일반화학실험 - 기체 분자의 확산

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본문내용: 1. Abstract

확산이란 분자들이 밀도 차나 농도 차에 의해 스스로 운동하여 이동하는 현상으로 이는 분자들이 정지해 있지 않고 움직이고 있기 때문에 나타나는 현상이다.① 여기저기서 진달래며, 라일락 같은 꽃들이 피어나고 있는 요즘 향긋한 꽃향기를 맡을 수 있는 것도 바로 확산 현상 때문이다. 확산 현상은 우리 주변에서 아주 쉽게 찾아 볼 수 있는데 식당의 음식 냄새가 바깥에서도 난다던지, 물이 떨어뜨린 잉크가 물 속으로 퍼져가는 현상, 농도 차이로 인해 물이 이동하는 삼투 현상도 확산의 예에 해당한다.
우리가 다룰 것은 기체분자의 확산이다. 대기압에서 전형적인 기체 분자는 초당 1010 번 정도의 충돌을 한다. 다시 말해서 충돌 사이에 10-10 초 동안만 운동한다는 것이다. 평균자유행로는 충돌과 충돌사이에 이동한 평균 거리로 정의하며, 이것은 평균 속도에 충돌사이의 평균 시간을 곱한 것으로 10-7m(10-5m)의 단위를 갖는다. 이 값은 분자의 크기에 비해서는 큰 거리지만 용기의 크기에 비해서는 작은 값이다. 분자는 잦은 충돌에 의해 계속해서 방향이 바뀌므로 지그재그로 움직이며 충돌이 없으면 훨씬 먼 거리를 움직일 수 있게 된다. 이러한 불규칙한 형태의 운동을 확산이라고 한다.
1846년 그레이엄(Thomas Graham)은 실험을 통해서 기체의 확산 속도는 그 기체밀도의 제곱근에 반비례한다는 사실을 발견하였다. 그레이엄은 서로 다른 종류의 기체를 한쪽 끝이 뚫려 있는 튜브가 연결된 원통형의 용기에 각각 담고 튜브 끝을 기체의 밀도가 공기보다 무거우냐, 가벼우냐에 따라 위로 혹은 아래로 향하게 한 채로 몇 시간 동안 방치해두었다. 몇 시간 동안 확산이 일어나게 한 후, 실린더를 기체 수집기에 넣고 얼마만큼의 물이 들어가는지를 측정함으로써 주어진 시간동안 확산되어 없어진 기체의 양을 확인할 수 있었다. 기체 A,B에 대하여 다음과 같이 나타낼 수 있다.

참고문헌: 4. Reference

①② http://147.46.41.146/~chemlab/exp/exp6-3.htm 참조

Chemistry Science of Change [Oxtoby Freeman Block]( 청문각 )
Principles of Modern Chemistry Fifth edition (Oxtoby Gillis Nachtrieb)

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