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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

2 ■ 기체

3 ■ 기체 ■ 액체와 고체

4 ■ 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)

5 = 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)

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

7 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

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

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

10 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 oC 인데 압력이 720torr , 부피가 torr 200 mL 에서 온도는 ? V1 = 100 mL P1 = 760 torr T1 = 308 K (35.0 oC 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 K) x oC K

11 ■ 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)

12 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)

13 ■ 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 = atm •L/mol K = J/mol • K PV = nRT (이상기체 상태방정식)

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

15 ■ 기체의 반응 ■ 예제 10-8(p. 513) 10-5. 기체반응에 대한 화학양론
2 H2(g) + O2(g) → 2H2O(g) 몰수비 2 몰 : 몰 몰 부피비: 2 L : L L ■ 예제 10-8(p. 513) CaCO3(s) → CaO(s) + CO2(g) 1몰  몰 CaCO 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 = L

16 10-6. Dalton의 부분압력법칙 ■ 이상기체 혼합물 P1 = X1 PT, P2 = X2 PT, PT = P1 +P2

17 ■ 예제 10-9(p.515) 25℃ 에서 4.0 L 용기에 산소 50.0 g 과 질소 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 torr = 760 torr XN2 = = PN2 Ptotal 600 torr 760 torr = , or 21.1 mole percent of O2

18 ■ 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 = ( ) atm = 0.14 atm

19 ■ 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.       

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

21 ■ 예제: 확산 속도 수소(H2)와 산소(O2)의 확산속도의 비

22 ■ 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                                             

23 ■ 반데르발스 상수 n2a V2 P (V - nb) = nRT 물질 a (atm L2/mol2) b (L/mol) He Ne Ar 1.345 Kr 2.318 Xe 4.194 H2 O2 1.360 N2 1.390 CH4 2.253 CO2 3.592 NH3 4.170 H2O 5.464 C2H5OH 12.02

24 ■ 실제기체 압축인자

25 ■ 연습문제 6 35 57 60