물리/화학 세특 주제 : 이상기체와 실제 기체의 차이

1. 이상기체란?

  이상기체가 무엇인지 일단 간단히 정리해 보고 넘어가겠습니다. 이상기체는 기체의 연구를 단순화하기 위해 사용되는 개념입니다. 첫째로 기체 분자 사이에 분자 간 힘이 없고, 다음으로는 기체 분자 자체가 부피를 차지하지 않는다는 가정을 갖고 있습니다. 이 가정을 활용하여 보다 더 간단하게 다양한 조건에서의 기체의 변화를 예상할 수 있습니다. 이상 기체는 화학 1 과정에 나오는 보일의 법칙(온도가 일정할 때 압력과 부피는 반비례함), 샤를의 법칙(압력이 일정하면 부피는 온도에 비례), 그리고 아보가드로 법칙(온도와 압력이 일정하면 부피는 몰수에 비례)을 결합하여,

 

PV = nRT

 

라는 이상 기체 방정식을 따르게 됩니다. P는 기체의 압력, V는 부피, n은 몰수, T는 절대 온도를 나타냅니다. PV는 nT와 비례한다는 사실을 보일의 법칙, 샤를의 법칙, 아보가드로 법칙으로 얻어낼 수 있습니다. 그 뒤에 등호를 사용하기 위해, 상수 R 사용하는 것입니다. R은 기체 상수이며, 8.314 J/K*mol 의 값을 갖습니다.

2. 이상기체와 실제 기체의 차이

  이상기체와 실제 기체의 차이는 무엇일까요? 이상기체가 기체 분자 사이에 분자 간 힘이 없으므로, 실제 기체에서는 분자 간의 힘이 고려될 것입니다. 그리고 분자 자체의 부피도 고려하면 실제 기체의 운동을 생각할 수 있을 것입니다. 따라서 실제 기체는 앞서 이야기했던 PV=nRT의 이상 기체 방정식을 완벽하게 따르지는 못합니다. 바로 기체 간의 힘과 기체 분자의 크기도 고려해야 하기 때문입니다. 하지만 기체 분자 간의 힘이 적은 헬륨이나 네온 기체와 같은 경우는, 이상 기체와 비슷한 모습을 보입니다. 또한, 고온 저압의 상황에서도 실제 기체가 이상기체와 비슷하게 행동하게 됩니다. 고온의 경우는 기체 분자의 운동에너지가 분자 간의 인력을 극복하게 됩니다. 또한, 낮은 압력에서는 기체 분자의 부피가 가스의 전체 부피에 비해 무시할 수 있는 수준이 되므로 역시 이상기체와 비슷하게 행동할 수 있는 조건이 됩니다.

3. 실제 기체에서 고려되는 힘

  그렇다면, 이상기체에서 고려하지 않았던, 실제 기체에서 고려되는 힘은 무엇이 있었을까요?

  크게, 쌍극자-쌍극자 힘, 런던 분산력, 그리고 수소 결합으로 분류해볼 수 있습니다. 먼저, 쌍극자-쌍극자 힘은 극성 분자에서 분자 간 발생하는 힘입니다. 극성 분자는 분자에 (+)극과 (-)극을 띠는 부분이 있습니다. 한 극성 분자의 양극 끝이, 다른 극성 분자의 음극 끝을 끌어당기게 되고, 이로 분자 간의 힘이 발생합니다. 이것을 쌍극자-쌍극자 힘이라고 합니다. 다음은 런던 분산력인데요, 셋 중 가장 약한 힘입니다. 극성 분자는 영구적으로 전하적인 분리가 존재하는 반면, 무극성 분자는 그렇지 않습니다. 하지만, 일시적으로 전자의 분포가 바뀌면서, 일시적으로 극성을 띠게 되며, 서로를 끌어당기는 일시적인 힘을 만듭니다. 이를 런던 분산력이라고 하는데요, 극성/무극성 분자임에 상관없이 모두 갖고 있는 힘이며 전자가 많은 분자일수록 더 큰 힘을 갖습니다. 다음으로는 수소 결합인데요, 조금 특수한 경우입니다. 수소 원자가 질소, 산소 ,플루오린과 같은 전기음성도가 높은 원자에 공유 결합될 때 생기는 힘입니다.

  이 세가지 힘은 실제 기체에서 고려되는 힘인데요, 상대적인 크기는 수소 결합 > 쌍극자-쌍극자 힘 > 런던 분산력 의 순서입니다.