기체

기체

5.1 기체로 존재하는 물질 5.2 기체의 압력

5.3 기체 법칙

5.4 이상 기체 방정식

5.5 돌턴의 부분 압력 법칙

Prof. Sang Kuk Lee Department of Chemistry Pusan National University 물질은 크게 기체, 액체, 고체 상태로

존재한다. 이 중에서 기체는 밀도가 낮기 때문에 분자간 거리가 멀어서 상호작용의 힘이 약하다. 따라서 분자 자체의 성질을 연구하는 데는 기체가 최상의 모델이다.

5.1 기체로 존재하는 물질

정상 대기 조건에서 기체로 존재하는 원소 이원자 분자기체: (H₂, N₂, O₂, F₂, Cl₂)

단원자 기체:8A족 원소인 비활성 기체(He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn)

오존(O₃)도 상온에서 기체

물질은 온도와 압력의 변화에 따라 상태가 달라진다. 상온(25^oC)과 상압 (1기압)에서 기체로 존재하는 원소들은 어떤 것인가?

기체의 물리적 특성

• 기체는 담겨있는 용기의 부피와 모양으로 가정

• 기체는 가장 잘 압축될 수 있는 물질의 상태

• 기체들은 같은 용기에 담겨있을 때 균일하고 완전하게 혼합

• 기체는 액체와 고체보다 적은 밀도

기체상태로

존재하는화합물은 무수히 많다. 분자량이 작은 분자는 주로 기체이다.

5.2 기체의 압력

기체 분자들이 끊임없이 운동하고 있기 때문에 기체는 충돌하는 표면에 압력을 나타냄

압력:

면적

압력의 단위(SI):

1 atm = 760 mmHg = 760 torr 1 atm = 101,325 Pa

대기압(atmospheric pressure):

표준 대기압(1 atm):

기체분자는 용기 속에서 자유롭게 이동하여 전체공간을 골고루 채우려는 성질을 가진다. 기체분자가 벽과의 충돌에서 나타나는 현상이 압력이다.

압력은 국제단위 (SI units)는 ? Pascal(파스칼)이다.

Sea level 1 atm

4 miles 0.5 atm

10 miles 0.2 atm

기압계(barometer):

압력계(manometer):

막힌 관 열린 관

기압계

대기압의눌리는 힘이 수은을 위로 밀어 올린다.

1기압에서 76 cm까지 올라간다.

기체의압력이 진공보다높다.

5.3 기체 법칙

보일의 법칙:일정 온도에서 일정한 양의 기체에 가해진 압력은 기체의 부피에 반비례

기체의 압력과 부피의

관계를 연구하기 위한 장치 보일(Boyle)은 최초의 화학자로 인정되고 있다. 물론 그는 분자에 대해서는 전혀 알지 못했지만….

몇 번 강조하였지만, 유리공업이 과학의 발전에 지대한 공헌을 하였다.

서양에서는 유리공업이 발달한 반면에 동양에서는 자기공업이 우수하였다.

압력과 부피 사이의 반비례 관계

∝을 등호로 바꾸면

k₁은 비례 상수(proportionality constant) 즉

보일의 법칙: 일정 온도에서 일정량의 기체의 압력과 부피의 곱은 상수

P

x V

= P

x V

일정 온도에서 기체에 압력을 가하였을 때 기체의 부피 변화를 나타내는 그래프

실험적 결과를 그래프로 그리면 반비례

정비례

k₁은 온도에 따라 달라진다.

샤를(Charles)과 게이뤼삭의 법칙: 기체 시료의 부피는 일정한 압력에서 가열하면 팽창하고, 냉각되면 수축 (부피의 온도 의존성)

기체 부피의 온도에 대한 의존도 V ∝ T

V = k₂ x T

온도는 켈빈(K) 온도

T (K) = t (⁰C) + 273.15 또는

k₂은 비례 상수(proportionality constant)

샤를의 법칙:

일정한 압력에서 일정한 양의 기체 부피는 기체의 절대온도에 정비례

온도에 따른 팽창율은?

동일한 크기의 수은

• 다양한 압력 조건에서 온도-부피 관계는 직선

• 직선을 부피 0으로 외삽하면 온도축의 절편은 -273.15°C

절대 영도(absolute zero):

일정 압력에서 온도에 따른 기체 시료의 부피 변화.

절대 온도 척도 혹은 켈빈 온도 척도:

절대 영도를 출발점으로 하는 온도

여러 압력에서 실험을 하여도 최종적으로 부피가 0 이 되는 온도는 같다. -273.15^oC

기체의 부피는 온도가 1^oC상승할 때마다 1/273.15 만큼 커진다.

일정한 압력에서 부피-온도가 다른 두 조건의 기체 또는

여기서 V₁과 V₂는 각각 온도 T₁과 T₂ (켈빈 온도)에서 기체의 부피 샤를의 법칙을 다른 형태로 변형  기체의 양과 부피가 일정할 때 기체의 압력은 온도에 비례

또는 만약 k₃ = nR/V

또는

여기서 P₁과 P₂는 각각 온도 T₁과 T₂에서 기체의 압력 앞의 Boyle 법칙을 연결시키면

아보가드로의 법칙: 같은 온도와 같은 압력에서 같은 부피를 갖는 기체들은 (기체의 종류에 상관없이) 같은 분자수(단원자 기체면 원자수)를 가짐

• 기체의 부피는 존재하는 분자의 몰수에 비례

V ∝ 몰수 (n) V = 비례 상수(k₄) x n

아보가드로의 법칙(Avogadro’s law):

일정 압력과 일정 온도에서 기체의 부피는 존재하는 기체의 몰수에 정비례

• 아보가드로의 법칙에 의하면 두 기체가 서로 반응할 때에 그들이 반응하는 부피는 서로 간단한 비

• 생성물이 기체이면 생성물의 부피와 반응물의 부피 사이에는 간단한 비가 성립

당연한 것이다.

