═════════════════════════════════════ 제 10 장. 기체의 성질 ═════════════════════════════════════ 10-1. 기체의 성질 10-2. 압력과 압력의 측정 10-3. 온도와 부피 관계-샤를의 법칙 10-4. 이상기체 법칙 10-5. 기체 반응의 화학 양론 10-6. Dalton의 부분압력의 법칙 10-7. Graham의 분출 법칙 10-8. 분자 운동론과 기체법칙 10-9. 실제기체

■ 기체

■ 기체 ■ 액체와 고체

■ 기체의 일반적인 성질 10-1. 기체의 성질 ■ 기체와 액체 고체 기체: 분자간 거리 멀다. 유동성 기체: 분자간 거리 멀다. 유동성 액체: 분자간 거리 짧다. 유동성 고체: 분자간 거리 짧다. 비유동성 ■ 기체의 일반적인 성질 • 모든 기체가 같은 물리적인 법칙인 기체법칙을 따른다. • 기체의 성질에 영향을 미치는 인자(4가지 변수): 압력(P), 부피(V), 온도(T), 양 또는 기체의 몰수(n)

= 760 mmHg = 760 torr ■ 기체의 압력 측정 10-2. 기체의 압력 ■ 기체의 압력 •압력(pressure) : 단위면적당 수직으로 작용하는 힘   압력=힘/면적 • 압력의 단위 1atm = 101,325 Pa (N/m2) = 1,013 hPa = 760 mmHg = 760 torr ■ 기체의 압력 측정 •압력계 ◦Pg = Pex + P Hg          (Pg > Pex 일 경우 사용) ◦Pg = Pex – P Hg          (Pg < Pex 일 경우 사용)

■ 압력계- manometer Pg= Pex - h (Pg < Pex 일 경우 사용) Pg= Pex + h (Pg > Pex 일 경우 사용)

10-3. 기체의 압력과 온도, 부피 관계 ■ Boyle 의 법칙(1662년) • 일정한 온도에서 일정량의 기체   압력 ∝1/부피 V ∝(1/P) (T와 기체의양이 일정) • 보일의 법칙: PV =일정

■ Charles의 법칙(1787년) • 기체의 압력이 일정할 때 기체의 부피는 켈빈온도에 비례한다.     V ∝ T      (P와 기체의 양이 일정) • 절대온도( 캘빈 온도, K): T= t ℃ + 273.15 • 샤를의 법칙:

■ 통합기체의 법칙- 보일-샤를의 법칙 • Boyle의 법칙: PV =일정 • Charles의 법칙: • 기체의 양이 일정할 때:

예제 10. 2(p-501) 전구속 아르곤기체 760 torr, 100 mL에서 온도가 35 예제 10.2(p-501) 전구속 아르곤기체 760 torr, 100 mL에서 온도가 35.0 oC 인데 압력이 720torr , 부피가 torr 200 mL 에서 온도는 ? V1 = 100 mL P1 = 760 torr T1 = 308 K (35.0 oC + 273 oC) V2 = 200 mL P2 = 720 torr T2 = ? P1V1 T1 P2V2 T2 = T2 = 308 K x x 200 mL 100 mL 720 torr 760 torr = 584 K, or 311 oC from (584 K - 273 K) x oC K

■ Gay-Lussac 기체반응 의 법칙 • 기체상 반응에서 기체부피의 상관관계 ◦수소 + 염소 → 염화수소     1부피    1부피        2부피 H2(g) + Cl2(g) → 2HCl(g)    계수         1          1             2      부피          1부피      1부피         2부피(실험)      몰수          1mol      1mol          2mol(아보가드로 원리)

같은 부피 속에 같은 수의 기체 분자(STP 에서 22.4L/몰 ) ■ 아보가드로 법칙 [1811년] : 같은 온도 같은 압력에서 같은 부피 속에 같은 수의 기체 분자(STP 에서 22.4L/몰 ) He (질량 4.003일때) Ne (질량 20.18일때) Ar (질량 39.95일때) 그 램 수 4.003g 20.18g 39.95 몰 수 1.00mol 원자수 6.022*1023개 압 력 1.00atm 온 도 273 K 부피 22.4 L 22.4L 밀도 0.179(g/L) 0.901(g/L) 1.78(g/L)

■ 기체상수: 기체의 종류에 무관(STP에서 224.L/몰) 10-4. 이상기체의 법칙 ■ 이상기체의 법칙: (P, V, T, n) ■ 기체상수: 기체의 종류에 무관(STP에서 224.L/몰) R = = R = 0.082 atm •L/mol K = 8.314 J/mol • K PV = nRT (이상기체 상태방정식)

예제 10.5(p-509) 25 oC, 0.757 atm에서 어떤 기체 0.220 L의 질량을 측정하였더니, ■ 기체의 분자량 측정 (해)  T= 298.15 K,  P= 0.757 atm, V= 0.220 L n = pV/RT = (0.757)(.022)/(0.082)(298.15) = 6.81x 10-3 mol M= w/n= 0.2990 g/6.81x 10-3 mol = 43.9 g/mol 예제 10.5(p-509) 25 oC, 0.757 atm에서 어떤 기체 0.220 L의 질량을 측정하였더니, 0.299 g 이었다. 이 기체의 분자량은 얼마인가?

