[과학] 기체 발견의 역사, 공기의 구성 성분, 기체와 관련된 법칙, 보일의 법칙, 샤를의 법칙

공기를 구성하는 기체 중 가장 많은 양을 차지하는 것은 질소(N2)이며 전체 부피의 78.03 %에 해당하고, 산소(O2)는 20.95 %, 아르곤(Ar) 0.94 %, 이산화 탄소(CO2) 0.03%가 있다. 그 외의 나머지 약 0.005 % 를 차지하는 기체에는 네온(Ne), 헬륨(He), 메테인(CH4), 크립 톤(Kr), 수소(H2), 일산화 질소(NO), 제논(Xe) 등이 있다.

 

1. 기체 발견의 역사

본격적으로 기체에 관한 연구가 이루어지기 이전의 과학자들은 기체를 미지의 물질로 여겼으며 만물의 근원 중 하나인 공기로 생각하였다. 기체 연구는 벨기에의 과학자 헬몬트(J. B. Helmont, 1579~1644)에 의해 처음 시작되었다. 그는 공기가 물질 변화에 관여하며 공기와 성질이 다른 기체가 있다는 것을 확인하였고, 이 기체를 가스(gas)라고 칭했다. 헬몬트의 가스는 훗날 이산화 탄소로 확인되었다.

 

영국의 과학자인 보일(R. Boyle, 1627~1691)도 기체에 관한 연구를 수행했는데, 보일은 아리스토텔레스의 4원소설을 부정하면서 공기가 하나의 물질이 아니라 혼합물임을 주장하였다. 이후 영국의 과학자 블랙(J. Black, 1728~1799)은 탄산 마그네슘의 화학 반응을 관찰하다가 이산화 탄소가 발생하는 것을 발견했다. 블랙은 이 기체가 헬몬트가 발견한 기체와 동일하며 연소 반응에 부정적 영향을 미치는 기체라고 생각하였고, 이를 고정된 공기 (fixed air)로 명명했다. 연소를 규명하려는 화학자들의 연구가 계속되었는데 과학자들은 플로지스톤이라는 가상 개념을 이용하여 연소 현상을 설명하였다.

 

영국 과학자 프리스틀리(J. Priestley, 1733~ 1804)는 산화 수은을 가열할 때 발생하는 기체가 호흡과 관련되어 있다는 것을 알아냈지만 플로지스톤 설을 바탕으로 이를 설명하면서 이 기체를 ‘탈플로지스톤화 공기’로 칭했다. 이후 프랑스 과학자 라부아지에(A. Lavoisier, 1743~1794)는 이 기체를 산소로 명명했다. 라부아지에가 연소시 가연성 물질 과 산소가 결합한다는 것을 확인하면서 플로지스톤 설이 폐기되 었고, 연소론이 확립되면서 근대 화학의 기반이 마련되었다.

 

2. 기체의 법칙

보일의 법칙

기체 입자들은 불규칙한 직선 운동을 하는데 용기 안의 기체 입자들은 끊임없이 움직이면서 용기 벽면에 충돌하여 바깥쪽으로 밀어내는 힘을 가하게 되는데, 기체 입자가 충돌하면서 단위 면적당 가하는 힘을 기체의 압력이라고 한다. 온도가 일정할 때 외부에서 압력을 가하면 용기안 기체의 부피는 작아 지고 공기의 밀도가 증가하여 충돌 횟수가 증가하므로 기체의 압력은 증가한다. 즉, 일정한 온도에서 주어진 양의 기체 부피 (V)는 압력(P)에 반비례한다.

보일의 법칙

보일의 법칙 일상생활 현상 예

• 높은 곳에 올라가면 귀가 먹먹해진다. 높은 곳에 올라가면 기압이 낮아져 고막 안쪽 공기의 부피가 증가하여 고막을 누르기 때문
• 높은 산에 올라가면 과자봉지가 부풀어 오른다. 높은 산에 올라가면 기압이 낮아져 과자봉지 속 기체의 부피 (N2)가 증가하여 과자봉지가 부풀어 오르기 때문
• 고무풍선이 하늘 높이 올라갈수록 점점 커지다가 결국 터진다. 하늘 높이 올라갈수록 기압이 낮아져 풍선 속 기체의 부피가 증가하여 풍선이 부풀어 오르기 때문
• 물속에서 잠수부가 내뿜은 공기 방울은 수면에 가까워질수록 크기가 점점 커진다. 수면에 가까워질수록 수압(물이 누르는 힘)이 작아져 공기의 부피가 증가하기 때문
• 밑창에 공기 주머니가 들어 있는 운동화를 신고 뛰면 공기 주머니의 부피가 줄어들면서 충격을 흡수한다. 착지할 때 생기는 압력에 의해 공기 주머니의 부피가 줄어들면서 충격을 흡수하기 때문

 

샤를의 법칙

샤를 법칙 압력이 일정할 때, 기체의 운동 에너지는 온도에 비례하는데 온도가 높아지면 기체 입자들의 운동이 활발해지면서 용기 벽면에 충돌하는 횟수가 증가하여 기체의 부피가 증가한다. 온도가 1도 오를 때마다 기체의 부피는 0도 일 때 부피의 1/273 씩 증가한다. 이론적으로 기체의 부피가 0이 될 때의 온 도가 -273도인데, 이 온도를 0으로 하여 절대 온도 단위(K, 켈빈)를 만들어 사용한다. 일정한 압력에서 일정한 양의 기체 의 부피는 절대 온도에 비례한다.

샤를

온도에 따른 부피변화 그래프

 

샤를의 법칙 일상생활 현상 예

• 찌그러진 탁구공을 뜨거운 물에 넣으면 탁구공이 다시 펴진다. 탁구공 속 공기의 부피가 증가하기 때문 ​
• 피펫의 위쪽 입구를 엄지손가락으로 막고 중간을 다른 손으로 감싸면 끝에 남은 용액이 빠져나온다. 체온에 의해 온도가 높아져 피펫 속 공기의 부피가 증가한다. 피펫 속 공기가 체온에 의해 온도가 높아져서 공기의 부피가 증가하여 남아 있던 용액이 밀려 나오기 때문
• 찻물의 온도를 맞추는 인형(오줌싸개 인형)의 머리에 뜨거운 찻물을 부으면 인형에서 물이 나온다.
• 열기구 속의 공기를 가열하면 열기구가 떠오른다. 공기를 가열하면 부피가 증가하면서 주위 공기보다 상대적으로 가벼워지기 때문
• 물이 조금 들어 있는 페트병의 마개를 막아 냉장고 속에 넣어두면 페트병이 찌그러진다. 페트병 속 공기가 냉각되어 부피가 감소하기 때문
• 두 개의 컵이 포개져서 잘 빠지지 않을 때 아래쪽 컵의 밑부분을 따뜻한 물에 넣어두면 쉽게 빠진다. 컵 사이에 있는 공기의 부피가 증가하여 컵을 밀어내기 때문
• 여름에는 겨울보다 자동차 타이어에 공기를 적게 넣는다. 여름에는 타이어 속 공기의 부피가 증가하여 타이어가 터질 위험이 있기 때문

 

오줌싸개 인형의 원리

오줌싸개 인형(출처 비상교육)

① 뜨거운 물에 담겨 있던 인형을 찬물에 담그면 인형 속으로 물이 들어간다. 인형 속 공기의 부피가 감소하기 때문
② 찬물에서 꺼낸 인형에 뜨거운 물을 부으면 인형에서 물이 나온다. 인형 속 공기의 부피가 증가하여 물이 밀려 나오기 때문