기체와 압력에 대하여

기체 상태의 물질들

우리가 일상에서 숨을 쉴 때 마주하는 것이 바로 기체 상태의 물질들입니다. N2 기체가 78% 정도의 비율을 이루고 있으면서 산소가 21%, 나머지 1% 정도가 CO2와 다른 기타 기체들입니다. 그렇다면 1 atm(1 기압), 섭씨 25도씨 조건에서 기체로 존재하는 물질들은 무엇이 있을까요? 그것은 바로 수소, 질소, 산소, 플루오르, 염소 등입니다. 이들은 모두 2개씩 짝을 이루어 기체 분자로 존재합니다. 물론 산소의 경우 3개가 함께 모인 오존 상태도 존재합니다. 그 외 헬륨, 네온, 아르곤, 제논, 크립톤, 라돈 등은 일 원자종 8A족 불활성 기체로 혼자서 기체로 존재합니다. 또한 HCN이라는 사이안화 수소는 특이하게 끓는점이 섭씨 26도씨로 알려져 있으나 표준 대기압 하에서 기체로 존재하는 것으로 알려져 있습니다.

 

기체와 압력

기체 분자들은 넓은 범위에서 계속해서 움직이는 특성이 있습니다. 그래서 닿아있는 표면들에 압력을 가하게 되는데 이를 기압이라고 말합니다. 대기압을 우리가 평소에 잘 느끼지 못한다고 생각할 수 있지만, 빨대로 음료를 마실 때 물이 밀어올려지는 현상도 대기압에 의해서 일어나는 현상입니다. 질량과 가속도의 곱으로 표현이 가능한 N(뉴턴) 단위로 압력을 표기할 수 있습니다. 1제곱미터 당 1N의 힘을 1Pa(파스칼)로 정의할 수 있습니다. 지구의 대기압을 표준으로 나타내는 단위를 1 atm이라고 하는데, 섭씨 0도씨 해수면에서 수온 기둥을 760mm까지 들어 올릴 수 있는 힘을 말합니다. 그래서 1 atm = 760mmHg로 표기할 수 있습니다. 이를 torr 단위로 표기하면 1 atm = 760 torr입니다. 처음 이야기했던 Pa단위와의 관계를 보자면 1 atm = 101,325Pa입니다. 

 

기체의 법칙들

기체도 역시나 물질의 하나로 물리적인 성질과 특성들을 갖고 있습니다. 그래서 기체와 관련된 여러 물리, 화학적 특성을 살펴보고자 합니다. 기체와 관련된 여러 법칙들을 설명하려면 항상 등장하는 법칙들이 있습니다. 보일의 법칙, 샤를의 법칙, 그리고 아보가드로의 법칙이 있습니다. 각 법칙들을 하나씩 살펴보겠습니다.

 

보일의 법칙

보일의 법칙은 압력과 부피의 상관관계를 잘 설명해 줄 수 있는 법칙입니다. 보일의 법칙은 압력은 부피에 반비례라는 것을 설명합니다. 그래서 보일의 법칙에 따라 기체가 일정 온도에서 양이 일정하다면 기체의 압력과 부피를 곱한 값은 언제나 동일하다는 것을 알 수 있습니다. 그래서 만약 온도와 양이 일정하게 유지된다고 가정하고 압력이 바뀌었을 때 부피가 어떻게 변하는지 확인하고자 한다면 PV = P'V'로 계산을 할 수 있습니다. 압력이 줄어든 만큼 부피가 커질 것이기 때문입니다.

 

샤를과 게이뤼삭의 법칙

보일의 법칙이 온도가 일정하게 유지되는 조건으로 한정지어 설명했다면, 만약 기체의 온도가 바뀔 때에는 어떻게 될 것인가 궁금할 것입니다. 이때 적용할 수 있는 법칙이 샤를과 게이뤼삭의 법칙입니다. 일정한 압력이 기체에 가해지고 있더라도 기체가 가열되어 온도가 올라가면 부피가 팽창하고, 반대로 냉각되면 부피가 감소하는 현상을 법칙으로 정의하였습니다. 여기에서 확장된 개념이 kelvin temperature scale입니다. 캘빈의 이름을 화학 시간에 들어본 사람들은 절대 영도에 대해서 먼저 떠오를 것입니다. 압력과 온도에 따른 부피 그래프를 X축에 닿을 때까지 연장시켜보다 보면 X절편이 형성되는 온도 지점이 섭씨 -273.15도씨가 됩니다. 이를 캘빈은 절대 영도라고 규정하였습니다. 그래서 이 캘빈 온도를 T라고 놓고 부피를 V라고 놓으면 V/T = V'/T'라는 공식이 성립됩니다.

 

아보가드로의 법칙

몰농도 등의 개념을 접할 때 항상 등장하는 아보가드로가 말한 기체의 법칙도 있습니다. 역시나 기체의 mole수에 비례하는 기체의 부피 관계를 정의한 법칙입니다. 아보가드로의 법칙에 따르면 압력과 온도가 일정한 경우 기체의 부피는 기체의 mole 수에 비례한다고 알 수 있습니다. 

 

기체의 법칙들을 종합해보면

이 세가지 기체의 법칙을 종합해보면 '이상 기체 방정식'이 탄생하게 됩니다. 수식으로 표현하자면 PV = nRT입니다. P는 압력을 나타내고 V는 부피를 표기합니다. T는 위에서 설명했던 캘빈 온도를 말합니다. n은 mole 수를 의미합니다. 마지막 R은 그럼 무엇일까요? R은 기체 상수를 의미합니다. 섭씨 0도씨 1 기압의 조건을 STP(Standard temperature and pressure)라고 하는데, STP 조건에서 기체 1몰이 존재하면 그 부피는 22.4L가 된다는 현상이 확인되었습니다. 그래서 기체 상수는 0.082의 값이 되고, PV = nRT 계산 시에 R 자리에 0.082를 넣어주어 계산하면 됩니다. 그런데 만약 P, V, T, n의 값이 변화되는 경우에 초기 기체의 상태와 최종 기체의 상태 간 계산이 필요한 특이적인 상황이 생길 수 있습니다. 그때에는 PV/nT = P'V'/n'T'의 공식으로 계산이 가능합니다. 

 

이상 기체 방정식의 응용

이상 기체 방정식은 밀도와 mole질량을 계산할 때 유용합니다. PV = nRT에서 n을 기체의질량/mole질량으로 표기가 가능하기 때문에 이를 대입해서 새롭게 공식을 유도할 수 있습니다. 그렇게 유도된 공식에 따라 mole질량 = dRT/P의 공식이 만들어집니다. 여기에서 d는 기체의 밀도입니다. L당 g 단위로 나타낼 수 있습니다.