몰(단위)

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mol, mole

1. 개요[편집]

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물질량(amount of substance)의 단위. 어떤 입자가 아보가드로 수 [math(6.022\,140\,76\times10^{23})]개만큼 있을 때 이것을 하나로 묶어 1몰이라고 정의[1]하며, 주로 화학 분야에서 질량을 통해서 입자의 개수를 세는 SI 단위로 많이 쓰인다.

물질량 [math(n)]을 정의하는 가장 기초적인 방식은 어떤 물질의 질량이 [math(m)][2], 몰 질량이 [math(M)]이라고 할 때 [math(n=\dfrac mM)]이다.

개수를 칭하는 단위이기 때문에 실질적으론 단위에 차원이 없음에도 SI 단위의 7가지 기본 단위에 포함되고, 차원 기호로서 [math(\sf N)]을 부여받아 차수가 1인 다른 기본 단위들처럼 쓰인다. 이는 물질을 구성하는 원자가 매우 작아 실생활에서 입자의 개수를 이용해서 논하기에는 그 수가 터무니없이 크기 때문이다. 당장 화학량론에서 1몰 대신 [math(6.02\times10^{23})]개를 쓴다고 생각하면 1몰이 얼마나 편리한 단위인지를 실감할 수 있다.[3] 그러나 라디안의 예만 보더라도, 차원이 없으면서 분야에 따라서는 꼬박꼬박 단위를 표기해주는 사례가 있는 만큼 굳이 '몰'이라는 단위를 기본단위에 넣었어야 했느냐는 비판적인 시각이 많다(후술).

2. 역사[편집]

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고체 입자 수준의 크기와 질량을 갖는 물질을 일상생활에서 사용하는 개수 단위로 세는 것은 바람직하지 않다. 즉 원자나 화합물의 결정을 '한 개, 두 개, …'로 세는 것은 화학적으로 의미가 불분명하고 양적인 계산이 불가능하다. 따라서 화학양론(stoichiometry)적으로 의미 있고 실생활에 유용한 단위 체계의 고안이 필요했다.

1805년 존 돌턴은 수소 원자([math(\rm H)])의 원자량을 [math(1)]로 삼는 물질량 계산법을 정하였고, 1818년 베르셀리우스는 산소 원자([math(\rm O)])의 원자량을 [math(16)]으로 삼는 계산법을 발표하였다. 그 후 1961년 이전까지 화학자들은 자연에 존재하는 산소 원자를, 물리학자들은 산소-16 원자([math(\rm^{16}O)])를 [math(16)]으로 정하여 사용하였으나, 자연계에는 이 밖에도 [math(\rm^{17}O)], [math(\rm^{18}O)]와 같은 동위원소가 일정한 비율로 존재하여 평균 원자량과 차이가 있으므로 1962년 국제 순수 및 응용 화학회(IUPAC)에서 탄소-12([math(\rm^{12}C)]) 원자량의 [math(\dfrac1{12})]을 원자량의 기준으로 사용하게 되었다.

그리고 2018년 11월 16일 국제 도량형 협회에서 몰을 아보가드로 상수로 재정의, 즉 [math(1{\rm\,mol} = 6.022\,140\,76\times10^{23}/N_{\rm A})]로 고정하기로 결의하였고, 2019년 5월부터 새로운 몰의 정의가 반영되었다. 쉽게 말해서 여태껏 [math(\rm^{12}C)]를 통해 정해지는 측정값이었던 아보가드로 상수가 이제는 참값이 된 것이다.[4]

3. 쓰임[편집]

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화학반응에서 중요한 건 물질의 질량보다는 입자의 개수와 그 비율이므로, 어떤 면에서 보면 그램([math(\rm g)])보다 훨씬 더 중요한 단위가 몰이다. 여기에서 파생되는 중요한 농도 단위 2개가 있는데 하나는 몰 농도(Molarity, [math(\rm mol/L)] 혹은 [math(\rm M)])이고 다른 하나는 몰랄 농도(Molality, [math(\rm mol/kg)] 혹은 [math(\rm m)])이다. 보통 몰 농도 쪽이 자주 쓰이지만 몰랄 농도도 쓰이는 부분이 많이 있다. 몰 농도는 분모가 용액의 부피이기 때문에 저울 없이 부피를 잴 수 있는 도구만 있으면 용질의 양을 알 수 있지만, 부피가 온도에 따라서 변하기에 몰 농도도 온도에 따라 달라진다는 단점이 있다. 이를 보완하기 위해 나온 개념이 몰랄 농도로, 분모가 용매의 질량이기 때문에 휘발성 용매가 아닌 이상 온도에 따라 잘 바뀌지 않는 물리량을 나타낼 수 있다. 따라서 몰랄 농도는 주로 온도의 변화가 큰 화학반응을 서술할 때 쓰인다. 대표적인 예로 끓는점 오름 등이 있다.

