고등학교 1~2학년 (15-17세)

화학 반응식과 양적 관계

Stoichiometry

화학 반응식에서는 어떤 물질이 반응해 무엇이 생기는지뿐 아니라, 얼마만큼씩 반응하는지도 읽을 수 있어요. 계수의 비가 곧 몰수의 비이고, 같은 온도와 압력의 기체끼리는 부피의 비도 같아요. 반응물 가운데 하나가 먼저 바닥나면 반응이 멈추는데, 이 한정 시약이 생성물의 양을 정하고 나머지 반응물은 남아요. 그래도 반응 전후 원자의 수는 그대로여서 전체 질량은 보존돼요. 그림에서 수소와 산소의 양을 바꾸면 몰수의 비, 먼저 바닥나는 반응물, 질량 보존을 차례로 확인할 수 있어요.

화학 반응식에서 읽을 수 있는 것

반응하는 H₂ 의 몰수2 mol

💡 계수 = 몰수의 비

①2H₂ + O₂ → 2H₂O 의 계수비는 2 : 1 : 2 다

②분자 수의 비이자 몰수의 비이므로, H₂ 2 mol 은 O₂ 1 mol 과 반응해 H₂O 2 mol 을 만든다

③H₂ 를 늘리면 세 막대가 언제나 2 : 1 : 2 를 지키며 함께 커진다

④질량으로 보면 H₂ 4 g 과 O₂ 32 g 이 만나 H₂O 36 g 이 된다. 몰수의 합은 3 mol 에서 2 mol 로 줄지만 질량의 합은 그대로다

한정 시약

넣은 H₂4 mol

넣은 O₂1.5 mol

한정 시약 찾기

각 반응물의 투입 mol계수 를 비교 → 가장 작은 것이 한정 시약

한정 시약이 다 쓰이면 반응이 멈추고, 생성물의 양은 한정 시약이 정한다

🔍 그림의 처음 상태로 확인

①H₂ 4 mol 이 모두 반응하려면 O₂ 가 4 ÷ 2 = 2 mol 필요한데, 넣은 O₂ 는 1.5 mol 뿐이다

②그래서 O₂ 가 먼저 바닥나는 한정 시약이다. O₂ 1.5 mol 은 H₂ 3 mol 과 반응해 H₂O 3 mol 을 만든다

③쓰이지 못한 H₂ 1 mol 은 그대로 남는다. 이렇게 남는 반응물을 과량 시약이라고 한다

④O₂ 를 2 mol 로 올리면 두 반응물이 남김없이 반응하고, 그보다 많이 넣으면 이번에는 H₂ 가 한정 시약이 된다

질량 보존 법칙

질량 보존

반응물의 질량 합 = 생성물의 질량 합

반응은 원자의 짝을 바꿀 뿐 원자를 새로 만들거나 없애지 않는다

몰수 → 질량

m = n × M

n: 몰수, M: 몰 질량(g/mol)

💡 양적 관계를 푸는 순서

①계수를 맞춰 화학 반응식을 완성한다. 반응 전후 원소마다 원자 수가 같아야 한다

②주어진 양(질량, 기체 부피, 입자 수)을 몰수로 바꾼다

③계수비로 구하려는 물질의 몰수를 구한다

④그 몰수를 문제에서 요구하는 단위(질량, 부피 등)로 다시 바꾼다

직접 풀어보기

예제 1

2H₂ + O₂ → 2H₂O 에서 H₂ 4 mol이 완전히 반응할 때 생성되는 H₂O의 몰수는?

계수비가 곧 몰수비이므로 H₂ 와 H₂O 의 몰수비를 적는다.

H₂ : H₂O = 2 : 2 = 1 : 1

몰수비가 1 : 1 이므로 반응한 H₂ 의 몰수가 그대로 생성된 H₂O 의 몰수다.

4 mol H₂ → 4 mol H₂O

▸ 4 mol

첫 그림에서 H₂ 를 4 mol 로 두면 H₂O 막대도 4 mol 이 된다. 이때 필요한 O₂ 는 2 mol 이다.

예제 2

C + O₂ → CO₂ 에서 탄소(C) 6 g이 완전 연소할 때 생성되는 CO₂의 질량은? (C=12, O=16)

탄소의 질량을 몰수로 바꾼다.

n(C) = 6 g ÷ 12 g/mol = 0.5 mol

계수비 C : CO₂ = 1 : 1 로 CO₂ 의 몰수를 구하고, 몰 질량 M(CO₂) = 12 + 2 × 16 = 44 g/mol 을 곱한다.

0.5 mol × 44 g/mol = 22 g

▸ 22 g

질량 → 몰수 → 계수비 → 몰수 → 질량의 순서를 그대로 밟았다. 탄소 6 g 에 산소 16 g 이 더해져 CO₂ 22 g 이 되니 질량도 보존된다.

총정리

양적 관계의 핵심

계수비 = 몰수비 = 분자 수비 = 부피비(같은 온도 · 압력의 기체)

화학 반응식의 계수에서 모든 양적 관계가 출발한다

2022 평가원 모평 화학Ⅰ 유형 변형

N₂ + 3H₂ → 2NH₃ 에서 N₂ 2 mol과 H₂ 3 mol을 반응시킬 때, 생성되는 NH₃의 최대 몰수는? (한 반응물이 부족)

①1 mol

②2 mol

③3 mol

④4 mol

⑤6 mol

▸ ② 2 mol

N₂ 2 mol 을 모두 쓰려면 H₂ 가 2 × 3 = 6 mol 필요한데, H₂ 는 3 mol 뿐이므로 H₂ 가 한정 시약이다.

한정 시약 H₂ 3 mol 에 계수비 NH₃ : H₂ = 2 : 3 을 적용한다.

3 mol H₂ × 23 = 2 mol NH₃

🎯 시험 포인트

①계수비는 몰수비이고, 같은 온도와 압력의 기체라면 부피비이기도 하다

②한정 시약은 각 반응물의 몰수를 계수로 나눈 값이 가장 작은 것이다

③반응 전후 전체 질량은 변하지 않지만, 전체 몰수는 변할 수 있다

④몰수 → 질량은 m = n M, 0 ℃ · 1 기압 기체의 몰수 → 부피는 V = 22.4 L × n

⑤계수 맞추기: 원소마다 반응 전후 원자 수를 같게 한다

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마지막 수정 2026-10-17

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