화학 반응식 균형 맞추기

수소와 산소는 2 : 1 : 2 의 비율로만 물이 됩니다. 산소 분자 하나에 물 분자 둘을 만들 만큼의 산소가 들어 있기 때문입니다.

수소가 타는 반응을 H₂ + O₂ → H₂O 로 써 놓고 원자 수를 하나씩 세어 봅시다. 왼쪽에는 수소 원자 2개와 산소 원자 2개가 있습니다. 오른쪽에는 수소 원자 2개가 있지만 산소 원자는 1개뿐입니다. 산소 원자 하나가 어디론가 사라진 셈인데, 실제로는 그런 일이 일어날 수 없습니다. 물질 보존 법칙을 따르는 반응식이라면, 원소마다 양쪽에 있는 원자 수가 똑같아야 합니다. 이렇게 맞춘 반응식을 균형 맞춘 반응식(balanced equation)이라고 합니다.

계수만 바꾸고 아래 첨자는 바꾸지 않습니다

여기서 솔깃한 지름길이 하나 보입니다. H₂O를 H₂O₂로 바꿔 쓰면 산소 수가 단번에 맞습니다. 그러나 H₂O₂는 과산화 수소라는 다른 물질이라서, 반응식이 실제로 일어나지 않는 반응을 나타내게 됩니다. 아래 첨자는 그 물질이 무엇인지를 정하는 일부입니다. 그래서 반응식을 맞출 때 바꿔도 되는 숫자는 계수뿐입니다. H₂O 앞에 2를 붙이면 오른쪽은 수소 4개, 산소 2개가 됩니다. 이제 산소는 맞았지만 수소가 맞지 않으므로 H₂ 앞에도 2를 붙입니다. 2H₂ + O₂ → 2H₂O. 양쪽 모두 수소 4개, 산소 2개입니다.

살펴보며 맞추는 방법

학교에서 보는 반응식은 대부분 눈으로 하나씩 따져 보며 맞출 수 있습니다. 알맞은 순서로 계수를 하나씩 넣어 보고, 계수를 바꿀 때마다 원자 수를 다시 세는 방법입니다. 몇 가지 습관을 들여 두면 더 빨리 맞출 수 있습니다. 먼저 양쪽에서 각각 한 물질에만 들어 있는 원소부터 시작합니다. O₂, H₂, Fe처럼 홑원소로 있는 것은 계수를 바꿔도 다른 원소에 영향이 없으므로 마지막에 맞춥니다. NO₃나 SO₄처럼 원자 묶음이 반응 동안 그대로 남으면 한 덩어리로 셉니다. 끝으로 모든 원소를 다시 세고, 계수가 가장 작은 정수인지 확인합니다.

이번에는 프로페인 반응식을 맞춰 봅시다. 프로페인은 캠핑용 가스통에 들어가는 연료로, 흔히 뷰테인과 섞여 있습니다. C₃H₈ + O₂ → CO₂ + H₂O. 먼저 탄소부터 맞춥니다. 왼쪽에 있는 탄소 3개에 맞추려면 오른쪽에 3CO₂가 필요합니다. 다음은 수소입니다. 왼쪽의 수소 8개에 맞추려면 4H₂O가 필요합니다. 이제 오른쪽 산소를 세면 3 × 2 + 4 × 1 = 10개이므로 왼쪽에 5O₂가 필요합니다. 균형 맞춘 반응식은 C₃H₈ + 5O₂ → 3CO₂ + 4H₂O 입니다. OpenStax 교과서도 질소와 산소가 오산화 이질소를 만드는 반응을 같은 방법으로 풀어 2N₂ + 5O₂ → 2N₂O₅ 를 얻습니다.

분수가 나올 때

가장 빠른 방법으로 맞추다 보면 분수가 나오기도 합니다. 물 1몰을 만드는 수소의 연소는 H₂ + ½O₂ → H₂O 로 쓸 수 있고, 연소 에너지 표는 연료 1몰을 기준으로 하므로 이런 꼴을 자주 씁니다. 이것을 정수로 바꾸려면 모든 계수에 똑같이 2를 곱하면 됩니다. 에탄올의 C₂H₅OH + 3O₂ → 2CO₂ + 3H₂O 는 이미 정수이지만, 철이 녹스는 반응을 2Fe + 1½O₂ → Fe₂O₃ 로 맞췄다면 2를 곱해 4Fe + 3O₂ → 2Fe₂O₃ 가 됩니다.

실험실은 반응식의 균형은 맞았지만 계수가 가장 작은 정수가 아닌 경우도 따로 알려 줍니다. 4H₂ + 2O₂ → 4H₂O 도 균형은 맞지만 모든 계수를 2로 나눌 수 있으므로 2H₂ + O₂ → 2H₂O 로 씁니다. 두 식이 나타내는 비율은 똑같고, 더 작은 수로 쓰는 것은 그저 정해진 관례일 뿐입니다.