탄화수소의 연소 반응식 유도 방법 (미정계수법)

미정계수법

미정계수법이란 화학반응의 양쪽 균형을 맞추기 위해서 계수를 결정하는 방법을 말하는 것인데요, 화학반응식에서 각 화합물 앞에 미정의 계수를 둔 다음에 반응 전후의 원자 갯수가 같아야 한다는 점을 이용하는 것입니다. 이 간단하고 쉬운 방법을 통해 화학 반응식에서 정해지지 않은 미지의 계수를 결정할 수 있는데요, 화석연료 등 탄화수소의 연소 반응식을 미정 계수법으로 유도하는 방법을 정리해 보겠습니다.

 

탄화수소의 연소 반응

탄화수소(hydrocarbon, CxHy)는 탄소와 수소 만으로 이루어진 화합물을 말합니다. 그리고, 연소는 산소와 결합하는 반응이고, 기본적으로 산화 환원 반응이 되겠죠. 탄화수소의 연소로 인한 생성물은 이산화탄소(CO2)와 물(H2O)이므로, 이것을 바탕으로 미정계수법을 이용하여 탄화수소의 연소 반응식을 완성시켜 보면 되겠습니다.

탄화수소의 연소 반응, 생성물은 물과 이산화탄소

 

 

1. 반응물과 생성물을 화학반응식의 양쪽으로 작성을 합니다.

 

CxHy + O2 → CO2 + H2O

 

2. 반응식 좌측의 반응물 중 탄화수소에서 C의 개수는 x개, H의 개수는 y개이고, 우측에 미지의 계수를 둔다면, CO2의 계수는 x가 되고, H2O의 계수는 (y/2)가 됩니다.

 

CxHy + O2 → xCO2 + (y/2)H2O

 

3. 반응식의 우측에 xCO2에서 O의 개수는 2x, (y/2)H2O에서 O의 갯수는 (y/2)이므로 좌측에 O의 갯수는 2x + (y/2)가 되어야 합니다. 그러면, O2 분자에서 산소 원자의 개수가 2개이므로 2로 나누어주면 계수는 x + (y/4)가 됩니다.

 

CxHy + (x+y/4)O2 → xCO2 + (y/2)H2O

 

탄화수소의 연소 반응식이 완성이 되었습니다.

탄화수소의 연소 반응식 (화석연료의 연소 반응식)

 

4. 위의 반응식을 반드시 기억을 할 필요는 없습니다. 우리는 탄화수소가 산소와 반응하여 연소될 때 이산화탄소와 물이 생성물이라는 것을 알면, 메테인(메탄, methane), 에탄(ethane), 프로판(propane), 부탄(butane) 등 위의 1번에서부터 3번까지의 과정을 통해 쉽고 빠르게 연소 반응식을 완성시킬 수가 있습니다. 여기에 더해 아세트산(acetic acid, CH3COOH), 에탄올(ethanol, C2H5OH) 등도 마찬가지 과정으로 화학 반응식의 계수를 결정하여 완성시키는 것이 가능합니다.

 

• 에탄올 : C2H5OH + 3O2 → 2CO2 + 3H2O
• 아세트산 : CH3COOH + 2O2 → 2CO2 + 2H2O

 

화석연료 완전연소 반응식의 예시

화석연료란 말 그대로 화석으로 간주할 수 있는 연료를 말하는 것으로, 석탄이나 석유, 천연가스 등을 일컫습니다. 유기물로 생성된 에너지죠. 이러한 화석 연료는 탄화수소이므로 산소가 충분히 공급되는 완전연소의 경우에 이산화탄소가 물이 생성됩니다.

 

1. 석탄 (코크스, coke)

석탄은 탄소로 이루어진 코크스가 주성분인데요, 연소를 시키면 이산화탄소가 발생합니다. 반응식은 아래와 같습니다.

 

C(s) + O2(g) → CO2(g)

 

만약 불완전 연소의 경우라면 산소의 공급이 충분하지 않으므로, 2C + O2 → 2CO가 됩니다. 일산화탄소가 생성되는 것인데요, 이는 철의 제련 과정에서 산화철을 환원시키기 위한 산화제로 코크스(C)를 불완전 연소시켜 일산화탄소를 만드는 반응으로 활용됩니다.

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2. 천연가스 (메테인, methane)

천연가스는 메테인이 주성분인 화석연료인데, 메테인이 산화되고, 산소가 환원되는 반응으로 아래와 같습니다.

 

CH4(g) + 2O2(g) → CO2(g) + 2H2O(l)

 

3. 프로판 가스 (Propane)

프로판이 산화되고 산소가 환원되는 반응이겠죠.

 

C3H8(g) + 5O2(g) → 3CO2(g) + 4H2O(l)

 

4. 부탄가스 (Butane)

 

2C4H10(g) + 13O2(g) → 8CO2(g) + 10H2O(l)