제 5장 기체

250C , 1 기압에서 기체로 존재하는 원소

기체의 물리적은 특성 기체는 담겨있는 용기의 부피와 모양으로 나타낸다. 기체는 가장 잘 압축될 수 있는 물질의 상태이다. 기체들은 같은 용기에 담겨있을 때 균일하고 완전하게 혼합된다. 기체는 액체와 고체보다 밀도가 훨씬 작다.

10 miles 0.2 atm 4 miles 0.5 atm Sea level 1 atm

힘 압력 = 면적 압력의 단위 1 pascal (Pa) = 1 N/m2 1 atm = 760 mmHg = 760 torr (힘 = 질량 x 가속도) 압력의 단위 1 pascal (Pa) = 1 N/m2 1 atm = 760 mmHg = 760 torr 1 atm = 101,325 Pa

기체 압력의 측정에 사용되는 두 가지 형태의 압력계

기체의 압력과 부피의 관계를 연구하기 위한 장치. 압력(높이)가 증가할수록 부피는 감소한다

아보가드로의 법칙 V a 몰 수 (n) 온도와 압력은 일정 V = 상수 x n V1 / n1 = V2 / n2

보일의 법칙 P a 1/V 온도와 기체의 양은 일정 P x V = 상수 P1 x V1 = P2 x V2

온도가 증가할수록 부피는 증가한다.

일정압력에서 온도에 따른 부피 변화. 샤를 & 게이 뤼삭의 법칙 V a T 온도는 반드시 절대온도이다. V = 상수 x T V1/T1 = V2 /T2 T (K) = t (0C) + 273.15

이상기체 상태 방정식 1 보일의 법칙: V a (몰수와 온도는 일정) P 샤를의 법칙: V a T (몰수와 압력은 일정) 아보가드로의 법칙: V a n (압력과 온도는 일정) V a nT P V = constant x = R nT P R = 기체상수 PV = nRT

PV = nRT PV (1 atm)(22.414L) R = = nT (1 mol)(273.15 K) 0oC 1기압의 조건을 표준 온도와 압력이라 한다. (STP). STP조건에서, 1 몰의 기체의 부피는 22.414 L이다. PV = nRT R = PV nT = (1 atm)(22.414L) (1 mol)(273.15 K) R = 0.082057 L • atm / (mol • K)

밀도(d) 계산 m = 기체의 질량 m V = PM RT d = M = 기체의 몰질량 기체 물질의 몰질량 dRT P M = d =기체의 밀도

기체 화학량론

돌턴의 부분 압력의 법칙

PA = nART V PB = nBRT V XA = nA nA + nB XB = nB nA + nB PT = PA + PB 부피 V에 담겨있는 두 기체 (A, B)를 고려하라. PA = nART V nA = A의 몰수 PB = nBRT V nB = B의 몰수 XA = nA nA + nB XB = nB nA + nB PT = PA + PB PA = XA PT PB = XB PT Pi = Xi PT 몰분율 (Xi) = ni nT

기체의 수상 포집 장치 2KClO3 (s) 2KCl (s) + 3O2 (g) PT = PO + PH O 2

기체의 분자 운동론 기체는 분자들로 이루어져 있으며 분자들은 자신들의 크기에 비해 서로 아주 멀리 떨어져 있다. 분자들은 질량은 있으나 부피는 무시된다. 기체 분자들은 무질서한 방향으로 끊임없이 운동하고 있으며 분자들은 서로 빈번하게 충돌한다. 분자들 사이의 충돌은 완전 탄성충돌이다. 기체 분자들 사이에는 인력이나 척력이 작용하지 않는다. 분자들의 평균 운동 에너지는 기체의 절대 온도에 비례한다. 같은 온도에 있는 두 기체는 같은 평균 운동 에너지를 갖는다. 분자들의 평균 운동 에너지는 다음과 같다. KE = ½ mu2

Kinetic-Molecular Theory u2 = vx2 +vy2 + vz2, vx2 = vy2 = vz2 = ⅓ u2 Δpx = m(-vx) - mvx = -2mvx (왼쪽 벽에 충돌하는 분자의 운동량 변화) Δpwall = 2mvx Δt = 2l/vx (분자가 x 방향으로 상자를 왕복하는데 걸리는 시간) Δpwall/Δt = 2mvx/(2l/vx) = mvx2/l f = ma = m(Δv/Δt ) = Δp/Δt = mvx2/l (분자 하나가 x 방향의 벽면에 주는 힘) F = f1 + f2 + f3 + f4 + ······ = mvx12/l + mvx22/l + mvx32/l + mvx42/l + ······ = (m/l)(vx12 + vx22 + vx32 + vx42 + ······) = Nm< vx2 >/l (분자 전체가 x 방향의 벽면에 주는 힘) < vx2 > = (vx12 + vx22 + vx32 + vx42 + ······)/N P = F/A = (Nm<vx2>/l)/l2 = Nm<vx2>/V = Nm<⅓ u2>/V = ⅓ Nm<u2>/V PV = ⅓ Nm<u2> = nRT ½ N0m<u2> = 3/2 RT, <u2> = 3RT/M

기체 법칙에의 적용 기체의 압축성 보일의 법칙 샤를의 법칙 P a 벽에 충돌하는 충돌 속도 충돌 속도 a 기체의 수밀도 기체의 수밀도 a 1/V P a 1/V 샤를의 법칙 충돌속도 a 기체분자들의 평균 운동에너지 평균 운동에너지 a T P a T

기체 법칙에의 적용 아보가드로의 법칙 돌턴의 부분 압력의 법칙 P a 벽에 충돌하는 충돌속도 충돌속도 a 기체의 수밀도 기체의 수밀도 a n P a n 돌턴의 부분 압력의 법칙 분자들 사이에 인력과 척력이 없다면, 한 종류의 분자에 의한 압력은 다른 기체의 존재에 영향을 받지 않는다. Ptotal = SPi

같은 온도에서 세가지 다른 기체의 속력 분포 세가지 다른 온도에서 질소 기체의 속력 분포 urms = 3RT M 

 M2 M1 NH4Cl NH3 17 g/mol HCl 36 g/mol 기체 확산은 분자들의 운동 특성에 의해 한 기체 분자들이 다른 기체 분자들과 점진적으로 혼합되는 것이다. M2 M1  r1 r2 = NH4Cl NH3 17 g/mol HCl 36 g/mol

 M2 M1 기체 분출은 용기의 한쪽에서 가압된 기체가 조그만 구멍을 통하여 다른 쪽으로 빠져나가는 과정이다. r1 r2 t2 t1 = =

기체 속도 r d 기체 통과시간t = d/r r = d/t

이상적인 거동에서 벗어남 1 mole 의 이상기체 척력 PV = nRT n = PV RT = 1.0 인력

기체의 압력에 영향을 주는 분자간의 힘.

반데르 발스 실제기체 상태 방정식 P + (V – nb) = nRT an2 V2 ( ) } 수정된 압력 } 수정된 부피