기체 법칙 총 정리 - 라울, 헨리, 돌턴의 법칙

기체 법칙에 대해 총 정리해보겠습니다. 오늘 소개할 법칙은 라울, 헨리, 돌턴의 법칙입니다.

 

목차

 

1. 라울의 법칙[ Raoult's law ]

비휘발성 물질 용액에서, 용액 속 용매의 증기압은 용매의 몰분율에 비례하며, 또 용매의 증기압 내림률은 용질의 몰분율과 같다는 법칙을 말한다.

 

가정

1) 용매는 휘발성인 반면, 용질은 비휘발성이다. (= 용질의 증기압력은 무시한다.)

2) 용매와 용질 분자간의 상호작용은 무시한다.

3) 용질은 해리하지 않는다.

 

사례

예를 들면, 휘발성인 에탄올을 물에 녹인 용액의 증기압은 물의 증기압보다 높다. 에탄올은 물보다 끓는점이 낮아 쉽게 증발하기 때문에 물이 증발하는 것을 방해하지 않고 그보다 더 빨리 기화하기 때문이다. 그러나 비휘발성인 설탕을 물에 녹인 용액은 설탕 분자가 물이 증발하는 것을 부분적으로 방해하기 때문에 설탕물의 증기압은 물보다 더 낮아진다. 이런 현상을 '라울의 법칙'이라고 한다.

 

전체 농도 범위에 걸쳐 라울의 법칙이 성립하는 용액을 이상용액이라고 한다. 이에 대해 라울의 법칙에서 예상했던 증기압보다 더 작게 또는 더 크게 나타나는 경우를 비이상용액이라고 한다.

 

흡열반응 경우 더 많은 에너지를 흡수하기에 불안정하고 그렇기 때문에 이상용액보다 증기압이 커진다.

발열반응은 에너지를 방출하여 가지고 있는 에너지가 적기에 이상용액보다 증기압이 낮다.

 

2. 헨리의 법칙

헨리의 법칙은 일정 온도, 일정부피의 용매에서 기체의 용해도는 용매와 평형을 이루는 기체의 부분압에 비례한다는 내용입니다.

 

가정

1) 물에 잘 녹지 않는 기체에 대하여 낮은 압력에서만 적용=난용성 기체,

2) 이상기체

3) 잘 적용되는 기체 : 수소·산소·질소·이산화탄소(물에 녹아 무극성)

4) 이 법칙이 잘 적용되지 않는 기체 : 암모니아·염화수소(물에 녹아극성)

 

일반식 : p = k·c

여기서 p는 atm 단위로 나타낸 기체의 압력, c는 mol/L 단위로 나타낸 기체의 용해도이다. 헨리의 상수 k의 단위는 L·atm/mol 이다.

 

사례

압력에 따른 용해도와 관련된 예로는 잠수병을 들 수 있다. 깊은 바다에서 잠수부가 일반적인 공기(질소:산소=4:1)를 흡입하면 높은 압력 때문에 많은 질소가 혈관 속에 녹게 된다.

 

이 상태에서 급격히 수면 위로 나오는 경우 압력의 감소로 질소의 용해도가 감소하여 질소 기포가 생성되고 이로 인하여 호흡계, 림프계, 근골격계 등에 통증이 유발되는 것이 잠수병이다.

 

잠수병을 방지하는 방법

(1) 잠수 호흡용 고압 기체 통에는 질소보다 혈액에 대한 용해도가 매우 작은 헬륨 등을 산소와 혼합하여 사용한다.

(2) 또한 심해에서 급격히 수면위로 올라오지 않고 천천히 평형을 유지하면서 올라와도 잠수병을 예방할 수 있다.

 

3. 돌턴의 부분압력 법칙

돌턴의 분압법칙은 기체들의 혼합물에 의한 전체 압력은 각 성분에 의한 분압의 합과 동일하다는 기체법칙을 말한다.

 

가정

1) 혼합물의 온도가 일정

2) 전체 체적이 채워져 있다고 가정할 때

3)서로 반응하지 않는 기체

4) 이상기체

 

사례

예를 들면, 어떤 온도에서 1atm인 산소 1ℓ와 같은 온도 ·압력인 질소 1ℓ를 혼합하여 2ℓ로 만들면 산소의 부분압력은 0.5atm, 질소의 부분압력도 0.5atm이므로, 혼합기체의 전체압력은 1atm이다. 또, 이 법칙을 부피의 측면에서 보면, 혼합기체의 부피는 각 성분기체가 그것과 같은 온도 ·압력 하에서 차지하는 부피의 합이 된다.

 

위의 예에서 살펴보면, 그 온도에서 양쪽 다 1atm이므로 1atm으로 했을 때 혼합기체의 부피는 2ℓ이다. 그러나 이 법칙은 이상기체일 경우에만 성립하며, 실제기체의 경우에는 약간의 차이가 난다.(부피의 변화, 입자크기에 따른)