화학량론
- 몰수
- n = m/M
- 농도
- c = n/V
- 몰비
- 균형 맞춘 반응식의 계수를 사용
- 한계 반응물
- 가장 먼저 소진되는 물질
- 수득률
- 실제 수득량 / 이론 수득량 × 100%
방법
- 화학 반응식을 쓰고 계수를 맞추세요.
- 주어진 질량을 몰로 바꾸세요: n = m/M.
- 계수를 몰비로 이용해 원하는 물질의 몰수를 구하세요.
- m = n·M으로 다시 질량으로 바꾸세요. 반응물이 둘이면 먼저 한계 반응물을 찾으세요.
일반화학: 벼락치기 팩
공식 모음, 모든 주제의 핵심 풀이 단계, 연습 문제 14개가 들어 있으며 전체 풀이는 맨 뒤에 있습니다.
1공식과 풀이 방법
몰농도와 희석
- 몰농도
- c = n/V (mol/L)
- 몰수
- n = m/M
- 희석
- c1V1 = c2V2
- 혼합
- c = (c1V1 + c2V2)/(V1 + V2)
방법
- n = m/M으로 질량을 몰로 바꾸세요.
- 부피를 리터로 바꾸세요.
- 몰농도 c = n/V, 단위는 mol/L.
- 희석에서는 몰수가 변하지 않습니다: c₁V₁ = c₂V₂.
이상 기체 법칙
- 이상 기체 법칙
- pV = nRT
- 기체 상수
- R = 8.314 J/(mol·K)
- 보일-샤를 법칙
- p1V1/T1 = p2V2/T2
- 몰수
- n = m/M
- 온도
- T[K] = T[°C] + 273.15
열량 측정과 엔탈피
- 열
- q = m·c·ΔT
- 물
- c = 4.18 J/(g·°C)
- 열량계
- 잃은 열 = 얻은 열
- 반응 엔탈피
- ΔH° = ΣΔH°f(products) − ΣΔH°f(reactants)
화학 평형
- 평형 상수
- Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b)
- ICE 표
- 초기(Initial), 변화(×계수, Change), 평형(Equilibrium)
- 이차방정식
- x = (−b + √(b² − 4ac))/(2a)
방법
- Kc는 생성물을 분자에, 반응물을 분모에 두고 각각 계수만큼 거듭제곱하여 쓰세요.
- ICE 표를 만드세요: 초기(Initial), 변화(Change, 계수 × x 단위), 평형(Equilibrium).
- 평형 농도식을 Kc에 넣고 x를 구하세요.
- x가 근사를 쓸 만큼 작은지 확인하세요. 그렇지 않으면 이차방정식을 푸세요.
pH와 완충 용액
- pH
- pH = −log[H⁺]
- pOH
- pOH = −log[OH⁻], pH + pOH = 14
- 약산
- [H⁺] ≈ √(Ka·c)
- 완충 용액
- pH = pKa + log([A⁻]/[HA])
- 희석
- c1V1 = c2V2
방법
- 산이나 염기가 강한지(완전 해리) 약한지 판단하세요.
- 강산: [H⁺]는 산의 농도와 같습니다. 강염기: 먼저 [OH⁻]를 구하세요.
- 약산: x = [H⁺]에 대해 Ka = x²/(c − x)를 푸세요.
- pH = −log[H⁺]이고, 25 °C에서 pH + pOH = 14입니다.
반응 속도론
- 1차
- ln(CA/CA0) = −kt
- 반감기 (1차)
- t½ = ln 2/k
- 2차
- 1/CA = 1/CA0 + kt
- 아레니우스
- k = A·e−Ea/(RT)
- 두 온도
- ln(k2/k1) = (Ea/R)(1/T1 − 1/T2)
2연습 문제
1.화학량론보통
CH4 12 g과 O2 20 g이 CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O에 따라 반응합니다. 생길 수 있는 CO2의 질량 m는 얼마일까요?
M(CH4) = 16.04M(O2) = 32M(CO2) = 44.01 g/mol
m = g
2.화학량론어려움
반응 Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2에서 Fe2O3 6 g이 완전히 반응하고(다른 반응물은 충분) CO2 3.47 g을 얻었습니다. 수득률 Y를 구하세요.
