 설명할 수 있다.
자주 하는 착각
질량 보존 법칙
- 앙금이 생기면 질량이 늘었다고 본다. 원래 없던 고체가 눈앞에 나타나니 무언가 더해졌다고 느끼기 때문이다. 용액 속 입자들이 반응해 물에 잘 녹지 않는 고체가 새로 만들어진 것이며, 반응에 참여한 원자가 갑자기 생겨난 것은 아니다. 보이는 형태의 변화를 양의 변화로 읽는 습관이 원인이다.
- 기체가 발생하는 반응에서 질량이 줄었다고 본다. 남아 있는 고체만 저울에 올려 재기 때문이다. 빠져나간 기체를 계산에 넣지 않으면 어떤 반응이든 질량이 줄어 보인다.
- 금속을 태우면 질량이 늘어나므로 보존되지 않는다고 본다. 반응에 참여한 산소가 눈에 보이지 않아 반응물 목록에서 빠지기 때문이다. 위 2번과 방향만 반대일 뿐 원인은 같다. 반응물과 생성물 중 한쪽만 세는 것이다.
일정 성분비 법칙
- 한 성분을 많이 넣으면 그만큼 화합물이 더 만들어진다고 본다. 재료를 많이 넣으면 결과물이 많아진다는 일상 경험이 그대로 적용되기 때문이다. 화합물은 정해진 비율로만 결합하므로 부족한 쪽이 다 쓰이는 순간 반응이 멈춘다.
- 원자의 개수비를 그대로 질량비로 쓴다. 개수와 질량을 같은 것으로 취급하기 때문이다. 원자는 종류마다 1개의 질량이 다르므로, 개수비에 각 원자 1개의 질량을 곱해야 질량비가 된다. 이 환산 단계를 건너뛴 답이 가장 흔한 오답 유형이다.
- 남는 쪽 성분을 기준으로 생성물의 양을 계산한다. 주어진 숫자 중 큰 쪽을 기준으로 잡는 습관 때문이다. 어느 쪽이 먼저 소진되는지 판단하는 단계가 계산보다 앞서야 한다.
기체 반응의 법칙
- 분자가 크면 같은 개수라도 부피가 더 크다고 본다. 눈에 보이는 물체의 크기와 부피 관계를 기체에 그대로 옮기기 때문이다. 기체가 차지하는 부피는 분자 자체의 크기가 아니라 온도와 압력 조건으로 결정된다.
- 질량비를 다루는 법칙과 부피비를 다루는 법칙을 섞어 쓴다. 두 법칙 모두 간단한 정수비를 다루기 때문에 겉모습이 닮아 보인다. 적용 대상이 다르다. 하나는 화합물 안의 성분 사이 비율이고, 다른 하나는 반응물과 생성물 사이 비율이다.
- 온도와 압력이 같다는 조건을 확인하지 않고 부피비를 적용한다. 문제에 늘 적혀 있어 배경처럼 읽히기 때문이다. 이 조건이 빠지면 부피비 자체가 성립하지 않는다.
이런 오개념, 나도 갖고 있을까?
앙금이 생기는 반응에서는 눈에 보이는 고체가 새로 나타나므로 반응 전보다 전체 질량이 늘어난다.정답 보기
X (흔한 오개념이에요)
원래 없던 고체가 갑자기 눈앞에 나타나면 무언가 더해진 것처럼 느끼기 쉬워요. 하지만 실제로는 물속에 흩어져 있던 이온들이 짝을 바꿔 뭉친 것일 뿐, 이온의 종류와 개수는 그대로예요. 보이는 형태가 달라졌다고 해서 양 자체가 달라진 것은 아니에요.
기체가 발생하는 반응에서도 빠져나간 기체의 질량까지 포함하면 반응 전후 전체 질량은 같다.정답 보기
O (맞는 설명이에요)
반응 후 남은 고체만 저울에 올려 재면 질량이 줄어든 것처럼 보이기 쉬워요. 눈에 보이지 않는 기체가 공기 중으로 나가 버리기 때문에 그 질량을 빠뜨리게 되는 거예요. 실제로는 반응에서 생긴 기체도 물질이므로, 그 기체의 질량까지 함께 더하면 반응 전과 후의 전체 질량은 달라지지 않아요.
금속을 태우면 질량이 늘어나므로 질량 보존 법칙이 성립하지 않는다.정답 보기
X (흔한 오개념이에요)
금속을 태우면 재의 질량이 처음 금속보다 무거워지는 것을 보고, 질량이 '늘었다'고 느끼기 쉬워요. 이때 눈에 보이지 않는 산소를 반응물로 함께 세지 않고 금속의 질량만 반응 전과 비교하기 때문에 보존이 깨진 것처럼 보이는 거예요. 실제로는 반응에 참여한 산소의 질량을 금속의 질량에 더해 반응물 전체를 따지면, 생성물의 질량과 정확히 같아요. 즉, 질량 보존 법칙은 성립하며, 비교해야 할 대상을 반응물 전체와 생성물 전체로 맞추는 것이 핵심이에요.
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자주 묻는 질문
교육부 고시 제2022-33호 과학탐구 교육과정 기반