몰

쌀알을 하나하나 세는 대신 한 되, 한 말로 담아 센다. 연필은 12자루씩 묶어 한 다스로 판다. 원자와 분자는 이보다 훨씬 작아서 한 숟가락의 물에도 셀 수 없을 만큼 많이 들어 있다. 화학자는 이렇게 작은 입자를 어떤 묶음으로 셀까?

물질 (0 물, 1 이산화 탄소, 2 설탕)

질량 (g)

1.2.1몰이라는 묶음

탄소 원자 하나의 질량은 약 \(2 \times 10^{-23}\) g이다. 이런 수로 계산하기는 불편하므로, 화학자는 원자를 정해진 개수씩 묶어 센다. 그 개수는 질량수 12인 탄소 12 g 속에 든 원자의 수로 정했고, 그 값이 약 \(6.02 \times 10^{23}\)이다.

왜 하필 이 수일까? 원자량은 탄소 원자를 12로 놓고 비교한 상대적인 질량이다. 그러므로 어떤 원자든 \(N_A\)개를 모으면 그 질량이 원자량에 g을 붙인 값이 된다. 수소 원자 1몰은 1 g, 산소 원자 1몰은 16 g이고, 물 분자 1몰은 \(2 + 16 = 18\) g이다. 이 묶음 덕분에 저울로 잰 질량을 곧바로 입자 수로 바꿀 수 있다.

그림 1에서 물질과 질량을 바꾸어 보자. 18 g의 물과 18 g의 설탕은 질량이 같지만, 설탕 분자 하나가 물 분자보다 19배쯤 무거워 분자 수는 훨씬 적다.

1.2.2기체 1몰의 부피

기체 분자 사이의 거리는 분자 자체의 크기보다 훨씬 크다. 그래서 같은 온도와 압력에서는 분자의 종류와 상관없이 같은 수의 분자가 같은 부피를 차지한다. 이것이 아보가드로 법칙이다. 0 °C, 1기압에서 기체 1몰의 부피는 약 22.4 L이다.¹

1.2.3예제 풀이

몰 질량은 \(12 + 16 \times 2 = 44\) g/mol이므로 몰수는 \(\dfrac{11}{44} = 0.25\) mol이다. 분자 수는 \(0.25 \times 6.02 \times 10^{23} \approx 1.5 \times 10^{23}\)개이다.

분자 하나에 산소 원자가 2개 있으므로 산소 원자 수는 \(3.0 \times 10^{23}\)개, 곧 0.5 mol이다. 부피는 \(0.25 \times 22.4 = 5.6\) L이다.

몰은 화학 반응을 셈하는 공통의 단위이다. 반응식의 계수가 입자 수의 비이므로, 질량을 몰수로 바꾸기만 하면 무엇이 얼마나 반응하는지 알 수 있다. 아래 탐구 카드에서 몰의 뜻과 기체의 몰 부피, 몰 질량을 직접 따져 보자.

1. 25 °C, 1기압에서는 기체 분자가 더 활발히 움직여 1몰의 부피가 약 24.5 L로 늘어난다. 몰 부피는 온도와 압력에 따라 달라지지만, 같은 조건에서는 기체의 종류와 상관없다.