기체반응의 법칙 예시 - gicheban-eung-ui beobchig yesi

기체반응의 법칙(Law of combining volumes)

기체반응의 법칙(Law of combining volumes)이란 동일한 온도와 압력하에서 반응하는 두 기체의 부피는 간단한 정수비로 되어 있다는 법칙이다. 또한 각 생성물의 부피와 반응 기체 중 어느 하나의 부피와의 비율도 간단한 정수비이다.

화학 반응식의 계수의 비 = 분자 수의 비= 기체의 부피의 비

19세기에는 분자의 개념이 아직 확립되지 않았기 때문에 기체 반응의 법칙을 원자 모형만으로 설명할 수 없었다. 예를 들어, 수소와 산소가 반응하면 수증기가 만들어지는데, 이때의 반응비는 2 : 1 : 2이다. 이것을 만족시키기 위해 원자 모형으로 설명하면 반응식이 2H+ O → 2HO½ 가 되어 산소 원자가 쪼개져야만 한다!

당연히 이것은 원자는 더이상 쪼개질 수 없다는 돌턴의 원자설에 위배되어 설명이 불가능했다. 

후에 아보가드로가 분자설을 주장함으로써 기체 반응의 법칙이 성립하게 된다. 이때도 마찬가지로 수소와 산소의 반응비는 2 : 1 : 2가 되고 반응식은 2H2 + O2 → 2H2O가 되어 원자 모형으로 설명을 할 수 없었던 기체 반응의 법칙이 분자 모형으로 성립하게 된다.

1. 기체 반응 법칙(1808년, 게이뤼삭)

일정한 온도와 압력에서 기체들이 반응하여 새로운 기체가 생성될 때 각 기체의 부피 사이에는 간단한 정수비가 성립한다.

※ 기체 반응 법칙은 반응물질과 생성물질이 기체인 경우에만 성립한다.
예) 탄소(고체) + 산소(기체) → 이산화 탄소
→ 기체 반응 법칙이 성립하지 않는다.

예) 수증기 생성 반응에서 부피 관계

① 실험 1
• 반응 전 기체의 부피: 수소 - 10mL, 산소 - 10mL
• 반응 후 남은 기체의 부피: 산소, 5mL
• 반응한 기체의 부피: 수소 - 10mL, 산소 - 5mL
• 생성된 수증기의 부피: 10mL

② 실험 2
• 반응 전 기체의 부피: 수소 - 20mL, 산소 - 10mL
• 반응 후 남은 기체의 부피: 0mL
• 반응한 기체의 부피: 수소 - 20mL, 산소 - 10mL
• 생성된 수증기의 부피: 20mL

③ 실험 3
• 반응 전 기체의 부피: 수소 - 30mL, 산소 - 10mL
• 반응 후 남은 기체의 부피: 수소, 10mL
• 반응한 기체의 부피: 수소 - 20mL, 산소 - 10mL
• 생성된 수증기의 부피: 20mL
→ 수증기 생성 반응에서 부피비는 수소 : 산소 : 수증기 = 2 : 1 : 2로 일정하다.

온도와 압력이 같을 때 모든 기체는 같은 부피 속에 같은 수의 분자가 들어 있다.

※ 분자
물질의 고유한 성질을 띤 가장 작은 입자로, 대부분 여러 개의 원자들이 결합하여 이루어진다.
예) 온도와 압력이 같을 때 같은 부피 속에 들어 있는 산소 분자와 이산화 탄소 분자의 개수는 같다.

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같은 부피 속에 들어 있는 기체 분자산소의 분자 수: 5개, 이산화 탄소의 분자 수: 5개

1) 제안 배경
돌턴의 원자설에 어긋나지 않으면서 기체 반응 법칙을 설명하기 위해 분자의 개념을 도입하였다.

① 원자 모형으로 기체 반응 법칙을 설명할 경우
원자가 쪼개져 돌턴의 원자설에 어긋나므로, 기체 반응 법칙을 설명할 수 없다.

② 분자 모형으로 기체 반응 법칙을 설명할 경우
원자가 쪼개지지 않으므로 돌턴의 원자설에 어긋나지 않게 기체 반응 법칙을 설명할 수 있다.

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2) 분자로 기체 사이의 반응을 설명할 때 성립하는 법칙

① 원자가 쪼개지지 않는다.
→ 돌턴의 원자설 성립
② 반응하는 기체와 생성되는 기체 사이에 일정한 부피비가 성립한다.
→ 기체 반응 법칙 성립
③ 반응 전과 후에 원자의 종류와 개수가 같으므로 반응 전후에 물질의 총 질량이 같다.
→ 질량 보존 법칙 성립
④ 반응물질의 구성 원자가 일정한 개수비로 결합하여 생성물질을 이룬다.
→ 일정 성분비 법칙 성립

3) 기체 사이의 반응에서 부피비와 분자 수비의 관계
같은 부피 안에 같은 개수의 분자가 들어있으므로 각 기체의 부피비는 분자 수비와 같다. (단, 반응 전후 온도와 압력은 같다.)

① 수증기 생성 반응

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부피비 2 : 1 : 2 분자 수비 2 : 1 : 2

② 암모니아 생성 반응

부피비 3 : 1 : 2 분자 수비 3 : 1 : 2

③ 염화 수소 생성 반응

부피비 1 : 1 : 2 분자 수비 1 : 1 : 2