이외에도 촉매의 성능(?)을 나타내는 단위인 캐탈([math(\rm kat)])의 정의([math(\rm mol/s)])에도 쓰인다.

4. 단위화 비판[편집]

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1971년에 국제단위계에서 SI 기본 단위에 몰을 포함시킨 이래로, 몰은 수많은 학자들의 비판을 받아왔다. 이를 정리하자면 다음과 같다.

• 입자의 개수는 그 물질의 질량에 따라 고정되는 무차원의 물리량으로서, 단순히 수로만 나타낼 수 있고 굳이 명확한 기본 단위를 필요로 하지 않는다.
• 물질을 원자론적으로 이해하는 현대의 방식과는 달리, 구시대적인 '물질의 연속체성'이라는 개념이 그 바탕에 있다.
• SI 열역학에서의 몰은 분석화학과는 아무런 관련이 없으며, 선진 경제에 불가피한 비용을 야기할 수 있다.
• 몰은 진정한 의미의 '계량 단위'(metric unit)[5]
  즉, 측정을 통해서만 알 수 있는 물리량의 단위. 나머지 6가지 기본 단위들은 모두 길이([math(\rm m)]), 질량([math(\rm kg)]), 시간([math(\rm s)]), 온도([math(\rm K)]), 전류([math(\rm A)]), 광도([math(\rm cd)])를 나타내는 단위로서 모두 전용 도구를 이용하여 측정을 통해서만 알 수 있는 물리량이다.
  라기 보단 '매개변수적인 단위'(parametric unit)에 불과하다. 즉 물질량을 정의하는 데에 질량이 필요하기 때문에, 몰 역시 킬로그램이나 그램을 통해 간접적으로 정해진다.
• 국제단위계는 독립체적인 '개수'에 차원을 부여[6]
  참고로 '개수'는 무차원량이기 때문에 별도의 특별한 단위 없이 수로만 나타내는 것이 원칙이다. 다만 한국어나 일본어를 비롯하며 많은 동아시아 언어들은 (언어학에서 수분류사{numeral classifier}라고 부르는) 단위를 사용함이 매우 발전했기 때문에 이 문제를 얼른 이해하지 못한다. 한국어에서 흔히 물건 등을 셀 때 쓰이는 마리, 명, 대 등등이 바로 한국어의 수분류사이다. 옛날에 쌀의 양을 '됫박'이란 단위로 세었다면, 몰 또한 입자의 양을 세는 현대적 됫박이 아니겠는가? 언어의 차이가 생각에 영향을 끼치는 한 가지 사례라 하겠다.
  함으로써, '연속량의 단위'와 '독립체'간의 존재론적 구분을 모호하게 한다.

요컨대 ①이산적인 '개수'를 기본 단위화하여 차원까지 부여해버렸다는 점과 ②실질적으로 질량을 통해 정의되는 단위라는 점이 주된 비판이다. ①은 분야가 다른 '측도론'과 '도량형학'의 개념을 혼동하고 있다는 근본적인 문제가 있으며, 아보가드로 수가 터무니 없이 큰 수이기 때문에 본질적으로 이산적이라 하더라도 화학과 관련된 많은 분야에서 연속적인 개념으로 다뤄서 큰 문제가 없다.[7] 실제로 물질량을 이용할 때 ②에서 언급되어 있듯이 질량을 이용하므로 충분히 단위로서의 가치가 있다고 볼 수 있다. 2019년 재정의를 통해 ②의 비판은 표면적으로 해결된 것처럼 보이나, 그 참값 자체가 질량을 통해 정의되었던 값이기 때문에 앞으로 더 심도 있는 논의가 필요할 것이다.

5. 고등학교 교육과정에서[편집]

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• 6차 교육과정 : 화학Ⅱ
• 7차 교육과정 : 화학Ⅱ
• 2009 개정 교육과정 : 화학Ⅰ
• 2015 개정 교육과정 : 화학Ⅰ

화학에서 가장 기본적인 단위이기 때문에 1단원에 편성되어 있다. 3년 내내 써야 하고 대학 4년제 초기에도 이거 모르면 왜 화학과 왔냐는 소릴 듣는다.

처음 배우는 입장에서는 준 킬러 문제 급으로 꽤 어려운 편이어서 고등학교 화학에 입문하려는 학생들을 입구컷하는 것으로 유명하며, 이거 때문에 그 어렵다던 물리학Ⅰ보다 더 어려워서 꺼리게 된다는 평을 듣게 될 만큼 악명이 높다.[8][9] 하지만 어쨌든 기본 중 기본이기 때문에 화학을 한다면 반드시 알아야 한다.