기체의 성질

기체 분자는 어떻게 움직일까

기체의 상태는 압력, 부피, 온도, 분자 수 네 가지로 정해지는데, 넷을 한꺼번에 바꾸면 무엇 때문에 무엇이 변했는지 가려낼 수 없다. 그래서 보일은 온도와 분자 수를 묶어 둔 채 압력과 부피만 비교해 둘이 반비례한다는 것을 찾았고, 샤를은 압력과 분자 수를 묶어 둔 채 부피가 절대 온도에 비례한다는 것을 찾았다. 여기에 같은 온도와 압력에서 부피가 분자 수에 비례한다는 아보가드로 법칙을 더하면 세 관계가 PV = nRT 한 식으로 모인다. 이 식의 T 는 켈빈 단위의 절대 온도이고, 기체를 섞으면 각 기체가 제 몰분율만큼 전체 압력을 나누어 맡는다는 돌턴의 분압 법칙도 이 식에서 바로 나온다.

이상 기체 방정식 따라가기

왼쪽은 피스톤으로 막은 용기이고, 용기의 높이가 기체 1 mol 의 부피 V 다. 위쪽 화살표가 피스톤을 누르는 압력 P 이고, 안의 점 15개는 분자 수가 변하지 않는다는 표시다. 점의 꼬리 길이는 분자의 평균 속력을 나타내서, 온도를 올리면 점의 크기는 그대로인 채 꼬리만 길어진다. 오른쪽 그래프의 금색 곡선은 지금 온도의 등온선 P = nRT / V 이고, 빨간 점이 지금 상태다. 압력을 1 atm 에서 5 atm 으로 올리면 점이 같은 등온선을 따라 왼쪽 위로 미끄러지고 부피는 5분의 1로 줄어든다. 온도를 0 ℃ 에서 200 ℃ 로 올리면 등온선 자체가 점선으로 그린 0 ℃ 곡선보다 바깥으로 밀려나, 같은 압력에서 부피가 커진다.

세 법칙을 하나로

가장 흔한 실수는 섭씨 온도를 그대로 식에 넣는 것이다. 10 ℃ 를 20 ℃ 로 올리면 숫자는 두 배가 되지만 절대 온도는 283 K 에서 293 K 로 약 3.5 % 오를 뿐이어서, 부피도 두 배가 아니라 3.5 % 남짓 늘어난다. 기체 법칙의 T 는 언제나 K = ℃ + 273 으로 바꾼 값이다. 또 한 문제 안에서 어느 양을 일정하게 두었는지 먼저 적어야 보일 법칙과 샤를 법칙 가운데 무엇을 쓸지 정해진다. 22.4 L 라는 값도 0 ℃, 1 atm 에서만 1 mol 과 짝이 되고, 27 ℃ 에서는 같은 1 mol 이 약 24.6 L 를 차지한다. 압력이 아주 높거나 온도가 아주 낮으면 분자 사이의 인력과 분자 자체의 부피 때문에 실제 기체는 이 식에서 벗어난다.

섞인 기체와 분압

예제로 익히기

총정리