화학 반응에서의 질량 보존 법칙 실험 방법

화학 반응에서의 질량 보존 법칙은 모든 화학 반응에서 반응 전의 전체 질량과 반응 후의 전체 질량이 같다는 자연 법칙입니다. 이는 앙투안 라부아지에(Antoine Lavoisier)에 의해 처음으로 체계적으로 제시되었으며, 오늘날 화학의 기본 법칙 중 하나로 자리잡고 있습니다. 이 글에서는 질량 보존 법칙의 개념을 소개하고, 실제 실험을 통해 이를 확인하는 방법을 단계별로 안내합니다.

질량 보존 법칙이란?

화학 반응에서는 물질이 다른 물질로 변화하지만, 원자의 총 수는 변하지 않으며, 따라서 전체 질량도 보존됩니다. 이 법칙은 다음과 같이 표현할 수 있습니다:

$$\text{총 질량}_{\text{반응 전}} = \text{총 질량}_{\text{반응 후}}$$

이는 열린계에서는 성립하지 않을 수 있지만, 외부와 차단된 밀폐계(closed system)에서는 항상 성립합니다.

실험 준비물

• 비커 또는 플라스틱 투명컵 2개
• 전자저울 (0.01g 단위 측정 가능)
• 밀폐 가능한 투명 플라스틱병 또는 지퍼백
• 식초 (초산 수용액, CH₃COOH)
• 베이킹 소다 (탄산수소나트륨, NaHCO₃)
• 고무 마개 또는 밀폐용 캡
• 스푼, 깔때기, 기록지

실험 원리

식초와 베이킹 소다가 반응하면 이산화탄소 기체가 발생하는 반응이 일어납니다:

$$\text{NaHCO}_3 + \text{CH}_3\text{COOH} \rightarrow \text{CH}_3\text{COONa} + \text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O}$$

기체가 생성되지만, 밀폐된 상태에서는 기체도 시스템 내에 존재하므로 총 질량이 보존됩니다. 반대로, 밀폐하지 않으면 기체가 빠져나가 질량이 줄어든 것처럼 보일 수 있습니다.

실험 방법

1. 반응물 준비

• 비커 A에 식초 50mL를 담습니다.
• 비커 B에 베이킹 소다 5g을 준비합니다.

2. 밀폐 반응 용기 조립

• 플라스틱병이나 지퍼백에 식초를 먼저 넣습니다.
• 종이나 작은 컵에 베이킹 소다를 담아 용기 입구에 걸쳐 놓습니다.
• 이때 섞이지 않도록 조심하며 밀폐 캡 또는 지퍼백을 닫습니다.

3. 반응 전 질량 측정

밀폐된 상태의 전체 시스템(용기 + 반응물)을 저울에 올려 정확한 질량을 측정하고 기록합니다.

4. 반응 유도

용기를 살짝 흔들거나 기울여 베이킹 소다가 식초에 닿아 반응이 시작되도록 합니다. 거품이 일며 기체가 발생하는 것이 관찰됩니다.

5. 반응 후 질량 측정

반응이 완료된 후, 다시 전체 용기를 저울에 올려 질량을 측정합니다.

6. 질량 비교

반응 전후의 질량을 비교하여 질량 보존 여부를 확인합니다. 밀폐 상태에서는 두 질량이 거의 동일해야 합니다.

실험 결과 예시

단계	질량 (g)
반응 전	150.23
반응 후	150.21

작은 오차는 저울 민감도 또는 미세한 기체 누출 때문일 수 있지만, 큰 차이가 없다면 질량 보존 법칙이 성립함을 실험적으로 확인할 수 있습니다.

열린계 실험과의 비교

같은 반응을 뚜껑을 열고 수행하면 반응 후 질량이 줄어드는 것을 볼 수 있습니다. 이는 이산화탄소 기체가 외부로 빠져나갔기 때문이며, 질량이 줄어든 것이 아니라 ‘계(system)’ 바깥으로 이동한 것입니다.

결론

화학 반응에서의 질량 보존 법칙은 반응이 밀폐된 시스템에서 일어날 경우 항상 성립합니다. 반응 중에 물질의 상태가 바뀌거나 기체가 생성되더라도, 그 물질이 시스템을 벗어나지 않는다면 총 질량은 그대로 유지됩니다.

본 실험은 간단한 재료를 사용해 이 중요한 과학 법칙을 눈으로 확인할 수 있는 좋은 활동입니다. 열린계와 밀폐계의 차이를 비교하면서 질량 보존의 의미를 더욱 명확히 이해할 수 있으며, 과학적 사고력과 실험 분석 능력을 함께 키울 수 있습니다.

실험 정확도를 높이기 위해 정밀 저울 사용, 기체 누출 방지, 반복 실험 등이 권장되며, 학생들의 흥미를 끌기에 매우 적합한 기본 화학 실험 중 하나입니다.