화학 반응식과 질량 보존 — 반응 앞뒤의 질량이 같은 이유

장작이 다 타고 나면 한 줌 재만 남습니다. 질량이 어디론가 사라진 것처럼 보입니다. 거꾸로 강철 솜을 태우면 타기 전보다 무거워집니다. 그런데 교과서는 화학 반응에서 질량은 보존된다고 합니다. 어느 쪽이 맞을까요. 둘 다 맞습니다. 저울에 올리지 않은 것이 있을 뿐입니다. 화학 반응식 앞뒤의 질량이 왜 같아야 하는지, 식은 어떻게 맞추는지, 그리고 질량이 변하는 것처럼 보이는 때는 무엇을 빠뜨린 것인지 따라가 봅니다.

화학 반응은 원자를 다시 짝짓는 일입니다

수소가 타서 물이 되는 반응을 입자로 그려 봅니다. 수소 분자 둘과 산소 분자 하나가 만나 물 분자 둘이 됩니다. 반응 전에 수소 원자가 넷, 산소 원자가 둘이었는데 반응 뒤에도 수소 원자 넷, 산소 원자 둘입니다. 바뀐 것은 누가 누구와 붙어 있는가뿐입니다. 화학 반응은 원자를 만들거나 없애는 일이 아니라 원자의 결합 상대를 바꾸는 일입니다.

원자 하나하나의 질량은 반응을 거쳐도 그대로입니다. 원자의 종류와 수가 같으니 전체 질량도 같습니다. 이것이 질량 보존 법칙입니다. 라부아지에는 밀폐한 유리 용기 안에서 금속을 태우고 용기째 저울에 올려, 타기 전과 뒤의 질량이 같다는 것을 보였습니다. 열린 그릇에서 재던 사람들이 놓친 공기 속 산소까지 저울에 함께 올린 것입니다.

반응식은 이렇게 맞춥니다

화학 반응식은 이 원자 셈을 기호로 적은 것입니다. 화살표 왼쪽에 반응물, 오른쪽에 생성물의 화학식을 쓰고, 양쪽의 원자 수가 같아지도록 화학식 앞에 계수를 붙입니다. 화학식 자체는 건드리지 않습니다. 물의 $\mathrm{H_2O}$ 를 $\mathrm{H_2O_2}$ 로 고치면 식은 맞아 보여도 물이 아니라 과산화 수소가 됩니다.

계수는 분자 수의 비입니다. 수소 2분자와 산소 1분자가 물 2분자가 된다는 뜻이고, 분자 수의 비는 곧 몰 수의 비이기도 합니다. 그래서 계수에 분자의 질량을 곱하면 반응하는 질량을 셀 수 있습니다. 수소 4 g 과 산소 32 g 이 반응하면 물 36 g 이 생깁니다. 왼쪽 36 g, 오른쪽 36 g 입니다. 반응물과 생성물이 모두 기체이면 같은 온도와 압력에서 부피의 비도 계수의 비와 같아서, 수소와 산소와 수증기는 2 : 1 : 2 의 부피로 반응합니다.

질량이 변하는 것처럼 보일 때

장작이 타면 탄소와 수소가 공기 속 산소와 결합해 이산화 탄소와 수증기가 되어 기체로 날아갑니다. 남은 재만 저울에 올리면 가벼울 수밖에 없습니다. 날아간 기체와 들어간 산소까지 밀폐 용기 안에 가두고 재면 질량은 같습니다. 강철 솜이 무거워지는 것은 반대 방향의 같은 이야기입니다. 철이 공기 속 산소와 결합해 산화 철이 되니, 붙은 산소만큼 무거워집니다. 이것도 밀폐 용기 안에서는 변화가 없습니다.

시험에 자주 나오는 것은 탄산 칼슘과 묽은 염산의 반응입니다. 거품을 내며 이산화 탄소가 생기는데, 열린 비커에서는 기체가 빠져나가 저울 눈금이 줄어들고, 마개를 닫은 플라스크에서는 그대로입니다. 반면 중화 반응이나 앙금이 생기는 반응은 기체가 나가지 않으니 열린 비커에서 재도 질량이 변하지 않습니다. "질량이 변했다" 로 보이면 언제나 기체가 드나들었는지부터 봅니다.

시험에서는 이렇게 나옵니다

• 계수 맞추기. 양쪽의 원자 수를 원소별로 세어 맞춥니다. 산소처럼 홑원소 물질로 서 있는 것은 맨 나중에 맞추면 쉽습니다.
• 반응 앞뒤에 보존되는 것과 아닌 것. 보존 — 원자의 종류, 원자의 수, 질량. 보존되지 않음 — 분자의 수, 기체의 부피. 암모니아 합성은 분자 넷이 둘이 됩니다.
• 질량 계산. 계수에 분자량을 곱해 반응하는 질량의 비를 내고, 한쪽이 주어지면 남는 반응물까지 묻습니다.
• 열린 용기와 닫힌 용기. 기체가 생기는 반응은 열린 용기에서 질량 감소, 금속의 연소는 열린 용기에서 증가, 밀폐하면 변화 없음. 앙금·중화 반응은 열린 용기에서도 변화 없음.
• 기체 반응의 부피비. 같은 온도·압력에서 계수의 비. 수소 : 산소 : 수증기 = 2 : 1 : 2.

자주 헷갈리는 것

• "계수를 맞추려고 화학식의 첨자를 고친다" — 첨자를 바꾸면 다른 물질이 됩니다. 식을 맞추는 자리는 화학식 앞의 계수뿐입니다.
• "반응 전후에 분자 수도 같다" — 원자 수가 같은 것이지 분자 수는 달라질 수 있습니다. 수소 2분자와 산소 1분자, 셋이 물 2분자가 됩니다.
• "장작이 타면 질량이 없어진다" — 기체가 되어 날아갔을 뿐입니다. 날아간 것까지 재면 보존됩니다.
• "질량 보존은 밀폐 용기에서만 성립한다" — 법칙은 언제나 성립합니다. 밀폐는 법칙의 조건이 아니라 빠짐없이 재기 위한 방법입니다.

정리합니다. 화학 반응은 원자의 결합 상대를 바꾸는 일이라 원자의 종류와 수가 그대로이고, 그래서 질량이 보존됩니다. 화학 반응식은 그 원자 셈을 적은 것이며, 화학식은 두고 계수로만 양쪽의 원자 수를 맞춥니다. 질량이 달라 보이는 때는 기체가 드나든 것을 저울에 올리지 않은 때입니다.