부피는 몰수에 비례한다.

이 반응에서는 반응이 진행함에 따라 부피가 감소한다.

5.4 이상 기체 방정식

기체법칙 요약

세 가지 식을 종합하여 하나의 종합식 또는

R = 기체 상수(gas constant) 이상 기체 방정식(ideal gas equation):네 변수 P,V, T, n 사이의

관계를 나타내는 식

이상 기체(ideal gas): 압력-부피-온도에 따른 기체의 거동이 이상 기체 방정식에 의해 완벽하게 설명될 수 있는 가상의 기체

앞에서 공부한 3개의 법칙을 통합하면

기체상수의 단위는?

식이 존재한다는 것은 4개의 미지수 중에 1개는 자동으로 구해진다.

기체 상수 R 값:

• 1 atm에서 많은 실제 기체들은 이상 기체처럼 거동

• 실험 결과 이상 기체 1 mol은 22.414 L를 차지

표준 온도와 압력(

, STP):

0 ⁰C, 1 atm의 조건 왜 표준조건을 0 ^oC, 1atm으로 정했는지 이해하기가 어렵다.

기체상수의 단위는 다양하게 표현할 수 있다.

대다수의 경우에 표준상태(STP)는 25^oC, 1기압이다.

3개의 조건 중에서 2개만 알면 나머지는 자동적으로 계산된다.

밀도 계산

• 이상 기체 방정식을 정리하여 기체의 밀도를 계산

• 기체의 몰수 n은 로 정의.

• m은 기체의 질량(g)이며 은 몰 질량이므로

• 밀도 d는 단위 부피 당 질량

이상기체 상태 방정식을 변형시키면 밀도를 계산할 수 있다.

위의 식은 변형에 대한 유도이다.

기체 물질의 몰질량

• 미지의 기체의 몰질량은 이상 기체 방정식을 이용하여 계산 가능

• 이미 알고 있는 온도와 압력에서 실험을 통해 얻은 기체의 밀도 값(또는 질량과 부피 자료)만 필요

d : 기체의 밀도 (g/L)

밀도로부터 분자량을 계산 할 수 있다.

• 3장에서 화학량론에 관한 문제를 풀기 위하여 반응물과 생성물의 양(mol)과 질량(g) 사이의 관계를 이용

• 반응물과 생성물 모두 또는 일부가 기체일 경우, 문제를 풀기 위해서도 양(mol, n)과 부피(V) 사이의 관계를 이용

기체를 포함한 화학량론적 계산

반응물과 생성물의 측정은 질량 (mass)으로 하지만 실제 반응은 분자 대 분자, 혹은 몰수 대 몰수로 진행한다. 따라서 질량을

몰수(mole number)로 변형하는 방법을 배우자. (3장에서 배운 내용을 기체 반응에 적용한다.)

아보가드로 법칙: 기체의 부피는 크기가 아니고 몰수에 비례한다.

위의화학식으로부터

5.5 돌턴의 부분 압력 법칙

• 기체 혼합물의 전체 압력은 부분 압력(혼합물 속 각 기체 성분의 압력)과 관계

돌턴의 부분 압력 법칙(Dalton’s law of partial pressures):

기체 혼합물의 전체 압력은 각 기체가 그 자신만 존재할 때 나타내는 압력들의 합

P₁ P₂ P_total = P₁ + P₂

각 성분의 압력 (부분압)의 합이 전체 압력이다. 부분압은 각 성분의 몰분율에 비례한다.

공기의 조성과 부분압을

생각해보자. 참고로 질량%와 몰분율은 다르다.

두 기체 A와 B가 부피 V인 용기에 들어 있는 경우

• 기체 A에 의한 압력

• 기체 B에 의한 압력

• 전체 압력 P_T

P_A = n_ART

V n_A : A의 몰수

P_B = n_BRT

V n_B : B의 몰수

P_T = P_A + P_B = + = = n_ART

V

n_BRT V

RT

V ⁽n_A + n_B) nRT V

기체의 전체 몰수

n = n_A + n_B P_A 와 P_B 는 각각 A와 B의 부분 압력

X_A =

n_A

n_A + n_B X_B =

n_B n_A + n_B P_T = P_A + P_B

P_A = X_A P_T P_B = X_B P_T

P_i = X_i P_T 몰 분율 (X_i ) = n_i n_T

각 성분의 몰수를 알고 있으면 몰분율은 쉽게 구해진다.

몰분율의 합은 1.0 이다.

각 기체의 몰수가

주어졌으므로 몰분율은 쉽게 계산된다.

무거운 원자라고 압력이 높은 것은 아니고 압력은

몰분율에 비례한다.

무거우면 속도가

느리고 따라서

벽면에 가해지는

힘의 크기는 종류에

관계없이 같다.

2KClO₃ (s) 2KCl (s) + 3O₂ (g)

기체의 수상 포집 장치

생 활 속 의 화 학

스쿠버 잠수와 기체 법칙

P V

Depth (m)

Pressure (atm)

0 1

10 2

20 3

잠수병이란 무엇인가?

치명적일 수 있다.

혈관 속에 기포가 생기는 것을 방지하기 위하여