Ch4 기체의 성질 Lesson 1 입자의 운동

Ch4. 기체의 성질

 

이 부분은 화학의 기초부분이라고 할 수 있습니다. 나중에서도 많이 배우게 되는 기체상태일때의 여러 현상에 대한 용어를 공부하고 기체의 기본적인 성질에 대해 공부해 보는 단원입니다. 여기서는 용어 공부를 확실하게 해 두시고 기체의 성질에 관한 기본 성질을 잘 익히셔야 합니다.

 

Lesson 1 입자의 운동

A. 입자의 운동

1) 물질을 이루는 입자

a) 물질을 이루는 입자

- 우리 주변의 물질은 매우 작은 입자로 구성되어져 있습니다. 그 작은 입자는 2학년때 올라가면 돌턴의 원자설을 배우면서 원자와 분자라는 작은 입자를 배웁니다.

 

b) 입자모형

입자는 크기가 매우 작아서 눈에 보이지 않습니다. 그래서 입자를 표현하기 위해 간단한 시각적인 모형을 이용하기 마련인데 이것을 입자 모형이라고 합니다.

아래 그림과 같이 실제 주사기 속의 기체입자 압축실험에서 기체 입자는 눈에 보이지 않습니다. 하지만 공부하는 우리의 이해를 높이기 위해 빨간색의 기체입자를 그려넣은 것입니다.

 

2) 입자의 운동

a) 입자의 운동

물질을 이루는 입자는 스스로 끊임없이 운동하게 됩니다. 이러한 입자의 운동은 증발과 확산 현상으로 확인할 수 있습니다.

b) 입자의 운동에 영향을 미치는 요인

입자의 운동에 영향을 미치는 요인으로는 온도와 물질의 상태, 입자의 질량등이 있습니다.

ㄱ) 온도

당연한 얘기겠지만 온도가 높으면 운동이 활발해 지죠 즉 온도가 높으면 입자의 운동이 활발해 집니다.

ㄴ) 물질의 상태

고체<액체<기체 의 순으로 입자의 운동이 활발해 집니다. 천천히 생각해 봅시다. 고체는 모든 입자들이 다 붙어 있으므로 입자들이 운동하기가 어렵습니다. 기체는 입자들이 자유롭게 움직일 수 있는 상태이므로 고체나 액체보다는 입자의 운동이 활발해 질 수 있게 됩니다.

 

ㄷ) 입자의 질량

다른 상태가 모두 같다고 할 때 입자의 질량이 작을수록 입자의 운동이 빠릅니다. 쉽게 얘기하면 덩치가 큰 녀석이 있으면 운동이 굼뜨고 덩치가 작으면 운동이 활발하다는 이미지는 상상하시면 쉽게 이해가실 겁니다.

 

<추가내용>

2학년때 배우는 입자 중에서 물질의 성질을 가지는 가장 작은 입자를 분자라고 합니다. 이러한 분자는 스스로 끈임없이 운동하게 되는데 이러한 현상을 분자 운동이라고 합니다. 이러한 분자 운동의 증거로써 여기서 배우는 증발과 확산 그리고 브라운 운동등이 있습니다. 브라운 운동은 영국의 식물학자 브라운이 물위의 떠있는 꽃가루를 관찰하던중에 꽃가루가 불규칙적으로 계속 움직이는 것을 발견했습니다. 나중에 이 브라운 운동의 원인을 밝혀 내긴했지만 물분자와 꽃가루의 끊임없는 충돌이 그 원인임을 알아내었습니다. 즉 액체나 기체에 떠서 움직이는 작은 입자의 불규칙한 운동을 브라운 운동이라고 하며 분자 운동의 증거입니다.

 

 

B. 증발과 확산

1) 증발

액체를 이루는 입자가 스스로 운동하여 액체 표면에서 기체로 변하는 현상을 증발이라고 합니다. 이러한 증발의 용어의 정의를 보면 입자가 스스로 운동하고 있음을 알게 됩니다.

 

a) 아세톤의 증발

거름종이에 떨어뜨린 아세톤이 점점 사라져서 보이지 않게 됩니다. 아세톤 입자가 스스로 운동하여 증발해 버리기 때문입니다.

 

b) 생활족의 증발 현상

ㄱ) 곶감 말리기

ㄴ) 젖은 빨래를 널어서 빨래를 말리기

ㄷ) 염전에서 바닷물을 증발시켜 소금의 생산

 

c) 증발이 잘 일어나는 조건

액체의 증발에 영향을 미치는 요인으로는 온도, 습도, 바람, 표면적 등이 있습니다.

 

ㄱ) 온도 – 온도가 높을수록 입자의 운동이 활발해 지므로 증발이 잘 일어 납니다.

Ex) 햇빛이 비치는 양달에서 햇빛이 없는 응달보다 증발이 활발합니다.

 

ㄴ) 습도 – 습도가 낮을수록 공기 중 수증기의 양이 적으므로 증발이 잘 일어납니다.

Ex) 습한 날 보다 건조한 날에 젖은 빨래가 잘 마릅니다.

 

ㄷ) 바람 – 바람이 강할수록 액체 표면의 입자가 공기 중으로 날아가기는 쉬우므로 증발이 잘 일어납니다.

Ex) 바람에 강하게 부는날에 젖은 빨래가 잘 마릅니다.

 

ㄹ) 표면적 – 액체 표면에서 증발이 일어나므로 표면적이 넓을수록 증발이 잘 일어 납니다.

Ex) 젖은 빨래를 뭉쳐 놓을 때보다 펼쳐 놓을 때 빨래가 잘 마릅니다.

