질소 산소 무게 - jilso sanso muge

기체(氣體, 영어: gas)는 물질이 나타내는 네 가지 상 즉, 고체, 액체, 기체, 플라스마 중 하나로 분자간의 인력이 없는 상태이다. 고체나 액체에 비해 밀도가 낮고, 일정한 모양과 부피를 갖지 않는다.

기체는 어떤 모양의 그릇에도 들어가고, 또 그 그릇 안에서 확산하여 그릇 속을 가득 채운다. 또 기체는 고체나 액체에 비해서 대단히 가볍고, 압축하기도 쉽다. 이것은 고체나 액체의 입자가 거의 달라붙어 밀집해 있는 데 비해, 기체는 입자 사이의 거리가 매우 크기 때문이다. 기체를 이루고 있는 입자는 모두 분자이며, 항상 공간 속을 자유롭게 날아다니고 있다.

샤를의 법칙(문화어: 샬의 법칙) 또는 샤를과 게이뤼삭의 법칙(문화어: 샬과 게이루샤크의 법칙)은 이상 기체의 성질에 관한 법칙이다. 1802년에 루이 조제프 게뤼사크이 처음으로 발표하였는데, 그는 1787년경의 자크 알렉상드르 세사르 샤를의 미발표한 논문을 인용하면서 이 법칙을 샤를의 공으로 돌렸다.

샤를의 법칙은 온도가 1도씩 낮아질때마다 기체의 부피가 1/273으로 줄어든다는 내용이다.

일정한 압력에서 기체의 온도를 높이면 부피가 증가하고 온도를 낮추면 부피가 감소한다.

아보가드로수[편집]

산소·질소·이산화탄소의 같은 부피의 무게를 비교해 보면 32：28：44가 되므로, 반대로 각 기체를 32g, 28g, 44g 취하면 그 부피는 같게 된다. 같은 조건을 만들기 위해서 0°C. 1기압을 표준 상태(NTP또는 STP)라고 한다. 표준 상태에서의 산소 1ι의 무게는 1.429g이므로, 산소 32g의 부피는 22.4ι이다. 같은 방법으로 질소 28g, 이산화탄소 44g의 부피를 계산하면 역시 22.4ι가 된다. 표준 상태에서 22.4ι인 기체 속의 분자의 수는 모두 같으며, 그 수는 6.02×10²³(정확히는 6.022045×10²³)이다. 이 수를 아보가드로 수라고 한다. 또, 아보가드로 수만큼의 입자의 양을 1몰(mol)이라고 한다. 즉, 산소 분자32g, 질소 분자 28g, 이산화탄소 44g이 각 물질의 1몰이 되는 것이다. 아보가드로수는 기체를 이루고 있는 입자뿐만 아니라 모든 물질의 입자수를 알아볼 때 기본이 되는 중요한 수이다.

증기압[편집]

알코올이나 벤젠처럼 액체가 특유한 냄새가 나는 것은, 액체의 표면에서 증기가 증발하여 나오기 때문이다.알코올을 진공 용기 속에 넣고 위쪽에 공간을 남겨두면, 그 부분은 알코올 증기로 가득 차서 일정한 압력을 나타내게 된다. 이 압력을 증기압이라고 한다. 증기압은 일반적으로 온도를 올리면 증가한다. 그리고 액체의 증기압은 물질에 따라 다르며, 같은 온도에서 증기압이 클수록 휘발성이 크다. 또, 증기압이 1기압에 이르렀을 때의 온도가 그 액체의 끓는점이 된다. 어떤 온도에서 최대의 증기압에 도달했을 때, 그 증기압을 포화 증기압이라고 하며, 거기에 도달하면 겉보기에 더 이상의 증발은 일어나지 않는다. 그러나 분자의 면에서 보면 액체에서 기체로 되는 분자수와 기체에서 액체로 돌아오는 분자수가 같다는 뜻이 되며, 액체에서 튀어나가는 분자가 존재하는 것에는 변함이 없다.

