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중학교 3학년 (14-15세)

질량 보존 법칙

Law of Conservation of Mass

화학 반응이 일어나도 원자는 짝만 바꿀 뿐 새로 생기거나 없어지지 않아요. 그래서 반응 전 물질의 질량을 모두 더한 값과 반응 후 물질의 질량을 모두 더한 값이 같아요. 레고 블록으로 지은 집을 허물고 자동차를 조립해도 블록 개수는 그대로인 것과 같은 이치예요. 그릇이 열려 있으면 생긴 기체가 공기 중으로 빠져나가 질량이 줄어든 것처럼 보이지만, 그 기체까지 함께 달면 질량은 처음과 같아요. 아래 저울에는 왼쪽 접시에 반응 전 물질이, 오른쪽 접시에 반응 후 물질이 올라가 있고, 두 접시는 수평을 이뤄요.

반응이 일어나면 질량은 어떻게 될까

⚖️ 블록을 다시 조립해도 개수는 그대로
①레고 블록으로 지은 집을 허물어 자동차를 만들면 모양은 완전히 달라진다
②그래도 블록 하나하나는 그대로 남아 있으니 블록 전체의 무게는 변하지 않는다
③화학 반응에서 블록에 해당하는 것이 원자이고, 반응은 원자들이 짝을 바꾸는 일일 뿐이다

저울 두 접시로 비교하기

질량이 보존되는 까닭

🔬 원자의 종류와 개수가 그대로
①화학 반응은 원자들이 서로 짝을 바꾸어 새 물질을 만드는 일이다
②반응 중에 원자가 새로 생기거나 사라지지 않으므로 반응 전후 원자의 종류와 개수가 같다
③원자마다 질량이 정해져 있으니 원자를 모두 더한 총 질량도 같다
④4Fe + 3O₂ → 2Fe₂O₃에서 철 원자 4개와 산소 원자 6개가 양쪽에 똑같이 들어 있다
⑤그릇이 열려 있으면 기체가 들어오거나 나가 질량이 변한 듯 보이지만, 드나든 기체까지 세면 같아진다

정리

질량 보존 법칙
반응 전 총 질량 = 반응 후 총 질량
라부아지에가 밀폐 용기에서 정밀하게 질량을 재어 밝혔다(1774년)
🎯 시험에 자주 나오는 것
①반응 전 물질의 총 질량과 반응 후 물질의 총 질량은 같다
②원자의 종류와 개수가 반응 전후에 그대로이기 때문이다
③밀폐 용기에서는 기체가 생겨도 전체 질량이 변하지 않는다
④열린 그릇에서 기체가 빠져나가면 질량이 줄고, 공기 중 산소와 결합하면 질량이 늘어 보인다
⑤앙금 생성 반응과 연소 반응 모두에서 성립한다

예제와 단원평가

예제 1
밀폐 용기 안에서 강철솜 56 g이 산소 24 g과 모두 반응해 산화 철(Fe₂O₃)이 되었다. 생긴 산화 철의 질량은 몇 g인가?
1
밀폐 용기라 드나든 물질이 없으므로 반응 전 총 질량과 반응 후 총 질량이 같다.
2
반응 전 총 질량은 56 g + 24 g = 80 g이고, 반응 후에는 산화 철만 남으므로 산화 철의 질량도 80 g이다.
▸ 80 g
위 저울의 철의 연소 그림이 바로 이 경우로, 왼쪽 접시 80 g과 오른쪽 접시 80 g이 수평을 이룬다.
예제 2
열린 그릇에서 나무를 태웠더니 남은 재가 처음 나무보다 훨씬 가벼웠다. 질량 보존 법칙이 깨진 것일까?
1
나무가 탈 때 공기 중 산소와 반응해 이산화 탄소와 수증기가 생기고, 이 기체들은 열린 그릇 밖으로 빠져나간다.
2
빠져나간 기체를 모두 모아 달면 (나무 + 반응한 산소)의 질량과 (재 + 이산화 탄소 + 수증기)의 질량이 같다.
▸ 깨지지 않았다. 빠져나간 기체까지 더하면 반응 전후 질량이 같다
강철솜을 열린 곳에서 태우면 반대로 더 무거워지는데, 공기 중 산소가 붙기 때문이다. 어느 쪽이든 드나든 기체를 세면 질량은 보존된다.
단원평가 유형
질량 보존 법칙에 대한 설명으로 옳은 것은?
①화학 반응이 일어나면 원자가 새로 생기거나 사라진다
②밀폐 용기 속 반응에서는 반응 전후 총 질량이 같다
③앙금 생성 반응에서는 질량이 보존되지 않는다
④열린 그릇에서 기체가 발생하면 질량 보존 법칙이 깨진다
⑤질량 보존 법칙은 물리 변화에서만 성립한다
▸ ② 밀폐 용기 속 반응에서는 반응 전후 총 질량이 같다
1
화학 반응은 원자의 재배열이라 원자가 새로 생기거나 사라지지 않고(①X), 앙금 반응에서도 질량은 보존된다(③X).
2
열린 그릇에서 기체가 빠져나가도 기체를 포함하면 질량은 보존되며(④X), 질량 보존은 화학 변화에서도 성립한다(⑤X). 밀폐 용기 반응에서 반응 전후 총 질량은 같다(②O).
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