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10.1 기체와 기체 압력

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Academic year: 2022

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(1)

10.1 기체와 기체 압력 10.2 기체 법칙

10.3 이상 기체 법칙

10.4 기체와 관련된 화학량론

10.5 기체 혼합물: 부분 압력과 돌턴 법칙 10.6 기체 분자 운동론

10.7 기체의 확산과 분출: 그레이엄 법칙 10.8 실제 기체의 행동

Ch. 7

기체의 성질과 행동

(2)

2

기체

• 구성 원자나 분자간 인력이 거의 없어서 부피가 자유롭게 변함.

• 기체 혼합물은 항상 균일(homogeneous)함.

• 기체는 압축할 수 있음(compressible).

• 용기의 벽면에 미치는 측정 가능한 압력을 가할 수 있음.

• 기체의 균일 혼합과 압축성은 원자나 분자와 같은 각 구성 입자들이 상당히 멀리 떨어져 있기 때문에 나타나는 특성임.

10.1 기체와 기체 압력

(3)

압력(pressure)

• 단위 면적 (

A

) 에 미치는 힘(

F

) 으로 정의.

• 힘은 질량(

m

)과 가속도(

a

) 의 곱으로 정의하며, 지상에서 중력 가속도

a

= 9.81 m/s2

뉴턴 (newton, N)

• 힘에 대한 SI 단위

• 1 N = (kg•m)/s2이다.

파스칼 (pascal, Pa)

• 압력의 SI 단위

• 1 Pa = 1 N/m2 = 1 kg/(m/s2) .

• 1 Pa은 실제로 대단히

작은 양, 10.2 mg의 질량이

1.00 cm2의 면적에 작용하는 압력.

(4)

4

지구 표면 위의 공기의 질량은 대기압(atmospheric pressure)으로 작용.

• 우리는 실제로 대기에 의해서 눌리는 힘을 느낄 수가 없음.

• 우리 몸에서 밖으로 밀어내는 힘이 동등하게 작용하기 때문임.

(5)

• 화학적인 측정 단위로서 파스칼 (Pa) 은 불편함.

• 수은주 높이(millimeter of mercury, mmHg)와 기압(atmosphere, atm), 바(bar)가 압력의 단위로 더 많이 사용됨.

수은주 높이(millimeter of mercury)

• 토르(torr)라고도 함.

• 수은 기압계(barometer)를 이용하여 대기압을 측정했기에 이런 명칭으로 불림.

• 기압계는 한쪽 끝이 막혀 있고 수은이 채워진 길고 가느다란 관으로 이루어져 있고, 이것을 수은이 들어 있는 용기에 거꾸로 세웠을 때 수은 기둥의 압력이 대기압과 정확하게 같아질 때까지 수은이 관을 따라 내려감.

• 해수면에서의 표준 대기압은 정확하게 760 mmHg로 정의.

(6)

6

• 압력의 단위로 (bar)도 많이 사용함.

1 bar = 100,000 Pa = 100 kPa = 0.986 923 atm

(7)

압력계(manometer)

• 용기 속에 들어 있는 기체의 압력을 측정하는 기기.

• 원리는 수은 기압계와 유사함.

• 끝이 열린 압력계는 수은으로 채워진 U자관으로 되어 있으며, 한쪽 끝은 기체로 채워진 용기에 연결되어 있고 다른 쪽 끝은 대기에 열려 있음.

• 기체 시료와 대기 사이의 압력 차는 양쪽 관의 수은 높이의 차와 같음.

(8)

• 서로 다른 기체들은 그들의 화학적 구성과 관계없이 매우 유사한 물리적 행동을 나타냄.

• 기체의 물리적 성질은 네 가지 변수들, 즉 압력(

P

) , 온도(

T

) , 부피(

V

) , 몰수(

n

)로 설명할 수 있음.

기체 법칙(gas law)

네 가지 변수(압력, 온도, 부피, 몰수) 사이의 관계를 기체 법칙이라 함.

이상 기체(ideal gas)

이러한 법칙을 정확히 따르는 기체

10.2 기체 법칙

8

(9)

보일 법칙: 기체의 부피와 압력 사이의 관계

• 부피

V

를 압력

P

에 대해 도표를 그리면 하나의 쌍곡선 형태의 곡선을 나타냄.

• 부피

V

를 압력의 역수, 1/

P

에 대해 도표를 그리면 직선을 나타냄.

(10)

10

샤를 법칙: 기체의 부피와 온도 사이의 관계

• 샤를 법칙의 타당성은 기체 시료에 대해서 일련의 온도-부피 관계를 측정함으로써 설명할 수 있음.

