가스일반: 가스의 기초 법칙

 

1. 화학의 기초

 

1) 원자량과 분자량

 

①원자량: 질량수 12인 탄소원자 (C12)를 기준으로 정하고 이것과 비교한 다른 원자의 상대적 질량값을 말한다.

▶ 탄소 1g 원자 = 탄소 12g = 탄소원자 6.02 x 10^23 개 (아보가드로 수)

 

출처: 위키백과

②분자량: 분자를 구성하는 원자의 원자량의 합으로 표시한다.

 

-1원자 분자: 1개의 원자로 이루어진 분자 ( Ar, He, Ne 등)

-2원자 분자: 2개의 원자로 이루어진 분자 ( H2, O2, N2, CO 등)

-3원자 분자: 3개ㅢ 원자로 이루어진 분자 ( O3, H2O, CO2 등)

 

 

③ 원소기호 및 원자량, 분자량

호칭	수소	헬륨	탄소	질소	산소	나트륨	황	염소	아르곤
원소기호	H	He	C	N	O	Na	S	Cl	Ar
원자량	1	4	12	14	16	23	32	35.5	40
분자기호	H2	He	C	N2	O2	Na	S	Cl2	Ar
분자량	2	4	12	28	32	23	32	71	40

▶ 공기의 평균분자량 계산: 공기의 조성(부피%)이 질소 78%, 산소 21%, 아르곤 1%로 되어 있으므로

 

M=(28 x 0.78) + (32 x 0.21) + (40 x 0.01) = 28.93 = 29

 

즉, 공기 1g mol이 차지하는 질량은 약 29g이고, 부피는 22.4L 이다.

 

 

2. 아보가드로의 법칙

 

모든 기체 1g분자는 표준상태(0도, 1기압)에서 22.4 L의 부피를 차지하며, 그 속에는 6.02x10^23개의 분자가 들어 있다.

 

 

 

2. 기체의 특성

 

① 보일의 법칙(Boyle's law)

 

기체의 온도(T)를 일정하게 유지할 때, 모든 기체의 부피(V)는 압력(P)에 반비례한다. 즉T(k)=일정할 때, 관계식  V∝1P ,    

 P1 V1 = P2 V2

 

② 샤를의 법칙(Charle's law)

 

압력(P)이 일정할 때 일정량의 기체의 부피는 온도가 1도 증가함에 따라 0도때의 부피보다 1/273씩 증가한다. 즉 일정한 압력하에서 일정량의 기체의 부피는 절대온도에 비례한다.

관계식: V∝T,   V=kT,   VTk

 

③ 보일-샤를의 법칙

 

어떤 기체라도 온도가 일정하면 보일의 법칙이 성립되고, 압력이 일정하면 샤를의 법칙이 성립된다. 그러므로 온도와 압력이 동시에 변하면 보일-샤를으 법칙이 성립된다.

즉, 보일-샤를의 법칙은 일정량의 기체의 부피는 압력에 반비례하고, 절대온도에 비례한다.

 

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P1=변하기 전의 절대 압력       P2=변한 후의 절대압력

V1=변하기 전의 부피             V2=변한 후의 부피

T1=변하기 전의 절대온도(K)    T2=변한 후의 절대온도 (K)

 

 

④ 이상기체의 법칙(Ideal Gases's law; 완전가스)

 

▶이상기체의 성질

 

-보일/샤를의 법칙을 만족

-아보가드로의 법칙에 따른다

-내부에너지는 체적에 무관하며 온도에 의해서만 결정된다. (줄의 법칙이 성립한다.)

-비열비는 온도에 관계없이 일정하다.

-기체의 분자력과 크기도 무시되며 분자 간의 충돌은 완전 탄성체이다.

 

관계식 해석: 보일-샤를의 법칙에 의하여 일정량의 기체의 PVT=K 의 값은 일정하다. 압력을 1atm, 온도를 ℃(273K)라 하면 1mol의 기체는 22.4L의 체적을 가지고 있으므로 이 식에 대입하면 k의 값이 구해진다.

 

PVT= 1atm × 22.4L 273K= 0.082LㆍatmmolㆍK=R

PV = RT--------------------------------------------------------(1) 기체 1mol의 관계식

 

이때 R를 기체상수이며 또한, n mol의 기체는 표준상태에서 22.4 X n(L)이 되므로

 

PVT= 1atm × 22.4L × n273K = 0.082×n = nR

*PV = nRT-----------------------------------------------------(2) 기체 n mol의 관계식

*STP(standard temperature and pressure)

 

 

구분	이상기체	실제기체
분자의 크기	질량은 있으나 부피가 없다	기체에 따라 다르다
분자간의 인력	없다	있다
고압,저압	액화, 응고되지 않는다	액화, 응고된다
0K (-273 ℃)	기체부피 0이다	응고되어 고체로 된다
보일/샤를의 법칙	완전히 적용된다	근사적으로 적용된다

⑤ 증기압(vapor pressure)

 

어떤 물질의 증기압은 액상 물질 위의 기체상 중 물질의 분자의 의해 작용한 부분압이다. 물의 증기압은 물의 온도에 따라 결정된다. 즉 액체 물의 양은 문제되지 않는다. 물이 뜨거울수록 증기압이 크다. 물의 온도가 알려져 있으면 물의 적절한 증기압은 증기압표를 이용하여 알 수 있다. 포집하려는 기체의 부분압은 물의 증기압을 포집하려는 용기내부의 전체 압력에서 빼서 구한다.