일반화학실험 | 보일의 법칙과 그레이엄의 법칙

 

 

 

TIP

 

 

압력 센서를 사용해서 보일의 법칙을 확인한다. 또한 염화수소와 암모니아를 사용해서 확산속도의 차이를 관찰한다.

 

 

 

우리는 우리 주변을 둘러싸고 있는 기체에 대해 얼마나 잘 알고 있을까? 기체는 여러 가지 독특한 성질들을 가지고 있다. 그중 대표적인 성질은 압력과 부피의 곱이 항상 일정하다는 보일의 법칙과, 냄새 하면 떠오르는 확산현상을 들 수 있다. 이번실험에서는 기압계와 주사기를 이용해 기체의 압력과 부피사이에는 어떤 관계가 있는지를 알아보고, 또, 암모니아와 염화수소의 유리관내 반응을 통해서 기체의 분자량과 확산속도사이에 어떠한 상관관계가 있는지 알아본다.

 

 

지구상의 대기는 대부분이 질소(～78%)와 산소(～21%)로 이루어져 있으며, 나머지는 이산화탄소, 메탄, 그리고 비활성기체 등이 미량 포함되어 있다. 대기가 압력을 미치고 있다는 것은 오래 전부터 알려져 왔으나 대기의 압력을 정확히 측정한 것은 토리첼리가 처음이다. 1643년에 토리첼리는 비중이 13.6인 수은을 사용하여 대기의 압력은 약 760 ㎜의 수은 기둥이 미치는 압력과 같은 것을 보여주었다. 요즘 압력계(壓力計, barometer)는 토리첼리가 사용한 장치와 유사하다. 0℃에서 1기압(氣壓, atm)은 수은 기둥 760㎜에 해당한다.

 

100℃, 1 기압의 질소 기체에서 질소 분자 사이의 평균 거리는 대략 37 옹스트롬으로 분자 크기의 약 20배에 해당한다. 상온에서 이 비율은 크게 다르지 않고 따라서 우리가 호흡하는 공기에서 공기의 주성분인 질소와 산소 분자들은 평균적으로 약 40 옹스트롬 거리를 유지하면서 초속 500 미터 정도의 속력으로 운동하고 있을 것이다. 두 주먹을 쥐고 양손을 펼치면 주먹 간의 거리가 주먹 만한 기체 분자 사이의 거리에 해당한다.

 

기체에서 분자들은 이처럼 자신의 크기에 비해 상당히 멀리 떨어져 있기 때문에 독립적으로 운동한다고 볼 수 있다. 그래서 기체가 분자의 개별적인 특성을 조사하는데 가장 적합하고, 분자론이 발전하는데 기체의 연구가 핵심적인 역할을 했다.

 

1662년에 보일은 일정한 온도에서 압력을 변화시켰을 때의 기체의 부피를 측정하였다. 보일의 법칙(Boyle's law)에 따르면 일정한 온도에서 기체의 부피는 가해주는 압력에 반비례한다. 보일의 법칙은 PV = 상수 라는 식으로 표현할 수 있다. 0℃에서 1몰의 기체는 22.414 L․atm의 상수값을 갖는다.

 

보일의 법칙은 샤를의 법칙, 아보가드로의 원리와 합쳐져서 이상기체방정식으로 발전한다. 뿐만 아니라 부피와 압력의 반비례 관계는 기체가 연속적인 유체가 아니라 원자들로 이루어졌다는 중요한 단서를 제공하여 근대적 원자론의 기반을 제공했다.

 

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실험 방법

실험 1. 보일의 법칙

1) 압력 센서 사용법을 익힌다.

 

2) 압력 센서 장치에 주사기를 연결하고, 파라필름으로 잘 감아서 공기가 새어나가지 않게 한다.

 

3) 인터페이스의 재생버튼을 누르고 범위 버튼을 눌러 0으로 맞춘다.

 

4) 주사기의 피스톤을 밀어 압력을 증가시키면서 부피 변화를 측정한다.

 

 

실험 2. 그레이엄의 법칙

1) pH paper를 유리관 길이만큼 자른 후 유리관 안쪽에 테이프로 고정한다.

 

2) 클램프를 사용하여 유리관을 수평이 되게 스탠드에 고정한다.

 

3) 두 개의 코르크 마개 안쪽에 면봉을 반씩 잘라서 끼운 후 각각을 염산과 암모니아 용액에 담근다.

 

4) 코르크 마개를 재빨리 유리관 양쪽 끝에 끼우고 관찰을 시작한다.

 

5) 몇 분 후 하얀색 링이 유리관 내부에 생기면 양쪽 면봉으로부터 링까지의 거리를 측정한다.

 

6) 이 과정을 2～3 차례 반복하고 재현성을 테스트한다.

 

 

 

 

[일반화학실험]보일의 법칙과 그레이엄의 법칙 레포트