■ 기체의 반응 ■ 예제 10-8(p. 513) 10-5. 기체반응에 대한 화학양론 2 H2(g) + O2(g) → 2H2O(g) 몰수비 2 몰 : 1 몰 2몰 부피비: 2 L : 1 L 2 L ■ 예제 10-8(p. 513) CaCO3(s) → CaO(s) + CO2(g) 1몰  1몰 CaCO3 1.25 g을 열분해하여 740 torr, 25℃ 에서 CO2(g)의 부피? (해) CaCO3 몰수 = 1.25 g/(100.1 g/mol) = 1.25 x 10-2 mol  CO2(g) 몰수 V= nRT/P = (1.25 x 10-2 mol) x (0.082)(298 K)/0.974 torr = 0.314 L

10-6. Dalton의 부분압력법칙 ■ 이상기체 혼합물 P1 = X1 PT, P2 = X2 PT, PT = P1 +P2

■ 예제 10-9(p.515) 25℃ 에서 4.0 L 용기에 산소 50.0 g 과 질소 150.0 g 전체 기체의 압력은? 산소의 몰수= 50.0/32.0 = 1.56 mol 질소의 몰수= 150.0/28.0= 5.36 mol PO2 = (1.56 mol) (0.082) (298 K)/4.0L = 9.54 atm PN2 = (5.36 mol) (0.082) (298 K)/4.0L = 32.8 atm PT = ( 9.54 atm) + (32.8 atm) = 42.3 atm ■ 예제 10-11(p.520) 부피가 일정한 용기속에 PO2 = 160 torr, PN2 = 600 torr 있다. 각 기체의 몰분율은? Ptotal = 600 torr + 160 torr = 760 torr XN2 = = PN2 Ptotal 600 torr 760 torr = 0.211 , or 21.1 mole percent of O2

■ 예제: 이상기체 혼합물 다음 그림과 같이 2기압의 O2 4L와 1기압의 N2 6L를 콕을 이용해서 분리시켜 놓았다. 콕을 열었을 때 산소의 부분압력(Po2)과 전체 압력은 각각 얼마인가? (a) 산소의 부분압력: Po2 = (2 atm)(4L)/10 L =0.8 atm (b) 질소의 부분압력: PN2 = (1 atm)(6 L)/10 L =0.6 atm (c) 전체압력: PT = (0.8 + 0.6) atm = 0.14 atm

■ 이상기체 분자운동론 10-7. 기체 분자 운동론 <가정> 기체는 끊임없이 여러 방향으로 직선 운동한다. 기체분자의 부피는 기체 부피 전체에 비해 무시할 정도로 작다. 분자는 완전탄성체라고 가정한다. (운동량 보존) 기체 분자의 평균 운동에너지는 절대온도에 정비례한다.       

■ 이상기체 10-8. Graham의 확산법칙 •동일한 압력과 온도에서 비교할 때, 기체의 분출속도는 밀도 d의 제곱근에 반비례한다.

■ 예제: 확산 속도 수소(H2)와 산소(O2)의 확산속도의 비

■ 실제기체(Real Gases) 10-9. 기체 분자 운동론 반데르발스 방정식 : 실제 기체는 인력 작용 실제 기체는 부피 존재    반데르발스  방정식 :   1) 실제 기체에서는 기체의 부피 보정     기체 분자 1몰이 실제로 차지하는 부피를 b라고 하면, 공간의 부피는 (V-nb) 이므로,                          2) 실제 기체에서 압력은 분자의 인력에 의해 감소됨     이 때 비례 상수를 a라고 하면, 압력은 P+n2 a/V2                                             

■ 반데르발스 상수 n2a V2 P + (V - nb) = nRT 물질 a (atm L2/mol2) b (L/mol) He 0.03421 0.02370 Ne 0.02107 0.01709 Ar 1.345 0.03219 Kr 2.318 0.03979 Xe 4.194 0.05105 H2 0.02444 0.02661 O2 1.360 0.03183 N2 1.390 0.03913 CH4 2.253 0.04278 CO2 3.592 0.04267 NH3 4.170 0.03707 H2O 5.464 0.03049 C2H5OH 12.02 0.08407

■ 실제기체 압축인자

■ 연습문제 6 35 38 42 44 47 48 51 57 60