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분자량
분자량(分子量, molecular weight)은 분자 내 존재하는 모든 원자들의 원자량 값을 합쳐서 나타낸 값이다. 분자량은 주로 화학반응식을 세우거나 또는 실제 화학반응을 진행할 때 화학양론을 결정하기 위해 사용된다. 분자량을 영어로 표현하면 'molecular weight'로 이를 줄여 MW또는 MW로 나타내는 경우가 많다. 일반적으로 분자량은 단위를 생략하고 표현하는 경우가 많고 실제 단위를 붙여 사용할 때에는 원자 질량 단위 amu를 주로 사용한다.
원자량과 분자량은 모두 12 amu의 값을 가지는 탄소12-(12C)의 질량을 기준으로 정의된다. 일반적으로 탄소가 아닌 탄소의 동위원소인 탄소12를 기준으로 이용하는 이유는 탄소 원자는 탄소동위원소의 혼합물이기 때문에 원자량이 정확히 12가 아니기 때문이다.
목차
개요[편집]
분자량은 원자 질량 단위로 나타낸 분자의 질량이다. 탄소-12를 기준으로 한 상대적 질량이므로 상대 분자 질량이라고도 한다.
한 분자의 분자 질량은 그 분자를 이루는 원자들의 원자 질량의 합으로 계산할 수 있다. 또 분자 질량은 질량분석기를 이용하여 바로 측정할 수 있다.
물질의 몰 질량은 분자 질량과 같은 값을 가지며 몰 당 그램(g/mol)으로 나타낸다.
예를 들어, 수소와 산소의 원자 질량이 각각 1.00784 u와 15.9994 u이므로 물 분자 H₂O의 분자 질량은 (2 × 1.00784 u) + 15.9994 u = 18.01508 u이 된다. 따라서 1 몰의 물은 18.01508 그램이 된다. 그러나 가장 흔한 수소 동위 원소인 수소-1의 질량은 1.00783 u, 가장 흔한 산소 동위 원소인 산소-16의 질량은 15.9949 u이므로, 가장 일반적인 물 분자 하나의 질량은 18.0105 u이 된다.
분자의 무게도 원자와 마찬가지로, 일정한 한 분자의 무게를 기준으로 하고 그 비로서 나타내면 된다. 이것을 '분자량'이라고 한다. 아보가드로 법칙에 따르면 모든 기체는 같은 온도, 같은 압력, 같은 부피 속에서는 같은 수의 분자를 가지므로 같은 조건 하에서 기체의 밀도를 비교하면 그로부터 기체 1분자의 상대적인 무게를 알 수 있다. 따라서, 산소의 분자량을 32.000으로 하면 수소는 2.016, 이산화탄소는 44.01이 된다. 여기서 산소의 분자량을 32.000으로 한 것은 산소 분자는 2원자로 이루어져 있다고 생각되므로, 산소의 원자량을 2배한 것이다. 기체의 분자량은 이와 같이 비교적 간단히 결정할 수 있다. 액체나 고체도 간단히 기체로 변하는 것은 기체로 만들면 분자량을 구할 수 있다. 비휘발성인 것은 끓는점 오름이나 어는점 내림 등이 이용된다. 분자식을 알고 있는 물질은 그 속에 들어 있는 각 원자의 원자량의 합으로써 분자량을 계산할 수 있다. 그리고 원자량의 기준이 질량수 12인 탄소 원자로 바뀌었는데, 이것에 의한 산소의 원자량은 15.9988이 된다. 따라서, 산소의 분자량은 31.9976이 되지만 보통은 32.00으로 해서 다루어도 된다.
분자량 측정의 발전[편집]
19세기에 이르러 아보가드로의 분자설이 등장한 이후 분자 개념이 확립되면서 서로 다른 분자들 사이의 질량 비를 구할 필요가 생겼다. 이에 따라 수소 원자의 질량을 기준으로 하고 다른 원자들의 상대적인 질량을 비율로 나타내어 원자량을 계산하고 분자 내에 존재하는 원자들의 원자량을 모두 합하여 분자량을 계산하였다. 따라서 분자량은 원자량과 마찬가지로 상대적인 질량이라고 할 수 있다. 그램 분자량은 단위가(g/mol)이 되므로 그 값을 아보가드로 수로 나누면 분자 1개의 질량을 얻을 수 있으나 당시에는 아보가드로 수를 정확히 알지 못했기 때문에 분자 1개의 질량도 알 수 없었다.
19세기 초 일정한 온도와 압력에서 정해진 부피를 차지하는 분자의 수는 분자의 종류에 관계없이 같다는 아보가드로의 원리가 제안되면서 일정한 온도, 압력 하에서 각각의 기체의 밀도를 측정하여 그 비율을 통해 분자량의 비율을 계산할 수 있었다. 이와 같은 방법은 측정하는 온도에서 기체 상태인 분자에만 적용할 수 있었다. 19세기 후반 끓는점 오름, 어는점 내림, 삼투압과 같은 묽은 용액의 총괄성이 알려지면서 용해가 가능한 고체 물질(포도당, 설탕 및 고체 유기화합물, 단백질 등)의 분자량을 유추할 수 있었다.
