분자량, 몰 질량 등

화학량론 및 열역학 등에서 사용되고 있는 화학식량(Formula weight), 분자량(Molecular weight), 원자량(Relative atomic mass / Relative atomic weight), 몰 질량(Molar mass), 몰 농도(molarity 또는 Molar concentration) 등에 대해 공유하고자 한다.

 

 

 

분자량, 몰 질량 등

 

분자량 vs. 몰 질량

한국을 비롯한 많은 국가에서 분자량(화학식량)과 몰 질량이 동의어라고 하거나 화학식량의 단위가 g/mol이라고 하는 등 틀리게 설명하는데 차원을 분석해보면 몰 질량은 MN^−1이고 분자량(화학식량)은 무차원으로 둘이 서로 다른 물리량임을 알 수 있다. 이렇게 용어가 뒤죽박죽이 된 이유는 다음 표와 같이 분자량(화학식량)에 g/mol만 붙이면 사실상 몰 질량이 되기 때문이다.

 

<표 1> 화합물의 분자량(amu), 몰질량(g/mol) 및 분자 1개의 질량(g) 관계

 

 

화학식량(Formula weight)

원자량, 분자량, 이온식량 등을 포괄하는 용어로서 단위가 없는 무차원 물리량이다.

화학식에 포함된 원자량의 총합으로 단순히 '식량'이라고도 한다. 원자량이 12C 1개 질량의 1/12을 기준으로 삼은 상댓값으로서 단위가 없는 무차원량인만큼 화학식량 역시 단위가 없는 무차원량이다.

 

● 분자량(Molecular weight)

- 영어 명칭은 "분자 무게"지만, 분자량은 무게가 아니라 분자의 상대 질량을 나타내는 물리량이다.

- 분자의 질량은 엄청 작기 때문에 일상 생활에서 쓰이는 질량 단위인 g을 써서 나타내기는 힘들다. 따라서 질량수가 12인 탄소-12(12C)의 원자량을 12로 정하여 탄소를 기준으로 다른 원자들의 상대적인 원자량을 정한다. 그 후, 분자를 구성하는 각각의 원소들의 평균 원자량에 원자수를 곱한 값을 합하여 분자량을 구한다.

- 기체 분자량의 경우 이상 기체 방정식으로 구할 수도 있다. PV=nRT에서 n=m/M이므로 M=mRT/(PV)​로 몰 질량을 구할 수 있고 이를 몰 질량 상수 Mu ​= 0.999 999 999 65(30)g/mol ≒ 1g/mol로 나누면 분자량이 얻어진다.

'통일 원자 질량 단위 mu​ = 1.660 539 066 60(50)×10^−24g = 1Da을 기준으로 삼은 상대 질량'이라고도 표현한다.
즉, 12C의 질량은 정확하게 12mu​이며 12Da으로도 나타내기도 한다.

- 원칙적으로 분자량은 질량수가 12인 탄소-12를 기준으로 한 상대적인 비(比)이므로 단위가 없는 무차원량이다.

하지만 물질량이 다른 물리량을 통해 간접적으로 계산되는 만큼, 실제 실험 등에서는 분자량이 아닌 분자량에 몰 질량 상수를 곱한 몰 질량을 이용하거나, 분자량에 Da=amu를 붙인 실제 질량을 이용한다.

 

● 원자량(Relative atomic mass / Relative atomic weight)

- 원자 질량 상수 mu​=1Da=1.660 539 066 60(50)×10^−27kg를 기준으로 삼은 각종 원자 질량의 상댓값.

- mu​는 질량수가 12인 탄소 원자 12C의 질량의 1/12​과 같으며 12C의 질량을 12라 놓았을 때의 상대량으로 이해해도 좋다.

- 원소 X의 원자량은 기호 Ar​을 이용해서 Ar​(X)와 같이 나타낸다. 표준 원자량의 경우 Ar,standard​(X)로 나타낸다.

- 상대적인 값이기 때문에 차원이 없고 단위도 없다. 그러나 실제로 화학량론에서 계산을 할 때에는 원자량에 g/mol이라는 단위를 붙여서 사용한다.