M(Fe2O3) = 159.69 g/molM(CO2) = 44.01 g/mol실제: 3.47 g
Y = %
3.몰농도와 희석보통
0.05 mol/L 용액 200 mL가 필요하고, 6 mol/L 원액이 있다. 필요한 원액의 부피 V1을(를) 구하시오.
c1 = 6 mol/Lc2 = 0.05 mol/LV2 = 200 mL
V1 = mL
4.몰농도와 희석어려움
0.5 mol/L 용액 50 mL를 같은 물질의 0.05 mol/L 용액 250 mL와 섞는다. 혼합 용액의 농도 c을(를) 구하시오(부피는 더해진다고 본다).
c1 = 0.5 mol/LV1 = 50 mLc2 = 0.05 mol/LV2 = 250 mL
c = mol/L
5.이상 기체 법칙보통
550 kPa, 65 °C에서 He 160 g이(가) 차지하는 부피 V은(는) 얼마인가? 이상 기체로 본다.
m = 160 gM = 4.003 g/molP = 550 kPaT = 65 °CR = 8.314 J/(mol·K)
V = L
6.이상 기체 법칙어려움
일정량의 CO₂이(가) 200 kPa, 5 L, 20 °C에서 800 kPa, 50 °C(으)로 변한다. 새 부피 V2을(를) 구하시오.
P1 = 200 kPaV1 = 5 LT1 = 20 °CP2 = 800 kPaT2 = 50 °C
V2 = L
7.열량 측정과 엔탈피보통
온도가 160 °C이고 질량이 100 g인 알루미늄 블록(c = 0.897 J/(g·°C))을 단열 컵에 담긴 21 °C의 물 150 g(c = 4.18 J/(g·°C))에 넣는다. 최종 온도 Tf을(를) 구하시오.
mmetal = 100 gcmetal = 0.897 J/(g·°C)Tmetal = 160 °Cmwater = 150 gTwater = 21 °Ccwater = 4.18 J/(g·°C)
Tf = °C
8.열량 측정과 엔탈피어려움
표준 생성 엔탈피를 이용해 반응 CH4 + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O(l)의 ΔH°를 구하시오.
ΔH°f(CH4) = −74.8 kJ/molΔH°f(CO₂) = −393.5 kJ/molΔH°f(H₂O, l) = −285.8 kJ/molΔH°f(O₂) = 0
ΔH° = kJ
9.화학 평형보통
0.4 mol/L의 H₂와 0.4 mol/L의 I₂를 용기에 넣어 반응시킨다: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, Kc = 36. 평형 농도 [H2]을(를) 구하시오.
[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0.4 mol/LKc = 36
[H2] = mol/L
10.화학 평형어려움
PCl₅가 분해된다: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, 반응 온도에서 Kc = 0.02. 용기에 처음에는 PCl₅만 0.4 mol/L 들어 있다. 평형 농도 [Cl2]을(를) 구하시오.
[PCl₅]₀ = 0.4 mol/LKc = 0.02
[Cl2] = mol/L
11.pH와 완충 용액보통
벤조산 0.05 mol/L 용액(Ka = 6.3 × 10⁻⁵)의 pH pH를 구하세요.
c = 0.05 mol/LKa = 6.3 × 10⁻⁵
pH =
12.pH와 완충 용액어려움
완충 용액에 폼산 0.1 mol/L와 그 나트륨염 0.3 mol/L가 들어 있습니다. Ka = 0.00018. 완충 용액의 pH pH를 구하세요.
[HA] = 0.1[A⁻] = 0.3Ka = 0.00018
pH =
13.반응 속도론보통
회분 반응기에서 1차 반응의 k = 0.15 min⁻¹이다. 전환율 50%에 도달하는 데 걸리는 시간은? t을(를) 구하시오.
k = 0.15 min⁻¹X = 50 %
t = min
14.반응 속도론어려움
어떤 반응의 속도 상수는 40 °C에서 0.002 min⁻¹, 55 °C에서 0.00404 min⁻¹이다. 활성화 에너지 Ea을(를) 구하시오.
k1 = 0.002 min⁻¹T1 = 40 °Ck2 = 0.00404 min⁻¹T2 = 55 °CR = 8.314 J/(mol·K)
Ea = kJ/mol
3용액
1.화학량론
답: m = 13.75 g
화학량론: 균형 맞춘 반응식은 그램이 아니라 입자 수를 셉니다. n = m/M으로 질량을 몰로 바꾸고, 반응식의 계수를 몰비로 쓴 다음, m = n·M으로 다시 질량으로 바꿉니다. 반응물이 두 개일 때 한계 반응물은 먼저 다 소모되어 생성물의 양을 정하는 쪽입니다.
