몰과 몰질량

일반적으로 시료에는 우리가 세기에는 너무나도 방대하게 많은 양의 원자가 들어 있기 때문에, 이를 숫자로 표시하기가 번거롭고 다른 여러 이유로 우리는 원자를 세는 단위로 몰리라는 단위를 이용한다. 몰이란 정확하게 12g의 순수한 분자량 12의 탄소 중에 들어있는 탄소 원자와 같은 수라고 정의한다. 원자를 정확히 셀 수 있는 질량 분석법과 같은 발전된 기술을 이용하여 몰의 정확한 숫자는 6.02214×10*23으로 공표되었으며, 일반화학의 수준에서는 6.022×10*23이면 충분하다고 한다. 우리는 화학에 크게 기여한 아보가드로 과학자의 이름을 따 아보가드로 수라고 부른다. 어떤 물질 1mol은 그 물질 6.022×10*23단위로 구성되어 있다. 달걀 한 판이 30개인 것처럼 달걀 1mol은 6.022×10*23개이다. 6.022×10*23의 숫자의 크기는 매우 크다. 단순히 0의 개수만을 세어보더라도 우리가 평생 접해보지도 않을 만큼 큰 단위의 숫자이다. 따라서 우리가 상상하기 매우 힘든 숫자일 것이다. 예를 들어주자면 1mol 초는 지구 나이의 4백만 배에 달하는 시간이고, 구슬 1mol 개는 우리가 지구 표면을 다 덮어버리고도 남을 만큼 엄청난 단위이다. 하지만 원자의 세계에서는 원자가 매우 작기에, 1mol의 원자나 분자는 화학반응에서 충분히 다룰만한 양으로 볼 수 있다.



화학 계산에서 우리가 어떻게 몰 단위를 이용하는지 궁금할 것이다. 우선 짚고 넘어가야 할 것은 아보가드로 수는 정확하게 12g의 분자량이 12인 탄소에 들어있는 원자의 개수로 정의됨을 기억해야 한다. 다시 말해 탄소 12g에는 6.022×10*23개의 원자가 들어있음을 의미한다. 또한 천연탄소 12.01g은 6.022×10*23개의 원자(평균 질량이 12.01u인 분자량이 각각 12,13,14인 탄소의 혼합물이다.)를 포함한다는 것을 의미한다. 이때 시료의 질량비와 각 성분의 질량비가 서로 동일하기에 두 시료는 동일한 수의 원자를 포함한다. 이에 대한 예시를 한번 들어보자. 개당 평균 질량이 300g인 오렌지와 개당 평균 질량이 900g인 수박을 생각해 보자. 수박 한 박스의 무게가 오렌지 한 박스의 무게의 3배가 된다면, 그 두 박스에는 같은 개수의 과일이 들어있다. 이러한 논리를 똑같이 원자에도 적용해 보자. 천연 탄소와 천연 헬륨을 서로 비교해 보면, 천연 탄소는 12.01g의 평균 질량, 천연헬륨은 4.003g의 평균 질량을 지니고 있다. 12.01g의 천연 탄소 시료에는 4.003g의 천연 헬륨 시료와 같은 원자 수가 들어있다. 다시 말하면, 두 시료에는 모두 1mol의 원자가 들어있는 것이다. 



따라서 1몰이란 그램으로 표시된 어떤 원소의 원자 질량과 같은 질량의 천연 원소 시료로 정의된다. 또한 그 안에 1몰이 포함되어 있다. 이러한 관계는 원자 질량 단위와 그램 사이의 관계를 나타내어준다. 다시 말해, 6.022×10*23개의 탄소는 각 탄소 질량이 12u인 원자가 여러 개 모여 질량 12g을 구성하므로 이는

(6.022×10*23 원자) × (원자/12u) = 12g

6.022×10*23 u = 1g을 의미하게 된다.

이 식을 통해 원자 질량 단위와 그램 단위를 서로 환산할 수 있는 단윗값을 확인할 수 있었다.



이러한 값을 통해 여러 경우의 예시를 들 수 있는데, 예를 들어보면 천연에 존재하지 않는 원소인 아메리슘 시료의 질량을 그램 단위로 계산하기, 단위 질량당 강도 비가 많고 부식에 잘 견디는 알루미늄의 몰수와 원자 수 계산 등등이 있다.


원자들은 서로 모여 화합물을 결성한다. 예를 들어 천연가스의 주성분인 메테인은 하나의 탄소 원자와 네 개의 수소 원자가 합쳐진 분자들로 이루어져 있다. 메테인 1mol 질량을 계산하는 방식은 간단하다. 메테인 분자 하나에는 하나의 탄소 원자와 네 개의 수소 원자가 들어있듯이 각각의 질량을 더하면 메테인의 1mol 질량과 동일하다. 계산해 보면 탄소 1mol의 질량은 12.01g, 수소 4mol의 질량은 4.032로 합하게 되면 메테인 1mol의 질량은 16.04g이다. 이 숫자는 메테인 분자 1mol의 질량을 대표하므로 이것을 메테인의 몰 질량이라고 부른다. 따라서 몰 질량이란 그 화합물 1mol의 질량을 그램으로 표시한 것과 같다. 몰 질량은 분자량이라고도 부르기도 한다.



메테인은 구성 성분이 분자로 이루어진 분자 화합물이다. 하지만 메테인 말고도 다른 여러 화합물은 분자보다는 이온을 포함하고 있는 경우가 대다수이다. 이러한 경우 이온 화합물이라 부르는데 이온 화합물의 경우 분자를 포함하지 않으므로 이 화합물에 대한 기본 단위에 따로 명칭이 필요하다. 따라서 우리는 분자 대신 화학식 단위라는 이름을 사용한다. 예시를 들어보자. NaCl이나 CA CO*3 같은 물질들이 대표적인 이온 화합물이다. 



화학을 공부하는 이유 중의 하나는 문제를 푸는 행동강령을 기르는 것이다. 어려운 문제를 해결하는 법을 안다는 것은 인생에서의 다양한 어려움에 맞닥뜨렸을 때도 슬기롭게 대처할 수 있는 능력이 있음을 말한다. 화학에서의 기초 개념에 대한 이해를 통해 창조적이면서 창의적인 방법으로 여러 문제를 해결하는 법을 알려주는 것이 내 목표이다. 최종 목표는 새로운 문제를 자기 스스로 고치는 능력을 기르는 것이다.

 

이런 문제들도 물론 중요하지만 찾는데 들어가는 과정들이 더욱 중요하다고 볼 수 있다. 즉, 풀이 과정이 더 중요하다는 것이다. 수동적인 역할에 머물기보다는 전체의 과정 중 각 과정에 대해 확실히 이해하는 것이 중요한 것이다. 앞으로도 수동적 문제 풀이보다는 능동적으로 자신의 문제를 해결해 나가는 모습을 기대한다.