기체 반응의 법칙

3. 분자설의 등장과 기체 반응 법칙의 설명

1811년 아보가드로가 분자설을 주장함으로써 기체 반응의 법칙이 성립하게 되었다. 조제프 루이 게이뤼삭은 2부피의 수소가 1부피의 산소와 반응하여 2부피의 수증기를 생성한다는 것을 발견했다. 구체적으로 100mL의 수소가 50mL의 산소와 결합하여 100mL의 수증기를 생성한다.

아메데오 아보가드로는 같은 온도와 압력에서 같은 부피의 기체는 (어떤 종류의 기체이든) 같은 수의 분자를 포함한다고 가정했다(아보가드로의 법칙). 그는 이 가정이 사실이라면,

:2부피의 수소 + 1부피의 산소 = 2부피의 수증기

는 다음과 같이 표현될 수 있다고 지적했다.

:수소 분자 2개 + 산소 분자 1개 = 물 분자 2개

분자 모형으로 설명하면 수소와 산소가 반응하여 수증기가 되는 반응에서 정수비는 2 : 1 : 2가 된다. 즉 반응식은 2H₂ + O₂ → 2(H₂O)로 표현 가능하다.

기체 반응 법칙은 1808년 조제프 루이 게이뤼삭에 의해 발표되었지만^[13][14], 아보가드로의 가설은 스탄니슬라오 까니차로가 1860년 제1회 국제 화학자 회의에서 주장할 때까지 화학자들에게 받아들여지지 않았다.^[15]

3. 1. 여러 가지 기체 반응의 예

• 염화수소의 반응 : Cl₂ + H₂ → 2HCl
• 수증기의 반응 : 2H₂ + O₂ → 2H₂O
• 암모니아의 반응 : 3H₂ + N₂ → 2NH₃

4. 기체 반응 법칙의 확장

기욤 아몽통은 17세기에 일정한 부피에서 기체의 압력과 온도 사이의 규칙적인 관계를 발견했다. 조제프 루이 게이뤼삭은 1802년에 부피와 온도 사이의 관계를 발표했지만, 그의 연구는 압력과 온도 사이의 비교도 포함했다.^[9] 아몽통은 공기만 사용했지만, 게이뤼삭은 산소, 질소, 수소와 같은 여러 종류의 기체를 가지고 실험했다.^[10]

게이뤼삭은 자크 샤를의 미발표 자료를 많이 사용했기 때문에 자신의 연구 결과를 샤를에게 돌렸고, 이 법칙은 샤를의 법칙 또는 샤를-게이뤼삭 법칙으로 알려지게 되었다.^[11] 아몽통의 법칙, 샤를의 법칙, 보일의 법칙은 보일-샤를의 법칙을 형성하며, 이 세 가지 기체 법칙은 아보가드로의 법칙과 결합하여 이상기체 상태방정식으로 일반화될 수 있다.

4. 1. 압력-온도 법칙 (아몽통의 법칙)

일정한 질량과 일정한 부피의 기체의 압력은 기체의 절대온도에 비례한다.

4. 2. 부피-온도 법칙 (샤를의 법칙)

4. 3. 결합 기체 법칙과 이상 기체 법칙

5. 역사적 의의와 현대적 의의

아몽통이 이 법칙을 먼저 발견했기 때문에, 게이뤼삭의 이름은 현재는 앞 절에서 언급한 제1법칙에 사용되지만, 일부 물리학 입문서에서는 아직도 앞서 언급한 제2법칙을 "게이뤼삭의 법칙"이라고 부르는 것도 있다.^[19][20]

게이뤼삭이 최초로 기체의 부피와 온도의 관계에 대해 연구하고 발표한 것은 1802년이었지만,^[21] 아몽통이 기체로 공기만을 사용한 연구를 했던 것에 비해, 게이뤼삭은 산소, 질소, 수소 등 여러 기체를 사용하여 실험을 했다.^[22]

게이뤼삭은 자크 샤를이 1787년부터 수집했던 많은 미공표 데이터를 사용했기 때문에, 그의 발견을 샤를의 공으로 돌리고, 그 때문에 이 법칙은 샤를의 법칙으로 알려지게 되었다. 하지만 최근에는 이 용어도 거의 사용되지 않는다.^[23]

게이뤼삭의 법칙, 샤를의 법칙, 보일의 법칙은 보일-샤를의 법칙으로 정리된다. 기체에 관한 이 세 가지 법칙은, 더 나아가 아보가드로의 법칙과 함께 이상기체 상태방정식으로 일반화된다.

참조

_[1] 간행물 Sur la combinaison des substances gazeuses, les unes avec les autres 1809
_[2] 간행물 Sur la dilatation des gaz 1802
_[3] 웹사이트 Mémoire sur la combinaison des substances gazeuses, les unes avec les autres https://books.google[...]
_[4] 웹사이트 Joseph-Louis Gay-Lussac http://www.chemistry[...]
_[5] 논문 Stanislao Cannizzaro, F.R.S. (1826–1910) and the First International Chemical Conference at Karlsruhe 1966
_[6] 서적 Physics, 7th ed. McGraw-Hill 2007
_[7] 뉴스 Gay-Lussac's Law http://www.brighthub[...] Bright Hub Engineering 2010-02-11
_[8] 서적 Cengage Physical Chemistry Part 1 https://www.cengage.[...]
_[9] 서적 Gay-Lussac: Scientist and Bourgeois Cambridge University Press 2004
_[10] 서적 Understanding Physics – Motion, Sound, and Heat Walker and Co. 1966
_[11] 웹사이트 Recherches sur la dilatation des gaz et des vapeurs https://books.google[...]
_[12] 논문 Recherches sur la dilatation des gaz et des vapeurs https://books.google[...] 1802
_[13] 웹사이트 Mémoire sur la combinaison des substances gazeuses, les unes avec les autres https://books.google[...]
_[14] 웹사이트 http://www.chemistry[...]
_[15] 논문 Stanislao Cannizzaro, F.R.S. (1826 - 1910) and the First International Chemical Conference at Karlsruhe 1966
_[16] 논문 A brief history of thermometry http://pubs.acs.org/[...] 1941-08
_[17] 웹사이트 http://web.fccj.org/[...]
_[18] 간행물 Moyens de substituer commodement l'action du feu a la force des hommes et des chevaux pour mouvoir les machines 1732
_[19] 서적 Physics, 7th ed. McGraw-Hill 2007
_[20] 뉴스 Gay-Lussac's Law http://www.brighthub[...] Bright Hub Engineering 2010-02-11
_[21] 서적 Gay-Lussac: Scientist and Bourgeois Cambridge University Press 2004
_[22] 서적 Understanding Physics - Motion, Sound, and Heat Walker and Co. 1966
_[23] 웹사이트 Recherches sur la dilatation des gaz et des vapeurs https://books.google[...] 1802