반응의 원리 1강. 화학량론: 반응의 회계학
화학반응에서 원자는 생기지도 사라지지도 않습니다. 반응식은 창조의 기록이 아니라 재배열의 장부입니다.
풀고 시작
반응식은 원자 보존의 장부다
나무가 타고 나면 재만 남습니다. 아무리 봐도 물질이 사라진 것처럼 보이죠. 라부아지에(Antoine Lavoisier)는 1770년대에 밀폐 용기와 정밀 저울로 이 착시를 무너뜨렸습니다. 반응 전후의 총질량은 변하지 않습니다. 사라진 것처럼 보인 질량은 기체가 되어 빠져나갔을 뿐이죠. 이것이 질량 보존 법칙이고, 화학반응식의 양변에서 원소별 원자 수를 맞추는 계수 균형(balancing)은 이 법칙을 문장으로 옮긴 것입니다. 반응에서 일어나는 일은 단 하나입니다. 원자들 사이의 결합이 끊어지고 다른 짝과 다시 이어지는 재배열이죠. 결합과 분자 과목에서 본 결합의 재편이 곧 반응이며, 원자 자체는 손대지 않습니다. 원자를 다른 원소로 바꾸는 일은 화학이 아니라 핵물리학의 영역입니다.
몰: 개수를 세는 화학의 다스
원자는 너무 작아서 낱개로 셀 수 없습니다. 그래서 화학은 연필을 다스로 묶듯 원자를 거대한 묶음으로 셉니다. 그 묶음이 몰(mole)이고, 한 묶음의 크기가 아보가드로 수 6.02×10²³입니다. 이 수의 크기는 감각을 배반합니다. 1초에 하나씩 쉬지 않고 세면 약 1.9×10¹⁶년, 우주 나이의 백만 배가 걸리거든요. 그런데 물 18g, 곧 한 모금 안에 물 분자가 정확히 그만큼 들어 있습니다. 몰이 위대한 이유는 다리를 놓기 때문입니다. 원자량 12인 탄소는 12g이 1몰, 분자량 18인 물은 18g이 1몰입니다. 즉 저울로 잰 질량(g)을 입자의 개수(몰)로 번역할 수 있습니다. 눈에 보이지 않는 세계를 저울 하나로 세는 기술, 그것이 몰입니다. 이름의 주인인 이탈리아의 아보가드로(Amedeo Avogadro)는 1811년, 같은 온도와 압력에서 같은 부피의 기체는 종류와 무관하게 같은 수의 분자를 담는다는 가설을 내놓았습니다. 당대에는 거의 무시당했고, 그 가치가 학계의 표준이 된 것은 그가 죽은 뒤였죠. 아보가드로 수라는 이름은 후대가 바친 뒤늦은 헌사입니다.
계산의 논리: 질량에서 개수로, 개수에서 질량으로
화학량론(stoichiometry) 계산은 언제나 같은 세 걸음을 밟습니다. 첫째, 주어진 물질의 질량을 몰수로 바꿉니다. 둘째, 반응식의 계수비로 상대 물질의 몰수를 구합니다. 셋째, 그 몰수를 다시 질량으로 바꿉니다. 계수비는 개수의 비이므로 반드시 몰 단위에서만 적용해야 합니다. 예를 들어 수소 4g(2몰)을 태우려면, 2H₂ + O₂ → 2H₂O의 계수비 2:1에 따라 산소 1몰, 곧 32g이 필요합니다. 질량끼리 직접 비례시키면 틀리죠. 이 번역 절차가 실험실의 수율 계산부터 공장의 원료 발주까지 화학 전체의 회계를 떠받칩니다.
한계 반응물: 먼저 떨어지는 재료가 생산량을 정한다
빵 10장과 패티 3장으로 햄버거를 만들면 몇 개가 나올까요? 3개에서 멈춥니다. 빵이 7장 남아도 소용없죠. 반응도 똑같습니다. 계수비대로 정확히 맞춰 넣는 일은 드물고, 한쪽이 먼저 소진되면 반응은 거기서 끝납니다. 먼저 바닥나는 쪽이 한계 반응물(limiting reactant)이고, 생성물의 최대량은 오직 한계 반응물이 결정합니다. 판별법은 각 반응물의 몰수를 계수로 나눠 가장 작은 값을 찾는 것입니다. 산업에서는 비싼 원료가 한계 반응물이 되도록 값싼 쪽을 일부러 과잉으로 넣습니다. 다음 강에서는 이 장부의 다음 질문, 반응이 얼마나 빨리 일어나는가를 다룹니다.