(11)

아보가드로 법칙: 기체의 부피와 물질량 사이의 관계

• 일정한 압력과 온도에서 이상 기체의 부피는 그 몰수에 따라 달라짐.

• 기체의 물질량이 2배로 되면 기체의 부피는 2배가 되고, 기체의 물질량이 1/2배가 되면 부피도 1/2배가 됨.

(12)

12

• 아보가드로 법칙은 같은 온도와 압력에서 동일한 부피의 기체들은 동일한 몰수를 가진다는 것을 나타내기도 함.

표준 몰부피 (standard molar volume)

이상 기체 1 mol은 정확히 0°C, 1 atm에서 표준 몰부피(22.414 L) 갖음.

• 표준 몰부피는 농구공 세 개의 부피와 거의 비슷함.

(13)

10.3 이상 기체 법칙

이상 기체 법칙 (ideal gas law)

• 세 가지 기체 법칙 즉 기체의 부피가 압력, 온도, 몰수의 변화에 어떤 영향을 받는가를 하나의 식으로 결합시킨 식.

• 이상기체 법칙을 사용하면 변수

P

,

V

,

T

,

n

중에서 세 가지 값을 알면 나머지 한 변수의 값을 계산할 수 있음.

R

을 기체 상수(gas constant)라고 하며, 모든 기체에 대해서 동일한 값을 가짐.

(14)

14

표준 온도와 압력(Standard Temperature and Pressure (STP)) 0 °C (273.15 K), 1 atm

기체 상수

R

의 값 계산

• 기체 1 mol은 0°C (273.15 K) , 1 atm에서 22.414 L의 부피를 차지하므로 기체 상수

R

은 0.082 058 (L•atm)/(K•mol) 이며, SI단위로는 8.3145 J/(K•mol)임.

• 실제로 모든 상황에서 이상 기체 법칙을 완전히 따르는 이상 기체는 존재하지 않음.

• 실제 기체는 대부분의 조건에서 이상적인 행동으로부터 벗어나는 정도가 매우 작음.

(15)

(예제)

자동차 에어백을 부풀리는 데는 NaN3가 고온에서 분해되어 질소 기체를 생성하는 반 응을 이용한다(소듐은 후속 반응에 의하여 제거된다). 1.15 atm, 30℃에서 NaN3 45.0 g이 분해되면 N2 몇 L가 생성되는가?

10.4 기체와 관련된 화학량론

45.0 g NaN3

65.0 g NaN3 1 mol NaN3

2 mol NaN3 3 mol N2

x x = 1.04 mol N2

생성된 N2의 몰수:

기체 반응와 관련된 화학량론에서는 이상 기체 법칙을 이용하여 P, V, n, T의 세 변수 중 3개를 알면 4번째 변수를 계산할 수 있음.

생성된 N2 의 부피:

(16)

16

이상 기체 법칙을 또 다르게 응용하여 밀도와 몰질량 같은 성질들을 계산할 수 있음.

밀도는 질량을 부피로 나눈 값이므로 질량을 이상 기체 법칙에 추가해야 함.

몰(

n

)과 몰질량(

M

)의 곱은 질량이므로 관계식의 양쪽에 몰질량을 곱하면 식 안에 질량을 포함하게 됨.

질량을 부피로 나눈 값인 밀도를 구하기 위하여 식을 재정리함.

식의 양변을 (

V

)로 나누면

식의 양변을 (

RT

)로 나누면

예제 10.7은 밀도를 측정하여 미지 기체를 확인하는 방법을 설명

(17)

10.5 기체 혼합물: 부분 압력과 돌턴 법칙

• 일정한 온도와 부피에서 순수한 기체의 압력은 기체의 몰수에

비례하므로(

P

=

nRT

/

V

) , 기체 혼합물에서 각 기체들이 기여하는 압력은 혼합물 중 각 기체의 몰수에 비례함.

• 기체 혼합물에 의한 전체 압력은 각 기체들이 나타나는 부분 압력의 합과 같음.

부분 압력 (partial pressure)

• 혼합물 중 여러 기체의 개별 압력

P

1,

P

2..을 말함.

• 각 기체들이 용기에 단독으로 있을 때 나타나는 각 기체의 압력임.

(18)

18

혼합물의 모든 기체는 같은 온도와 부피를 가지므로 돌턴의 법칙은 전체 압력이 존재하는 기체의 전체 몰수에 따라 달라진다는 것을 나타냄.

몰분율(mole fraction,

X

)

• 기체 혼합물에서 각 성분의 농도는 나타내는 것.

• 몰분율은 혼합물 중 각 성분의 몰수를 전체 몰수로 나눈 것으로 간단히 정의.