위와 같은 방법으로는 대략적인 수치의 분자량 값을 얻을 수 있었으나 이후 질량 분석법이 개발되면서 보다 정확한 분자량을 구할 수 있게 되었다. 질량 분석법은 톰슨이 전자의 전하-질량비를 구한 방법으로부터 발전하였는데 이온화된 원자 혹은 분자를 일정한 전기장과 자기장 내에 통과시켜 받는 가속도를 측정하여 정밀하게 그 질량을 측정하는 방법으로, 초기에는 쉽게 기화될 수 있는 분자들이 주로 적용되었고 기화가 어려운 극성 분자들에 적용되기는 어려웠다.
20세기 중반 이후 생명 과학이 발전하면서 단백질, DNA, RNA 등의 생체 고분자의 분자량을 정확히 측정해야 할 필요성이 생겨났으나, 이러한 고분자 물질은 기화가 어려워 기존의 질량 분석법으로는 정밀한 분자량의 측정이 곤란하였다. 이후 1980년대 중반에 이르러서야 전기 분무법(ElectroSpray Ionization, ESI-MS)과 MALDI-TOF(Matrix Assisted Laser Desorption/Ionization-Time of Flight)와 같이 분자량이 큰 물질을 기화시킬 수 있는 방법이 개발되면서 분자량이 매우 큰 분자의 분자량도 정밀하게 측정할 수 있게 되었다.
분자량의 계산[편집]
화학에서 사용되는 몰질량은 해당 대상 1몰의 질량 값이다. 따라서 분자량은 대상 분자 1몰의 질량값을 g 단위로 나타낸 수치가 된다. 19세기에는 수소 원자의 질량을 기준으로 하였고, 20세기에 이르러서는 산소 원자를 기준으로 상대적인 질량을 계산하였으나 산소의 동위원소로 인해 혼란이 있어 1961년부터는 탄소-12(¹²C) 원자 12 g을 1몰로 정의하고 이에 따라 계산된 아보가드로수를 이용하여 원자량과 분자량을 계산한다.
탄소-12 원자는 정확히 12.00의 몰질량을 가지게 되지만 탄소 원자의 원자량(모든 동위원소를 포함한 평균값)은 12.011 이 된다. 따라서 분자량은 분자를 구성하는 각각의 원자들의 원자량을 산술적으로 모두 합하여 구할 수 있다.
분자량 계산의 예[편집]
질소[편집]
공기 중에 가장 많이 존재하는 질소 분자(N₂)에는 2개의 질소 원자가 포함되어 있으므로 질소 분자의 분자량은 질소 원자의 원자량의 두배가 된다.
질소 원자의 원자량은 14.0067 이므로 질소 분자의 분자량은 그 두 배인 28.0134 가 된다.
메테인[편집]
메테인의 분자식은 CH₄이므로 탄소 원자 1개, 수소 원자 4개가 포함되어 있다.
탄소 원자의 원자량은 12.0107, 수소 원자의 원자량은 1.0079 이므로 메탄의 분자량은 12.0107 × 1 + 1.0079 × 4 = 16.0423 이 된다.
아세트산[편집]
아세트산의 분자식은 C₂H₄O₂ 이므로 탄소 원자 2개, 수소 원자 4개, 산소 원자 2개가 포함되어 있다.
산소 원자의 원자량은 15.9994 이므로 아세트산의 분자량은 12.0107 × 2 + 1.0079 × 4 + 15.9994 × 2 = 60.0518이 된다.
포도당[편집]
포도당의 분자식은 C₆H₁₂O₆ 이므로 탄소 원자 6개, 수소 원자 12개, 산소 원자 6개가 포함되어 있다.
따라서 포도당의 분자량은 12.0107 × 6 + 1.0079 × 12 + 15.9994 × 6 = 180.1554가 된다.
분자량의 측정 방법[편집]
화합물의 분자량은 직접 실험적으로도 측정이 가능하며 측정하고자 하는 분자의 크기에 따라 각기 다른 방법으로 측정된다. 분자량을 측정하기 위해 가장 널리 사용되는 방법인 질량 분석법(Mass spectrometry)은 일반적으로 중형 또는 소형 분자의 분자량을 측정하는데 사용된다. 하지만 DNA 단백질과 같은 거대한 분자들의 분자량은 광산란 및 점도를 이용하여 측정된다. 구체적으로 Zimm 방법(Zimm method)과 Dynamic light scattering(동적 광산란 DLS), 크기 배제 크로마토 그래피(Sizeexclusion chrom atography, SEC), 확산계수를 이용한 핵자기 공명법(DOSY) 등이 널리 사용되며 고분자 시료의 경우 점도를 측정하여 분자량을 계산할 수도 있다.
