미정계수법으로 화학 반응식 계수 완성하는 방법

화학반응에서 반응물과 생성물 간의 양적 관계를 정확하게 알기 위해서는 화학반응식의 계수비가 중요합니다. 계수비가 바로 반응 몰비, 그리고 기체의 경우 부피비가 되기 때문인데요, 미정계수법은 기본적으로 반응 전의 원자수와 반응 후의 원자수가 같다는 것을 바탕으로 계수를 맞추는 것입니다. 사례를 들으서, 화학 반응식을 완성시키는 내용을 간략하게 정리해 보겠습니다.

 

암모니아(NH3) 합성 반응

1906년에 하버(Haber)가 질소 비료의 원료가 되는 암모니아(NH3)를 대량 합성하는 방법을 개발하였습니다. 공기 중의 질소(N2)와 수소(H2)를 반응시켜서 암모니아(NH3)를 만드는 것인데, 고온, 고압 환경 하에서 철 촉매를 사용하였죠.

 

이 반응식은 간단하지만 중요한 반응이므로, 화학 반응식을 미정계수법으로 완성시키는 내용을 정리해 보겠습니다.

 

1. 수소와 질소가 반응하여 암모니아가 생성하는 반응을 나타낸다.

 

N2 + H2 → NH3

 

2. 각 반응물과 생성물에 임의의 계수를 붙인다.

 

aN2 + bH2 → cNH3

 

3. 원자의 종류와 개수로 양변을 정리한다.

 

N : 2a = c

H : 2b = 3c

 

4. a=1을 대입하고, 나머지 값들을 계산한다.

 

c=2, b=3

여기서 정수가 아닌 값이 나오면 비를 조정하여 모두 정수로 만들어주면 됩니다. 그리고, 반드시 a=1을 넣어야 되는게 아니라 임의의 미지수에 임의의 값을 넣어주면 됩니다. 계산만 되면 되는 거죠.

 

5. 화학반응식을 완성한다.

 

N2(g) + 3H2(g) → 2NH3(g)

 

질소와 수소가 반응하여 암모니아를 합성하는 반응은, 물질의 양(mol)은 1:3:2의 반응이네요. 암모니아 합성 반응에서 화학 반응식의 양적 관계가 정리된 내용은 아래 내용을 참고하시기 바랍니다.

 

https://jcspirit.tistory.com/422

암모니아(NH3) 합성 반응식의 양적 관계 정리

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에테인(Ethane, C2H6)의 완전 연소 반응

에테인(C2H6)는 탄화수소로, 연소 반응, 즉 산소와 반응하면 이산화탄소가 물이 생성됩니다. 이 반응식을 미정계수법으로 완성시켜 보죠.

 

1. 에테인이 연소하여 이산화탄소와 물이 생성되는 반응식을 적는다.

 

C2H6 + O2 → CO2 + H2O

 

2. 각 반응물과 생성물에 임의의 계수를 붙인다.

 

aC2H6 + bO2 → cCO2 + dH2O

 

물론, x, y, z, w 이렇게 붙여도 무관합니다.

 

3. 원자의 종류와 개수로 양변을 정리한다.

 

C : 2a = c

H : 6a = 2d

O : 2b = 2c + d

 

4. a=1을 대입하고, 나머지 값들을 계산한다.

 

c=2, d=3, b=7/2

정수비로 정리하면, a=2, b=7, c=4, d=6

 

5. 화학반응식을 완성한다.

 

2C2H6(g) + 7O2(g) → 4CO2(g) + 6H2O(l)

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참고로 탄화수소, 화석연료의 연소 반응식은 아래와 같이 정리할 수 있습니다.

https://jcspirit.tistory.com/423

탄화수소의 연소 반응식 유도 방법 (미정계수법)

 

위와 같이 화학반응식을 완성하면 반응물과 생성물의 양(mol)이나 질량(g)을 알았을 때 아래와 같이 나머지 화학 반응에 참여한 물질의 양(mol)과 질량도 간단하게 계산할 수 있습니다. 기체의 경우 부피도 계산할 수가 있죠. 화학 반응식의 양적 관계를 정리하기 위해서는 필요하므로, 간단한 방법만 숙지해 두면 되겠습니다.