• 예) 성분 1의 몰분율

n

=

PV

/

RT

이므로

(19)

10.6 기체의 분자 운동론

분자 운동론 (kinetic molecular theory)의 가정

1. 기체는 무질서하게 운동하는 원자나 분자와 같은 작은 입자로 구성되어 있음.

2. 기체 입자 자체의 부피는 기체의 전체 부피에 비해 무시할 수 있음. 기체 부피의 대부분은 빈 공간임.

3. 기체 입자는 서로 독립적으로 행동함. 입자 사이에는 인력과 반발력이 없음.

4. 기체 입자들 사이에 또는 입자와 용기의 벽에 대한 충돌은 완전 탄성 충돌임. 즉, 입자들은 벽에 충돌할 때 같은 속도와 에너지를 가지고 튕겨짐. 따라서 일정한 온도에서 기체 입자의 전체 운동 에너지는 일정함.

5. 기체 입자의 평균 운동 에너지는 시료의 절대 온도에 비례함.

(20)

20

각 기체 법칙들과 분자 운동론의 5가지 가설

(21)

분자 운동론의 중요한 결론 중 하나

• 가정 5의 온도와 분자의 운동 에너지인

E

K 사이의 관계로부터 나옴.

• 기체 입자 1 mol의 전체 운동 에너지는 3

RT

/2와 같고 각 입자의 평균 운동 에너지는 3

RT

/2

N

A(여기서

N

A는 아보가드로 수)로 나타냄.

• 주어진 온도에서 기체 입자의 평균 속력

u

의 계산이 가능.

예를 들면 실온 (298 K) 에서 헬륨 원자의 분자 운동에너지

u

를 구하기 위해 재정리

R

[8.314 J/(K•mol)] 과 헬륨의 몰질량 (4.00 x 10-3 kg/mol)을 대입

(22)

22

기체 입자들의 운동 속력은 넓은 범위에 걸쳐 분포하며, 그 분포는 온도가 증가하면 빠른 속력 쪽으로 이동하여 평평 해짐.

무거운 분자일수록 평균 속력은 더 느림.

(23)

확산(Diffusion)

다른 종류의 기체 분자들이 무질서한 분자운동과 잦은 충돌로 섞이는 현상.

분출(Effusion)

기체 분자들이 충돌하지 않고 막의 작은 구멍을 통해서 달아나는 유사한 과정.

10.7 기체의 확산과 분출: 그레이엄 법칙

(24)

24

같은 온도와 압력에서 두 기체를 비교할 때, 두 기체의 분출 속도의 비는 몰질량의 제곱근의 비에 반비례함.

(25)

그레이엄 법칙의 응용

기체 혼합물에서 각 성분 물질의 확산 속도 차이를 이용하여 순수한 성분으로 분리할 수 있음.

• 막을 통과하는 UF6 기체는 더 가벼워서 빨리 운동하는 동위 원소의 양이 약간 더 많아짐.

• 이와 같은 과정을 수천 번 반복하여 동위 원소를 분리할 수 있음.

(26)

• 분자 운동론에서 기체 입자 자체의 부피는 기체 전체의 부피에 비해 무시 할 수 있다고 가정함.

• 이 가정은 전형적인 기체의 분자 부피가 전체의 0.05%밖에 되지 않는 표준 온도와 압력(STP)에서 유효하지만, 분자 자체의 부피가 기체 전체 부피의 20%에 달하는 0℃, 500 atm에서는 유효하지 않음.

• 결과적으로 고압에서 실제 기체의부 피는 이상 기체 법칙으로 예측한 것보다 더 큼.

10.8 실제 기체의 행동

26

(27)

실제 기체들의 두 번째 문제

• 입자 사이에 인력이 작용하지 않는다는 가정.

• 높은 압력에서는 입자들이 훨씬 가까워져서 이들 사이의 인력 중요해짐.

• 일반적으로 분자 사이의 인력은 분자 지름의 약 10배 거리에서 중요하며 거리가 감소함에 따라 빠르게 증가함.

• 결과적으로 분자 사이에 인력이 작용하여 일정한 압력에서 부피가 감소함.

(28)

28

반데르발스 식(van der Waals equation)

실제 기체들의 행동이 이상 기체 법칙으로부터 벗어나는 문제를 해결하기 위해 이상 기체 법칙을 수정한 식.

• 분자 부피의 효과에 의한

V

증가는 측정 부피로부터

nb

를 빼서 보정.(여기서

n

은 기체의 몰수).

• 분자간 인력 효과에 의한 일정한

P

에서의

V

감소(또는 일정한

V

에서

P

감소)는 압력에

an

2/

V

2을 더하여 정확하게 보정.

참조

관련 문서