확산[편집]

기체를 밀폐한 진공 용기 속에 넣으면, 즉시 퍼져서 전체를 고르게 채운다. 이것은 기체 분자가 제각기 비교적 자유롭게 운동한다고 생각하면, 쉽게 이해가 간다. 브롬의 증기는 공기보다 무거우나, 브롬이 들어 있는 병의 마개를 빼면 병 입구에서 적갈색 증기가 흘러나온다. 또 공기보다 무거운 염화수소가 들어 있는 용기 위에 공기보다 가벼운 암모니아가 들어 있는 용기를 얹고, 그 사이에 둔 경계판을 빼내면, 양자가 서로 섞여서 반응하여 염화암모늄이 된다. 이와 같이 기체가 퍼져 나가는 현상을 확산이라고 하는데, 확산하는 속도는 분자의 질량이 작을수록, 또 온도가 높을수록 커진다. 기체의 경우만큼 빠르지는 않으나 확산은 액체에서도 볼 수 있으며, 또 극히 느리기는 하지만 고체에서 일어나기도 한다.

기체 반응의 법칙[편집]

일정한 온도와 압력에서 기체들이 반응할 때, 반응하는 기체와 생성하는 기체의 부피 사이에는 간단한 정수비가 성립하는데 이것을 기체 반응의 법칙이라 한다.[1]

같이 보기[편집]

• 천연 가스
• 수증기

참고 문헌[편집]

각주[편집]

1. ↑ 김봉래 외 2 (2006년 7월 1일). 《완자 화학 Ⅰ(1권)》 초판. 비유와상징. 정답 친해 2쪽.

공기의 밀도 구하기

LNG는 창문을 열고, LPG는 빗자루로 쓸고,

1. 공기의 밀도는 얼마일까?

  밀도는 단위 부피당 존재하는 물질의 질량이다.

  4 ℃ 물의 밀도는 1 [g/mL] 다. 부피 실린더로 1 [mL] 부피를 정확하게 재어 저울에 올려놓으면, 저울 눈금이 정확히 1 [g]을 가리킨다는 뜻이다. 이와 같이 밀도는 물질의 부피와 질량 사이의 관계를 보여준다.

  그렇다면, 공기의 밀도는 얼마일까?

  일반적으로 밀도는 기체, 액체, 고체로 갈수록 커진다. 물은 액체고, 공기는 기체 혼합물이니 당연히 물보다는 공기의 밀도가 작을 것으로 예상할 수 있다. 검색해보니 15 ℃ 조건에서 약 1.225 [kg/m3] 정도라 한다. 1  이 값이 도대체 얼마나 작은걸까? 간단한 단위 환산을 통해 알아보자. (참고로 kg/m3 단위는 g/L와 같다.)

1 g/L = 10-3 kg / 103 mL = 10-3 kg / 103 cm3 = 10-3 kg / (103*10-6 m3) = 1 kg/m3

* 물의 밀도 단위 변환 [g/mL → kg/m3]

   1 [g] = 10-3 [kg]
   1 [mL] = 1 [cm3] = 1 * 10-6 [m3]

   ∴ 4 ℃ 물의 밀도 1 [g/mL] = 10-3 / 10-6 = 103 [kg/m3]

  물의 밀도가 1000 일 때, 공기는 1.225 다. 약 816 배 정도 물의 밀도가 크다. 밀도가 1000 [kg/m3]이라는 것은 가로, 세로, 높이가 1 m인 상자(부피 = 1 m3)에 물을 가득 채웠을 때, 무게가 1000 [kg] (=1톤)라는 뜻이다. 반면, 같은 부피 상자 속 공기의 무게는 1.225 [kg]이다. 물론, 상자의 무게는 무시하자.

2. 공기의 밀도를 계산해보자.

  공기의 밀도를 구할 수 있을까?

  공기는 질소와 산소, 그리고 미량의 여러 기체가 섞인 혼합물이다. 고도와 지역에 따라 그 비율이 조금씩 다르겠지만, 대체로 질소(N2) 78 %, 산소(O2) 21 %, 그 밖의 기체 1 %(아르곤 0.9 % 외) 로 이루어졌다 말한다. 여기서의 비율은 부피 퍼센트(%, v/v)다.

  아보가드로 법칙에 따르면, 일정 온도와 압력 조건에서 기체의 부피는 입자수와 비례한다. 우리는 공기의 부피 퍼센트를 알고 있다. 총 100 개의 공기 입자(?)가 있다면, 그 중 78 개는 질소, 21 개는 산소, 아르곤 1개라는 뜻이다.