 

<관련실험> 

에탄올의 증발

 

실험과정

1) 전자저울 위에 거름종이가 놓인 페트리 접시를 올려놓고 염점을 맞춘다.

2) 거름종이에 에탄올을 10방울 정도 떨어뜨린 후 에탄올의 변화와 질량의 변화를 관찰한다. 이때 거름 종이 위에서 냄새를 맡아본다.

 

실험결과해석 및 정리

1) 시간이 지나면서 거름 종이에 묻은 에탈올의 흔적이 점점 사라지고, 거름종이에 묻은 에탄올의 질량이 점점 감소한다. -> 이는 에탄올 입자들이 스스로 운동하여 증발하기 때문입니다.

 

2) 거름종이 주위에서 에탄올 냄새를 맡을 수 있다. -> 에탄올 입자들이 스스로 운동하여 공기중으로 확산하기 때문입니다.

 

3) 에탄올 입자는 스스로 운동하여 증발하고, 공기중으로 확산하여 퍼져 나간다.

 

 

2) 확산

물질을 이루는 입자가 스스로 운동하여 모든 방향으로 퍼져 나가는 현상을 확산이라고 합니다. 앞의 증발과 마찬가지로 외부의 자극이 아니라 입자가 스스로 운동하기 때문에 나타나는 현상입니다.

 

a) 생활 속의 확산 현상 – 기체에서의 확산

- 꽃향기를 먼 곳에서도 맡을 수 있는 것은 꽃향기를 가진 입자가 스스로 운동하여 퍼져나갔기 때문입니다.

- 부엌이나 급실실 근처에서 음식 냄새를 맡을 수 있는 것은 음식냄새를 가진 입자가 스스로 운동하여 공기 중으로 퍼져나갔기 때문입니다.

- 마약탐지견은 마약냄새가 확산된 냄새를 맡고 마약을 탐지해 낼 수 있습니다.

- 새집증후군 물질은 확산되어 공기중으로 퍼져나가 여러 건강상의 문제를 일으킵니다.

- 식물에서 얻은 향기 나는 물질을 이용하여 제품을 만듭니다

 

b) 생활 속의 확산현상 – 액체에서의 확산

- 차 티백을 물에 넣고 흔들지 않아도 차는 우러납니다.

- 설탕덩어리를 물에 넣고 저어주지 않아도 물 전체에서 단맛이 나게 됩니다. 이는 설탕덩어리가 물에 녹으면서 설탕 입자와 물입자가 고르게 섞이기 때문입니다.

- 물에 잉크를 떨어뜨리고 저어주지 않아도 물 전체가 잉크색으로 바뀝니다. 이것은 잉크 입자와 물 입자가 스스로 운동하면서 고르게 섞이기 때문입니다.

 

c) 확산이 잘 일어나는 조건

확산의 빠르기에 영향을 미치는 요인으로는 온도, 물질의 상태, 입자의 질량, 매질의 종류 등이 있습니다.

ㄱ) 온도 – 온도가 높을수록 입자의 운동이 활발해지므로 확산이 빠르게 일어난다.

Ex) 여름철에 화장실 냄새가 더 심하게 납니다.

 

ㄴ) 물질의 상태 – 고체 < 액체 입자 < 기체 입자의 순으로 확산이 빠르게 일어납니다.

Ex) 물보다 수증기가 더 빠르게 확산된다.

 

ㄷ) 입자의 질량 – 온도와 물질의 상태가 같을 때 물질을 이루는 입자의 질량이 작을수록 확산이 빠르게 일어납니다.

Ex) 유리관의 양쪽 끝에 각각 진한 암모니아수와 진한 염산을 묻힌 솜을 동시에 넣고 고무마개로 막고 확산을 시키면 잠시후 유리관 안에서 염화 암모늄의 흰연기가 생기게 됩니다. 이 때 흰 연기는 진한 염산쪽에 가까이 생기게 됩니다. 왜냐하면 암모니아 기체가 염산기체보다 더 가볍기 때문에 확산속도가 더 빠르기 때문입니다.

 

Ex) 향수 냄새는 공기 속에서보다 진공 속에서 더 빠르게 확산됩니다.

 

<추가내용>

확산과 비슷한 현상으로 분출이 있습니다. 하지만 물질이 스스로 운동해서 공기중이나 액체속에서 퍼져나가는 확산과는 달리 분출은 기체 입자가 작은 구멍을 통해 빠져나가는 현상을 말합니다. 정확하게 구분하기로 합시다.

 

<관련 실험> 

암모니아 기체의 확산

 

실험 과정

1) 작게 뭉친 솜을 여러 개 만들어 페트리 접시 위에 일정한 간격으로 올려놓는다.

2) 각각의 솜이 충분히 젖도록 페놀프탈레인 용액을 떨어뜨린다.

3) 페트리 접시 가운데에 묽은 암모니아수 1~2 방울을 떨어뜨린다.

4) 페트리 접시의 뚜껑을 덮고 솜의 색 변화를 관찰한다.

 

실험 결과 및 정리

1) 묽은 암모니아수에서 가까운 쪽에 있는 솜부터 먼쪽으로 차례대로 붉은색으로 변하며, 모든 방향으로 고르게 붉은색으로 변하게 됩니다. -> 페놀프탈레인 용액이 염기성인 암모니아 기체와 만나면 붉은색으로 변하기 때문입니다.

 

2) 암모니아 기체 입자는 스스로 운동하여 모든 방향으로 퍼져 나갑니다.