각 반응물의 몰수
n(CH4) = 12/16.04 = 0.7481 mol
n(O2) = 20/32 = 0.625 mol
한계 반응물
0.7481/1 = 0.7481, 0.625/2 = 0.3125 → O2
생성물의 질량
n(CO2) = 0.3125·1 = 0.3125 mol
m = 0.3125·44.01 = 13.75 g
답
m = 13.75 g
2.화학량론
답: Y = 69.95 %
화학량론: 균형 맞춘 반응식은 그램이 아니라 입자 수를 셉니다. n = m/M으로 질량을 몰로 바꾸고, 반응식의 계수를 몰비로 쓴 다음, m = n·M으로 다시 질량으로 바꿉니다. 반응물이 두 개일 때 한계 반응물은 먼저 다 소모되어 생성물의 양을 정하는 쪽입니다.
이론적 수득량
n(Fe2O3) = 6/159.69 = 0.03757 mol
m = 0.03757·3/1·44.01 = 4.961 g
수득률
Y = 3.47/4.961·100 = 69.95%
답
Y = 69.95%
3.몰농도와 희석
답: V1 = 1.667 mL
몰농도: 농도 c = n/V (mol/L), n = m/M. 희석하면 용매만 더해지고 용질은 그대로이므로 몰수가 변하지 않습니다: c₁·V₁ = c₂·V₂. 같은 용질의 두 용액을 섞으면 몰수끼리 더해지고 부피끼리도 더해집니다.
원액의 부피
V1 = c2·V2/c1 = 0.05·200/6 = 1.667 mL
답
V1 = 1.667 mL
4.몰농도와 희석
답: c = 0.125 mol/L
몰농도: 농도 c = n/V (mol/L), n = m/M. 희석하면 용매만 더해지고 용질은 그대로이므로 몰수가 변하지 않습니다: c₁·V₁ = c₂·V₂. 같은 용질의 두 용액을 섞으면 몰수끼리 더해지고 부피끼리도 더해집니다.
전체 몰수
n = 0.5·50 + 0.05·250 = 37.5 mmol
혼합 용액의 농도
c = 37.5/300 = 0.125 mol/L
답
c = 0.125 mol/L
5.이상 기체 법칙
답: V = 204.3 L
이상 기체 법칙: PV = nRT, n = m/M.
몰수
n = 160/4.003 = 39.97 mol
T = 65 + 273.15 = 338.1 K
부피
V = nRT/P = 39.97·8.314·338.1/550 = 204.3 L
답
V = 204.3 L
6.이상 기체 법칙
답: V2 = 1.378 L
보일-샤를 법칙: 일정량의 이상 기체에서 P1V1/T1 = P2V2/T2.
절대 온도
T1 = 293.1 K, T2 = 323.1 K
보일-샤를 법칙
V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 5·(200/800)·(323.1/293.1) = 1.378 L
답
V2 = 1.378 L
7.열량 측정과 엔탈피
답: Tf = 38.4 °C
열과 엔탈피: 물질을 가열하는 데는 q = m·c·ΔT가 듭니다. 열량계에서는 뜨거운 물체가 잃은 열이 차가운 물체가 얻은 열과 같습니다. 반응의 엔탈피 변화는 생성 엔탈피로 구합니다: ΔH° = ΣΔH°f(생성물) − ΣΔH°f(반응물), 각각 계수를 곱합니다.
열 수지
100·0.897·(160 − Tf) = 150·4.18·(Tf − 21)
최종 온도 구하기
Tf = (89.7·160 + 627·21)/(89.7 + 627) = 38.4 °C
답
Tf = 38.4 °C
8.열량 측정과 엔탈피
답: ΔH° = −890.3 kJ
열과 엔탈피: 물질을 가열하는 데는 q = m·c·ΔT가 듭니다. 열량계에서는 뜨거운 물체가 잃은 열이 차가운 물체가 얻은 열과 같습니다. 반응의 엔탈피 변화는 생성 엔탈피로 구합니다: ΔH° = ΣΔH°f(생성물) − ΣΔH°f(반응물), 각각 계수를 곱합니다.