  또한 0 ℃, 1 기압 조건에서 모든 기체 1 몰의 부피는 22.4 L이다. 온도 조건이 바뀌어 25 ℃, 1 기압 조건에서 기체 1 몰의 부피는 약 24.5 L 2이다. 위의 부피 퍼센트에 따라 24.5 L 공기 1 몰 중 0.78 몰은 질소, 0.21 몰은 산소, 0.01 몰은 아르곤 기체다.

  성분 기체의 몰질량 [g/mol]과 몰수 [mol]를 이용하여 해당 기체 혼합물의 질량을 구할 수 있다.

* 25 ℃, 24.5 L 에 포함된 공기(질소, 산소, 아르곤)의 질량 [g]

     1) 질소기체(N2)의 질량 [g] = 0.78 [mol] * 28 [g/mol] = 21.84 [g]
     2) 산소 기체(O2)의 질량 [g] = 0.21 [mol] * 32 [g/mol] = 6.72 [g]
     3) 아르곤 기체(Ar)의 질량 [g] = 0.01 [mol] * 40 [g/mol] = 0.4 [g]

     ∴ 공기의 질량 [g] = 21.84 + 6.72 + 0.4 = 28.96 [g]

  즉, 25 ℃, 24. 5 L의 부피 해당하는 공기의 질량은 28.96 [g]이다. 이를 밀도로 나타내면, 1.18 [g/L]다. 

공기의 밀도 [g/L] = 28.96 / 24.5 = 1.18 [g/L]    (25 ℃, 1기압 조건)

3. LNG는 창문을 열고, LPG는 빗자루로 쓸어라.

  공기의 밀도를 구하다가 다소 뜬금없겠지만, 위의 문장은 공기 밀도와 밀접한 관련이 있다.

  가정에서 사용하는 연료로 대표적인 것이 LNG와 LPG이다. 두 연료 모두 가스 형태의 화석 연료를 압축하여 액화시킨 연료다. LNG는 액화 천연가스(liquefied natural gas), LPG는 액화 석유가스(liquefied petroleum gas)의 약자이다.

  LNG는 가정용 도시가스로, LPG는 가정용, 상업용, 자동차 연료 등으로 사용되는데, 두 연료의 주성분이 다르다. LNG의 주성분은 메탄(methane, CH4) 가스이며, LPG는 프로판(propane, C3H8)과 부탄(butane, C4H10)의 혼합 가스이다.  LPG의 혼합 비까지는 상세히 알 수 없기 때문에 50 % 비율로 섞였다고 가정하여 각각의 연료가 25 ℃에서 기화되었을 때의 밀도를 구해보자.

  참고로, 메탄 1몰의 질량은 16 [g/mol], 프로판은 44 [g/mol], 부탄은 58 [g/mol]이다. 프로판, 부탄 혼합 기체의 몰질량은 평균값인 51 [g/mol]로 취급하자. 앞서 공기의 질량을 구했던 것과 마찬가지로 밀도를 구해보면,

  * 25 ℃, 1기압, 기회된 LNG, LPG의 밀도 계산 [g/L]

    기화된 LNG(메탄)의 밀도 [g/L]= 16 / 24.5 = 0.65 [g/L]
    기화된 LPG(프로판+부탄)의 밀도 [g/L] = 51 /24.5 = 2.08 [g/L]

  기화된 LNG의 밀도는 공기보다 작고, LPG는 크다. 즉, 기화된 LNG는 공기보다 가벼워 뜨고, 기화된 LPG는 공기보다 무거워 가라앉는다. 따라서 가스가 누출되었을 때, 가벼운 도시 가스(메탄가스, LNG)는 창문을 열어 환기를 시키고, 무거운 프로판(또는 부탄, LPG) 가스는 아래쪽 창문을 열거나 쓸어 내어 환기시켜야 한다.

공기의 밀도 구하기 -끝-

* 2022-04-08 : 본문 내용 중 액화 상태에서의 밀도로 오인될 수 있는 부분을 수정하였습니다.

공기는 무게가 있나요?

산소는 어떤 성질이 있을까요?