물리화학실험 | 기체의 유출 - 분자량 및 분자지름

 

 

 

TIP

 

 

유출법에 의해 기체의 분자량을 측정하는 방법과 기체를 모세관을 통해 확산시켜 기체분자의 대략적인 지름을 추산하는 방법을 익힌다.

 

 

 

그레미엄의 법칙(Graham's law)

기체의 유출 또는 확산 속도에 관해 T. Graham이 발견한 법칙으로 작은 구멍이 있는 요기에 들어간 기체가 유출하는 속도는 기체의 밀도의 제곱근에 반비례하고, 용기 내외의 압력차 제곱근에 비례한다는 법칙이다. 기체 유출의 법칙이라고도 한다. 등온도, 등압력에서는 두 개의 기체 밀도의 비는 분자량의 제곱근에 반비례한다고 해도 좋다. 이 법칙은 1831년 Graham이 발견하여 후에 기체 분자 운동론의 입장에서 다음과 같은 이론적 설명을 주었다.

 

기체의 유출 속도는 분자의 제곱 평균 속도에 비례하고. 제곱 평균 속도는 에너지 균분의 법칙에 의해 분자량의 제곱근에 반비례한다. 따라서 유출 속도는 분자량의 제곱근에 반비례 한다. 이 법칙을 응용해서 분자량이 미지인 기체의 유출 속도와 분자량이 기지인 기체 유출 속도를 비교해서 전자의 분자량을 알 수 있다. 또 기체의 분리에도 사용된다.

 

기체 및 액체에 있어서 확산 속도와 분자량이 큰 것일수록 작아지는 경향이 있다. 기체의 확산법칙으로 Graham은 여러 요액의 확산 속도를 측정하여 확산 속도가 뚜렷하게 작은 일군의 물질이 있는 것을 발견하였다. 이것은 콜로이드 용액 발견의 최초의 실험 중 하나이다. 또 주의할 것은 기체 분자의 확신이 분자량의 제곱근에 반비례한다는 이론인데 이것은 잘못으로 유출과 자주 혼동되고 있다.

 

 

확산 (diffusion)

어떤 물질 속에 이종의 물질이 점차 섞여 들어가는 현상. 컵의 물에 잉크를 한 방울 떨어뜨리면 시간이 지남에 따라 잉크가 물 속으로 퍼져 전체가 균일하게 섞이는 것은 그 예의 하나이다. 마찬가지 현상은 기체와 기체 사이에서도 볼 수 있고, 때로는 기체와 고체, 액체와 고체 사이에서도 일어난다. 또 같은 종류의 기체나 액체에서도 부분적으로 밀도의 차이가 있으면 자연적으로 이 현상이 일어나서 전체의 밀도가 균일하게 된다. 광대한 대기나 해수의 어디를 취해도 거의 일정한 조성을 가지는 것은 확산에 의하여 성분이 균일하게 섞인 결과이다.

 

이질인 물질 사이에 확산이 저절로 일어나는 것은 물질분자가 끊임없이 운동하고 있기 때문이며, 그 모양은 열이 고온부에서 저온부로 이동하여, 드디어는 전체 온도가 균일하게 되는 것과 비슷하다. 다만 열의 이동에 지속이 있는 것처럼 확산의 크기도 종류에 따라 차가 있고, 분자운동이 활발한 기체는 액체보다도 확산속도가 크다. 또 기체나 액체의 확산속도는 물질의 그 밀도( 분자량)의 제곱근에 반비례한다는 법칙이 알려져 있다. 이것을 그레이엄의 법칙(Graham's law)이라고 한다.

 

 

실험 방법

1. 실험 과정

1) 유출장치를 하고 Chamber에 물을 채운다.

 

2) 스톱코크(Stopcork)의 위치를 기체입구와 연결통에 연결하고 연결통에 관을 들어올려 유출로 속에 공기에 의하여 치환시킨다. 혹은 Stopcork 위치를 1로 놓고, 관을 들어올려 물이 공기로 치환되도록 한다.

 

3) 스톱코크를 닫은 후 유출관을 바깥통 바닥에 닿을 때까지 내려 놓는다. 혹은 Stopcork 위치를 2로 하여 닫고, 유출관을 내려놓는다.

 

4) Stopcork 위치를 3으로 하고, 물이 M에서 M'까지 상승하는데 걸리는 시간(유출시간)을 측정한다.

 

5) 기체시료를 가지고도 유출시간을 측정한다.

 

6) 각 기체마다 네 번씩 측정

 

 

 

[물리화학실험]기체유출 - 분자량 및 분자지름 레포트