[일반화학개론]기체의 성질과 행동 3부






Dalton의 부분압력 법칙


지금까지 순수한 기체에 적용되는 기체의 행동과 기체법칙에 대해 살펴보았다. 이러한 행동과 법칙은 공기와 같은 기체 혼합물에도 마찬가지로 적용될 수 있다. 즉, 혼합 기체의 압력, 부피, 온도, 그리고 양은 이상기체와 마찬가지로 이상기체법칙과 관련이 된다. 



기체 혼합물에 대해, 혼합물 전체의 압력은 혼합물 내 각 기체 성분의 압력인 부분압력과 관련된다. 이것은 Dalton의 부분압력 법칙으로 표시되는데, “혼합물 기체의 전체 압력, Ptotalt은 각각의 기체들이 용기 전체에 홀로 존재할 때 나타내는 압력들, P1, P2, P3의 합과 같다”이다.


이것을 수식으로 표현하면,

Ptotalt = P1 + P2 + P3 + …

여기서 각 성분기체가 나타내는 압력인, P1, P2, P3, … 을 부분압력 (혹은 분압)이라고 하며, 각 기체가 용기 속에 단독으로 있을 때 나타내는 압력으로서 이상기체상태 방정식을 이용해 다음과 같이 표시된다.


… 등


이것을 이용해 Dalton의 법칙을 다시 쓰면,



이 식에 의하면, 전체 압력은 각 기체의 화학적 성질에 의해서가 아니라 존재하는 각 기체의 전체 몰수에 의존함을 나타낸다. 혼합 기체에서 각 성분기체의 농도는 각 성분기체의 몰수를 혼합기체의 전체 몰수로 나눈 몰분율 (mole fraction, X)로 나타낼 수 있으므로,



여기서  은 1 기체의 몰분율로서 전체 구성 기체의 몰수에 대한 한 성분 1의 몰수를 나타내는 단위가 없는 양으로서 항상 1 보다 작다. 따라서 성분 1의 부분압력은

P1 = X1Pt


마찬가지로, P2 = X2Pt , P3 = X3Pt , …이 된다.


돌턴의 부분압력 법칙은 물위에 포집된 기체의 부피를 계산하는데 유용하다. 실험실에서 KClO3를 가열하면 쉽게 KCl과 O2를 발생시키므로, 이 방법을 사용하면 편리하게 산소를 얻을 수 있다.


KClO3(s) → 2KCl(s) + 3O2(g)

 

얻어지는 산소기체는 다음 그림처럼 물위에서 포집된다. 이를 수상포집 이라 한다. 우선 유리병을 거꾸로 세워 물로 완전히 채운다. 산소기체가 발생됨에 따라, 산소기체 거품은 물로 채워진 병 안으로 올라가면서 물이 밀려 나오게 된다. 



이와 같은 방식으로 기체를 모으는 수상포집 방법은 기체가 물과 반응하지 않으며, 또한 물에 녹지 않는다는 가정에서 출발한다. 그러므로 암모니아처럼 물에 녹는 기체에는 이 방법을 적용할 수 없다. 이렇게 모아진 산소 기체는 원래 병 안에 있던 수증기 때문에 순수하지 않다. 병 안에 있는 기체는 산소와 수증기로 구성 되므로, 전체 압력은 PT = PO2 + PH2O

다시 한 번 더 강조하면, 수상포집으로 얻는 산소 기체의 생성량을 계산할 때는 수증기에 의해 나타나는 압력을 고려해야 한다.


예제 10 Ne 4.46 ㏖, Ar 0.74 ㏖, Xe 2.15 ㏖의 비활성기체 혼합물의 전체 압력이 2.00 atm 일 때, 각 기체들의 부분압력은 얼마인가?

풀이: 각 기체들의 몰 수로부터 각 기체들의 몰분율을 구할 수 있다.



따라서,

PNe = χNePT = 0.607×2.00atm = 1.21atm

PAr = χArPT = 0.100×2.00atm = 0.20atm

PXe = χXePT = 0.293×2.00atm = 0.586atm


예제 11 온도가 26 ℃이고 압력이 750 torr인 아르곤 기체 0.200 L가 병 속의 물위에 모여 있다면 아르곤의 부분압력은 얼마인가? (25 ℃에서 물의 수증기압은 25.2 torr 이다).

풀이 : PT = PAr + PH2O 이므로, PAr = PT - PH2O = 750 torr - 25.2 torr = 725 torr



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