반응 엔탈피
ΔH° = [1·(−393.5) + 2·(−285.8)] − [1·(−74.8) + 2·0] = −890.3 kJ
답
ΔH° = −890.3 kJ
음수: 반응이 열을 내놓습니다(발열 반응).
9.화학 평형
답: [H2] = 0.1 mol/L
화학 평형: aA + bB ⇌ cC + dD에서 평형 상수는 평형 농도를 써서 Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b)입니다. ICE 표(초기, 변화, 평형)는 계수를 곱한 미지수 x 하나로 처음 양과 평형 상태의 양을 연결합니다.
평형 식
36 = (2x)²/(0.4 − x)²
제곱근 취하기
6 = 2x/(0.4 − x) → x = 0.4·6/(2 + 6) = 0.3 mol/L
평형 농도
[H₂] = 0.4 − x = 0.1 mol/L
답
[H2] = 0.1 mol/L
10.화학 평형
답: [Cl2] = 0.08 mol/L
화학 평형: aA + bB ⇌ cC + dD에서 평형 상수는 평형 농도를 써서 Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b)입니다. ICE 표(초기, 변화, 평형)는 계수를 곱한 미지수 x 하나로 처음 양과 평형 상태의 양을 연결합니다.
평형 식
0.02 = x²/(0.4 − x) → x² + 0.02·x − 0.008 = 0
이차방정식 풀기
x = (−0.02 + √(0.02² + 4·0.008))/2 = 0.08 mol/L
평형 농도
[Cl₂] = x = 0.08 mol/L
답
[Cl2] = 0.08 mol/L
11.pH와 완충 용액
답: pH = 2.759
pH: pH = −log₁₀[H₃O⁺], pOH = −log₁₀[OH⁻]이며 25 °C에서 pH + pOH = 14입니다. 강산과 강염기는 완전히 이온화합니다. 약산은 일부만 이온화합니다: Ka = x²/(c − x), x = [H₃O⁺]. 약산과 그 짝염기로 된 완충 용액은 헨더슨–하셀바흐 식을 따릅니다: pH = pKa + log([A⁻]/[HA]).
평형
HA ⇌ H⁺ + A⁻: 산 중 x mol/L가 이온화합니다.
Ka = x²/(0.05 − x) → x = 0.001744 mol/L
pH
pH = −log(0.001744) = 2.759
답
pH = 2.759
12.pH와 완충 용액
답: pH = 4.222
pH: pH = −log₁₀[H₃O⁺], pOH = −log₁₀[OH⁻]이며 25 °C에서 pH + pOH = 14입니다. 강산과 강염기는 완전히 이온화합니다. 약산은 일부만 이온화합니다: Ka = x²/(c − x), x = [H₃O⁺]. 약산과 그 짝염기로 된 완충 용액은 헨더슨–하셀바흐 식을 따릅니다: pH = pKa + log([A⁻]/[HA]).
pKa
pKa = 3.745
헨더슨–하셀바흐 식
pH = 3.745 + log(0.3/0.1) = 4.222
답
pH = 4.222
13.반응 속도론
답: t = 4.621 min
반응 속도: 1차 반응은 −dC/dt = kC이므로 C = C₀·e−kt이고, 반감기 ln 2/k는 농도와 무관합니다. 2차 반응은 1/C = 1/C₀ + kt. 속도 상수는 아레니우스 식에 따라 온도와 함께 커집니다: k = A·e−Ea/(RT).
전환율과 농도
C/C0 = 1 − X = 0.5
시간에 대해 풀기
t = −ln(1 − X)/k = −ln(0.5)/0.15 = 4.621 min
답
t = 4.621 min
14.반응 속도론
답: Ea = 40.05 kJ/mol
반응 속도: 1차 반응은 −dC/dt = kC이므로 C = C₀·e−kt이고, 반감기 ln 2/k는 농도와 무관합니다. 2차 반응은 1/C = 1/C₀ + kt. 속도 상수는 아레니우스 식에 따라 온도와 함께 커집니다: k = A·e−Ea/(RT).
절대 온도
T1 = 313.1 K, T2 = 328.1 K
아레니우스 식에서 Ea 구하기
Ea = −R·ln(k2/k1)/(1/T2 − 1/T1) = −8.314·0.7031/(-1.460e-4) = 40046 J/mol
Ea = 40.05 kJ/mol
답
Ea = 40.05 kJ/mol
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