안녕하십니까 공대생입니다.
지난 포스팅까지는 화학의 기초라고 할 수 있는 원자와 그 원자가 어떻게 이루어져 있는지에 대해 자세하게 알아보았습니다.
사실 원자를 이해하는 것이 화학을 이해하는 것의 시작이며, 가장 중요한 것입니다.
이번 포스팅에서는 기체에 대해 다룰 예정입니다.
이미 알고 계신 분들도 많겠지만, 물질은 크게 세 가지 상태를 가집니다.
고체, 액체, 기체 순으로 에너지가 높아짐에 따라 물질은 상변화라는 것을 합니다.
예를 들어 얼음이 녹아 물이 되고, 물이 끓어 수증기가 되는 것처럼 말이죠.
우리가 일상 생활에서 접할 수 있는 물체들은 우리가 생활하는 온도와 압력 조건에서 그 상태를 가지는 것일 뿐이고, 온도가 낮아지거나 높아짐에 따라 다른 상태를 가질 수 있습니다.
예를 들어 기체상태의 금속이나, 고체 상태의 산소도 얼마든지 만들 수 있다는 것이죠.
오늘은 세 가지 물질 중 기체에 대해 먼저 다뤄보도록 하겠습니다.
1. 압력 – 기체의 측정 기준
날씨 예보를 보다 보면 여러분들은 기압이라는 단어를 들어본적이 많으실겁니다. 고체와 액체와는 달리 기체는 정해진 형태가 없지만, 오히려 형태가 없기 때문에 주변 공간에 힘을 가하기가 가장 쉽습니다.
기체의 가장 명확한 특징은 주위에 압력을 가할 수 있다는 것입니다.
놓친 풍선이 올라가다 보면 터지게 되는 이유도 내부 기체의 압력이 지면에서 멀어질수록 외부의 기체 압력에 비해 강해져서 풍선이 버티지 못하는 것입니다.
또, 풍선을 예로 들자면, 풍선에 든 기체의 온도가 올라갈수록 풍선은 더 커지게 됩니다. 이렇듯 기체의 압력은 온도와도 밀접한 관련을 보이는 것 처럼 보입니다.
그 전에 앞서 몇가지 중요한 단위 정리를 하겠습니다.
기체의 압력의 단위는 편의상 여러개의 단위를 가집니다. 여러 과학자들이 오랜기간 연구한 분야이기에 다양한 학자들의 이름이 붙은 것을 볼 수 있습니다.
2. 보일의 법칙 – 부피와 압력과의 상관관계
아일렌드의 화학자 Robert Boyle은 기체에 관한 정령적인 실험을 하였습니다.
이번 포스팅에서 그의 실험 내용을 모두 다 설명하기엔 글이 너무 길어질 것 같으니 요약정도만 하고 넘어가겠습니다. 그의 실험을 요약하자면, 막혀있는 용기에 기체를 채우고 압력을 가하였더니 부피변화가 관측되었다는 내용입니다.
그의 실험의 내용에서 기체에 가해지는 압력이 커질수록, 그 기체의 부피는 줄어드는 경향을 보인다는 내용을 알 수 있습니다.
따라서 우리는 위와 같은 식을 유도할 수 있습니다. 여기서 실험하는 온도와 기체 종류에 따라 K값은 변화하게 됩니다.
기체 종류에 따라 K값은 달라지겠지만, K값은 모두 정리되어있는 표가 있으므로, 우리는 부피를 알면 압력값을 구하거나 반대로 압력값을 알면 그 기체의 부피를 알 수 있게 되었습니다.
3. 샤를의 법칙 – 부피와 온도와의 상관관계
위의 Boyle의 발견 이후 기체의 대한 연구는 활발하게 진행되었습니다. 서론에서 잠시 말씀드렸지만, 기체는 역시 온도와도 밀접한 관련을 가집니다. 이에 대해 연구한 프랑스의 물리학자 Jacques Charles은 일정한 압력 조건 하에서 기체의 온도가 증가할수록 그 부피가 증가한다는 사실을 발견합니다. 따라서 그의 식을 정리하면 다음과 같게 됩니다.
여기서 b는 마찬가지로, 기체의 종류에 따라 변화하는 값입니다.
여담이지만, 기체의 분자량에 따라 온도 변화량이 달라짐을 알 수 있습니다.
마찬가지로 이런 형태로의 변화도 가능한데, 한가지 기체의 온도와 부피값을 안다면 다른 온도에서의 부피도 알 수 있다는 것입니다.
간단한 예제도 살펴볼 수 있겠습니다.
여기서 끝이 아니라, 샤를의 법칙에 의하면 영하 273°C 에서 기체의 부피가 0이 될것이라는 추측을 하였고, 이는 이후에 절대 영도의 개념이 됩니다.
포스팅을 계속 따라오시다 보면 열역학에 대해서도 다룰 예정입니다..
4. 아보가드로의 법칙 – 입자와 부피와의 상관관계
아보가드로는 지난 포스팅 (화학의 기초, 화학양론 (1)원자량과 Mol) 에서도 등장했던 이름입니다.
이번에도 비슷한 맥락으로, 같은 부피의 기체에는 같은 개수의 “입자” 가 들어있다는 것입니다.
여기서 특별한 점은 기체의 종류가 서로 다르더라도, 같은 부피면 무조건 같은 개수의 입자가 들어있다는 것입니다. 기체는 입자 사이의 거리가 매우 멀어 입자 자체의 크기는 기체의 부피에 영향을 주기 어렵습니다. 따라서 이러한 현상이 관찰되는 것입니다.
사실, 아주 엄밀하게 따지자면 이 법칙은 어느 정도의 오차가 발생합니다. 그렇지만 꽤나 정확한 예측이고, 압력이 낮을 때에는 매우 정확한 경향성이 있기에 그 의미가 있다고 볼 수 있겠습니다.
아보가드로의 법칙을 정리하면 다음과 같습니다.
여기서 a는 비례 상수를 의미하고, n은 기체 입자의 몰 수를 의미합니다.
여기까지 우리는 기체를 이해하기 위한 세 가지 법칙에 대해서 정리했습니다.
최종 정리입니다.
기체의 압력이 증가함에 따라 부피가 감소하는 관계를 보일의 법칙으로 설명할 수 있습니다.
기체의 온도가 증가함에 따라 부피가 증가하는 관계를 샤를의 법칙으로 설명할 수 있습니다.
마지막으로 같은 부피의 기체라면 기체의 종류에 관계 없이 항상 같은 개수의 입자가 들어있다는 사실을 아보가드로의 법칙으로 설명할 수 있습니다.
이번 포스팅에서는 간단한 법칙 설명이었습니다. 이러한 관계들을 한번에 정리한 이상기체방정식을 사용한다면 기체에 대한 더 깊은 이해를 할 수 있지만 분량상 다음 포스팅에서 다루도록 하겠습니다.
감사합니다.
공대생 드림.