질량 분석법[편집]
질량 분석법(Mass Spectrometry)은 이온화된 화학종을 일정한 자기장 내부를 통과시켜 휘어지는 정도를 측정하여 전하-질량비(mass-to-charge ratio)를 계산하는 분석 기술이다. 방법론적으로는 톰슨이 전자의 전하-질량비를 구한 방법과 차이가 없다. 질량 분석법을 위해서는 우선 대상 화학종을 기화/이온화시켜야 하는데 이를 위한 여러 가지 방법들이 개발되었다. 대상 분자에 전자를 직접 충돌시켜 이온화시키는 전자 충돌법(electron ionization), 이온화된 기체를 대상 분자와 만나게 하여 간접적으로 이온화시키는 화학적 이온화법(chemical ionization), 빛을 이용하여 이온화시키는 광이온화법(photoionization)이 그 예이다. 그러나 이와 같은 방법들은 기화가 어렵거나 이온화 도중 분자가 깨지는 등의 문제 때문에 단백질, DNA 등과 같은 높은 분자량을 가지는 물질에는 적용하기 어려였다. 이후 1980년대 중반 전기 분무법(ElectroSpray Ionization, ESI)과 MALDI(Matrix Assisted Laser Desorption/Ionization)법과 같이 분자량이 큰 물질들을 효과적으로 기화/이온화 시킬 수 있는 방법이 개발되면서 분자량이 큰 물질들도 보다 정밀하게 분자량을 측정하는 것이 가능해졌다.
이외의 방법들[편집]
정밀하게 절대 분자량을 측정해야 할 때는 질량 분석법을 사용해야 하지만 대략적으로 상대적인 분자량을 측정하고자 하는 경우에는 다른 방법이 쓰일 수 있다. 앞에서 소개한 것처럼 특정 용매에 용해되는 용질은 묽은 용액의 총괄성을 이용(특히 삼투압)하여 대략의 분자량을 계산할 수 있다.
생체 고분자와는 달리 분자량이나 분자의 형태를 정밀하게 알아낼 필요가 없는 범용 고분자는 상대 분자량을 측정하는 방법이 주로 사용된다. 범용 고분자는 분자량이 수십~수백만 이상에 이르는 경우가 많고 정밀하게 분자량을 측정하지 않아도 되기 때문에 SEC(Size-Exclusion Chromatography)나 점도 측정법과 같은 방법을 주로 사용한다.
- SEC (Size-Exclusion Chromatography)
고분자가 특정 용매에 용해되는 경우 용매화되면서 일정한 크기의 구 형태를 띠게 되는데 이때 이 구의 크기는 고분자의 분자량과 밀접한 관계가 있다. SEC는 이러한 성질을 이용하여 해당 시료의 상대적인 분자량 분포를 알아내는 방법이다. 이러한 방법은 상대적인 분자량을 측정하게 되므로 절대 분자량을 알고 있는 표준 물질로 보정하여 시료 물질의 분자량과 분자량의 분포를 계산할 수 있다.
- 점도 측정법
고분자의 사슬이 길어질수록 점도가 증가하고, 분자량과 점도사이에 밀접한 상관 관계가 있기 때문에 점도를 측정하여 간접적으로 분자량을 측정할 수 있다. 점도 측정법은 온도를 높여 해당 고분자 시료를 녹이거나 특정 용매에 일정한 농도로 녹인 뒤 모세관 점도계를 이용하여 고유 점도(intrinsic viscosity)를 측정하여 분자량을 알아내는 방법이다. 이 방법 역시 상대적인 분자량이 측정되므로 절대 점도에 따른 표준 시료의 분자량을 알고 있어야 원하는 시료의 분자량을 알아낼 수 있다.
분자량과 동위원소[편집]
만약 분자를 구성하는 원자들이 특정한 동위 원소로 구성되어 있는 경우 주기율표를 통해 확인되는 값을 이용하는 것이 아니라 해당 동위 원소의 원자질량을 사용해야한다. 예를 들어 수소 대신 수소의 동위 원소인 중수소만을 이용해 만들어진 분자의 경우 수소의 원자량인 101이 아닌 중수소의 원자질량 200을 이용하여 계산해야 한다. 일반적으로 큰 분자의 경우 원소의 원자량과 특정 동위 원소의 원자질량 사이의 차이가 크지 않지만 핵물질 분야나 작은 분자를 다루는 경우 이 차이가 중요 할 수 있으니 계산에 유의해야 한다.
분자량 대 분자질량[편집]
원자에서는 원자량과 원자질량의 차이를 이해하는 것이 중요하다. 분자량과 분자질량의 경우에도 기술적으로는 개념의 차이가 존재한다. 분자 질량은 말 그대로 절대적인 질량의 척도이지만 분자량은 탄소의 동위원소를 기준으로 계산된 상대적 수치이며 분자질량에 대응되는 일종의 힘의 척도로 계산된다. 따라서 조금 더 엄밀히 표현하기 위해서 분자량을 상대 분자 질량으로 서술하는 경우가 종종 있다. 다만 화학 분야에서는 분자량은 원자량과 마찬가지로 1 몰의 양에 대응되는 물질들의 질량의 개념으로 사용된다.
참고자료[편집]
- 〈분자량〉, 《화학백과》
- 〈분자질량〉, 《위키백과》
- 이호림 박사, 〈분자량의 뜻과 정의〉, 《티스토리》
같이 보기[편집]
