[일반 화학] Chapter 5 - (1)

5.1 Substances That Exist as Gases

: 기체로 존재하는 물질

[1] 원소 기체

• 원소 기체 : 25'C, 1 기압(atmoshpere)에서 기체로 존재하는 원소

[2] 일반적인 기체

• HCN의 끓는점은 26'C이지만, 일반 대기 조건 (ordinary atmospheric conditions)에서는 기체로 분류할 수 있을 만큼 가깝다.

[3] 기체의 물리적 특성

1. 기체는 용기의 부피(Volumne)과 모양(shapre)을 가정한다.
2. 기체는 물질 중 가장 압축하기 쉬운 상태(the most compressible state)이다.
3. 기체는 같은 용기에 담겨 있을 때 균일하고 완전히 혼합된다.
4. 기체는 액체나 고체보다 밀도(densities)가 훨씬 낮다.

5.2 기체의 압력 (Pressure)

[1] 기체 압력 공식

• 압력 (Pressure)은 힘 (Force)을 면적 (Area)으로 나눈 값이다.
• 단위 변환은 다음과 같다:
  • 1 pascal (Pa) = $\frac{1N}{m^2}$이다.
  • 1 atm = 760 mmHg = 760 torr이다.
  • 1 atm = 101,325 Pa이다.

mmHg와 torr는 수은 기둥의 높이를 기준으로 한 압력 단위이다.

• mmHg는 "밀리미터 수은 기둥"으로, 1 mmHg는 수은 기둥이 1 mm 높이에서 발생하는 압력을 의미한다.
• torr는 1 torr가 1 mmHg와 같으며, 과학자 토리첼리의 이름에서 유래되었다.

5.3 기체의 법칙

[1] 보일의 법칙 (Boyle's Law)

1) 공식

• $P \propto \frac{1}{V}$, 즉 압력(P)은 부피(V)에 반비례한다.
  • 이를 식으로 나타내면, $P \times V = \text{constant}$이다.
• 두 상태 간의 관계를 나타내면 $P_1 \times V_1 = P_2 \times V_2$가 된다.
  • 여기서 1은 초기 상태를, 2는 변한 후의 상태를 의미한다.

2) 고려하는 점 / 고려하지 않는 점

• 보일의 법칙에서는 압력(P)과 부피(V)가 중요한 변수이며, 온도(T)와 기체의 양(n)은 고려하지 않는다.
• P(X), V(O), n(X), T(O)

[2] 일정한 압력에서의 온도에 따른 기체 부피의 변화 (샤를의 법칙, Charles's Law)

1) 공식

• $V \propto T$, 즉 온도(T)가 증가하면 부피(V)도 비례하여 증가한다.
  • 식으로 나타내면 $\frac{V}{T} = \text{constant}$이다.
• 두 상태 간의 관계를 나타내면 $\frac{V_1}{T_1} = \frac{V_2}{T_2}$가 된다.
  • 여기서 1은 초기 상태를, 2는 변한 후의 상태를 의미한다.
• 이때, 온도는 켈빈(Kelvin) 단위이어야 한다.
  • 켈빈 온도는 $T(K) = t(^\circ C) + 273.15$로 변환한다.

2) 고려하는 점 / 고려하지 않는 점

• 샤를의 법칙에서는 부피(V)와 온도(T)가 중요한 변수이며, 압력(P)과 기체의 양(n)은 고려하지 않는다.
• P(O), V(O), n(X), T(x)

[3] 아보가드로의 법칙 (Avogadro's Law)

1) 공식

• $V \propto n$, 즉 기체의 양(n)이 증가하면 부피(V)도 비례하여 증가한다.
  • 이를 식으로 나타내면 $V = \text{constant} \times n$이다.
• 두 상태 간의 관계를 나타내면 $\frac{V_1}{n_1} = \frac{V_2}{n_2}$가 된다.

2) 고려하는 점 / 고려하지 않는 점

• 아보가드로의 법칙에서는 부피(V)와 기체의 양(n)이 중요한 변수이며, 압력(P)과 온도(T)는 고려하지 않는다.
• P(X), V(O), n(O), T(X)

5.4 The Ideal Gas Equation

: 이상적인 기체 방정식

[1] 공식 유도

1) 보일, 샤를, 아보가드로의 법칙

2) 만들어진 공식

• 압력 (P) : Pa (Pascal) 또는 atm (atmosphere)
• 부피 (V) : L (리터) 또는 m³ (입방미터)
• 물질의 양 (n) : mol (몰)
• 기체 상수 (R) : J/(mol·K) 또는 L·atm/(mol·K)
• 온도 (T) : K (켈빈)

[2] 표준 온도 및 압력 (STP)

• 표준 온도 및 압력 (Standard Temperature and Pressure, STP)란 0°C (섭씨)와 1 atm의 조건을 의미한다.
• 실험에 따르면, STP 조건에서 이상 기체 1 mol의 부피는 22.414 L이다.
  • $R = 0.08205 L * atm / (mol * K)$

[3] 밀도(Density)와 몰 질량 (Molar Mass)

1) 밀도 계산

2) 기체 물질의 몰 질량