 

 

몰(mole, 기호: mol) 관련 용어

몰(mole, 기호: mol)은 물질량을 나타내는 국제단위계의 기본 단위이며, 화학에서 많이 쓰이는 단위이기도 하다.

2019년 SI 기본단위 재정의 전에는 1몰은 탄소-12 12 g의 원자의 물질량으로 정의되었다.

하지만 2019년에 아보가드로 상수가 NA = 6.022 140 76×10^23 /mol가 되도록 하는 단위로 재정의되었다.

1몰에 해당하는 입자의 수인 6.022 140 76×10^23은 아보가드로 수라고 부른다.

 

용액의 농도를 물질량을 이용하여 표시할 수 있는데, 몰랄 농도는 단위 질량의 용매 속에 들어 있는 용질의 물질량이며, 몰 농도는 단위 부피의 용액 속에 들어 있는 용질의 물질량이다.

 

● 물질량(物質量)

 

물질량은 어떤 물질을 구성하는 요소 입자(elementary entity)의 개수를 나타내는 물리량으로, 일반적으로 기호 n

으로 나타내며 단위는 몰(mol)이고 차원은 N이다. 교육현장에서는 대체로 '몰 수'라는 용어를 사용한다.

- 구체적으론 어떤 물질의 질량을 m(단위는 g), 몰 질량을 M(단위는 g/mol)이라고 할 때 물질량 n은 다음과 같이 구한다.

n = m / M

 

 

● 몰 질량(Molar mass)

 

- 화학식량, 즉 화학식에 포함된 원자량의 총합에 몰 질량 상수 Mu​=0.999 999 999 65(30)g/mol을 곱한 물리량으로, 단위는 g/mol이다. 어떤 물질 X의 몰 질량은 M(X)로 나타낸다.

- 몰 질량(Molar mass)은 어떤 분자의 개수가 1mol일 때 그 질량을 가리키는 단위이다.

- 몰 질량의 국제단위계 단위(SI 단위)는 kg/mol이다. 그러나 역사적인 이유로 거의 g/mol 단위를 사용한다.

- 원소의 경우 원자 질량에 원자 질량 단위 대신 몰 질량 단위 g/mol를 붙이면 몰 질량이 된다.

 

● 몰 농도(molarity 또는 Molar concentration)

 

몰 농도(molarity 또는 Molar concentration)는 용액 1리터 속에 녹아 있는 용질의 양을 몰(mole, 기호: mol)로 나타낸 것을 말한다.

- 몰 농도는 화학에서 주어진 단위 체적 내에서, 용액 속의 용질의 농도 또는 분자나 이온 그리고 원자 종의 농도의 척도가 된다.

- 몰 농도는 다음 식과 같이 용액의 단위 부피 당 양으로 정의된다.

 

c =n / V = N / (NA V) = C / NA.

여기서, n은 용질의 양(몰의 수), N는 부피 V에 들어 있는 분자의 수, C는 수밀도(N/V 비), 그리고 NA는 아보가드로 수, 약 6.022×10^23 / mol.

또는 좀 더 간단하게: 1 molar = 1 M = 1 mol/L이다.

 

 

● 몰랄 농도(Molality)

 

이 물리량은 온도나 압력에 의해 변하는 부피가 정의에 포함된 몰 농도의 문제점을 피하기 위해 고안되었다.

온도나 압력에 의해 변하지 않는 질량을 사용하는데, 용액의 질량이 아닌 용매의 질량을 사용한다는 점이 특징이다.

- 용질의 물질량이 n, 용매의 질량이 m(solvent​)라고 할 때 몰랄 농도 b는 다음과 같다.

 

b = n / m(solvent)

 

- 정의에서 각 물리량의 단위에 따라 몰랄 농도의 단위로서 mol/kg을 쓰는 것이 권장되지만, 몰 농도의 단위를 M으로 쓰는 것처럼 몰랄 농도도 m 또는 m으로 쓰고 '몰랄(molal)'이라고 읽는데, 국제단위계에서는 인정하지 않고 있다.

- 1mol/kg은 용매 1 kg에 용질 1 mol이 녹아 있다는 뜻이다. 이 몰랄 농도를 이용해서 증기압 내림, 끓는점 오름, 어는점 내림 등 묽은 용액의 성질을 정확히 기술할 수 있다.

 

Reference : 위키백과