화학 세특 : 헬륨

1. 2번 원소, 헬륨

  헬륨은 원자핵에 2개의 양성자를, 원자에 두개의 전자를 갖고 있는 원소이며, 동위원소를 고려한 원자량은 4.0026입니다. 헬륨은 2개의 전자만을 가지기 때문에, 첫번째 전자껍질에 필요한 전자를 모두 채우고 있습니다. 즉 원자가전자가 0이라는 소리입니다. 그리고 이 말인즉슨 다른 물질들과의 반응성이 매우 낮아 안정한 물질이라는 말이 됩니다. 특징도 무색, 무취이며, 잘 결합하지 않기 때문에 실온에서 단원자 기체 상태로 존재합니다. 이러한 특징 때문에, 끓는점과 녹는점도 매우 낮습니다. 잘 결합하지 않아 원자들 간의 거리가 좁혀지기 힘들기 때문에 그렇습니다. 그렇기 때문에 실온은 물론이고 매우 특수한 상황이 아닌 이상 액체 헬륨이나 고체 헬륨을 볼 일은 없습니다. 또한, 우주에서 수소와 헬륨의 질량비가 3:1이라는 사실을 들어보셨을수 있으실 것 같은데요, 우주의 25%정도를 차지하고 있는 만큼 매우 풍부한 원소입니다.

2. 헬륨의 활용

  헬륨은 앞서 말씀드렸다시피 다른 물질과의 반응을 거의 하지 않는 물질입니다. 그래서 뭔가 별다른 활용이 어려워 보이는 원소이지만, 오히려 그것이 헬륨의 가치라고 할 수 있습니다. 안정하기 때문에 반응성이 낮아, 위험성이 낮다는 것입니다. 가장 좋은 예시로 비행선을 들어볼 수 있을 것 같습니다. 수소와 헬륨 모두 공기보다 공기보다 가볍기 때문에, 수소 기체와 헬륨 기체를 공기 중에 두면 모두 떠오릅니다. 비행선은 기체의 부력을 활용한 탈것으로, 공기보다 가벼운 기체를 사용하는데요, 그 기체로 수소와 헬륨이 사용될 수 있습니다. 하지만, 수소의 경우 매우 반응성이 높은 물체이고, 무엇보다 가연성 물질입니다. 그렇기에 사실 비행선에 활용하기에는 위험성이 큰 원소였고, 실제로 참사가 일어난 후 비행선의 기체는 헬륨으로 교체되었습니다. 그 외에도 별다른 반응성이 없고, 독성이 없는 등 안정하다는 특징 덕에 다양한 사용처가 존재합니다. 독성을 띠지 않기 때문에 밀도가 낮은 점을 활용하여 심해 다이빙에서의 기체 혼합물로 사용이 가능하며, 폭발이나 연소하지 않기 때문에 산업이나 과학 분야에서도 가치를 지닙니다. 어떤 반응을 진행할 때 공기 중에서 진행했을 때 공기중의 다른 원소들과도 반응할 가능성이 있습니다. 하지만 주위를 헬륨으로 채워넣고 어떠한 반응을 진행하면, 그러한 반응들을 방지할 수 있다는 장점이 있습니다.

3. 헬륨 활용 실험

  헬륨 하면 가장 먼저 생각나는 실험은 아무래도 헬륨 가스를 들이킨 후 이상하게 변한 내 목소리를 들어 보는 실험일 것입니다. 이번에는 이에 한가지 연계한 실험을 진행하고, 이를 통해 그 원리를 자세히 살펴보기까지 하려고 합니다. 실험 자체는 간단합니다만, 그 원리를 파악하는 과정에서 헬륨의 특징을 확인하고 아보가드로의 법칙과 이상기체와 실제 기체의 개념, 소리의 전달 원리를 확인할 수 있습니다. 즉 재미있게 생각하고만 넘어갔던 헬륨으로 인한 목소리 변조를 다양한 화학적/물리적 법칙을 활용해 그 이유를 분석해 보는 것입니다.

  실험은 우선 헬륨 가스와 주파수를 측정할 수 있는 기계(휴대폰 앱으로도 있습니다)를 준비해 주시면 됩니다. 그리고 헬륨 가스를 흡입하지 않았을 때와 흡입했을 때 같은 말을 하며 그 주파수를 측정해 보면 됩니다.

  이번에는 이 실험의 백미라고 할 수 있는 그 분석 부분입니다. 우선 목소리가 변조되어 나타나는 이유에 대해 간단히 설명을 드려 보자면, 아보가드로의 법칙을 사용해야 합니다. 아보가드로의 법칙에 따라, 이상 기체의 경우 기체의 분자 종류에 상관없이 1몰에 22.4L의 부피를 가집니다. 그렇기에 같은 부피에 같은 수의 분자 개수가 있더라도 그 분자들의 분자량은 다르므로, 그 기체의 부피는 달라진다는 것이 됩니다. 헬륨의 경우 두 번째로 가벼운 원소이기때문에 공기 중과 비교하여 그 밀도가 낮습니다. 수소의 경우에도 가장 가벼운 원소이기 때문에 공기 중과 비교하여 그 밀도가 낮지만, 여기서 헬륨만의 특징인 안전성이 존재하기 때문에 실험에서 수소 대신 헬륨을 사용하게 되는 것입니다.

  그런데, 사실 우리는 실험에서 헬륨 가스가 이상 기체라는 가정을 두고 진행하기에 그 밀도를 예상할 수 있지만, 사실 우리가 진행하는 실험은 실제 상황에서 이루어지고 있습니다. 그렇기에, 헬륨 기체가 실제 기체와 비슷하게 행동할 것이라는 근거가 필요합니다. 아래의 글을 읽어보시면 좋을 것 같은데요,

2024.07.15 - [세특/물리 실험, 세특] - 물리/화학 세특 주제 : 이상기체와 실제 기체의 차이

물리/화학 세특 주제 : 이상기체와 실제 기체의 차이

이 글을 읽으시면 이상기체와 실제 기체의 차이를 어느 정도 이해하실 수 있을 것 같고, 이상기체와 실제 기체의 차이를 만드는 요인에 대해 아실 수 있을 것입니다. 이때 헬륨의 경우 분자 간의 힘을 고려하는 요소에서 수소 결합과 쌍극자-쌍극자 힘을 갖지 않고, 런던분산력마저 분자량이 낮기에 비교적 작은 힘을 갖습니다. 즉 어느 정도는 이상기체와 비슷하게 행동할 것이라는 근거를 얻게 된 것입니다.

  그렇다면 왜 밀도가 낮은 기체를 사용하려고 한 것일까요? 그 이유는 바로 소리의 진동에 있습니다. 소리는 진동하면서 매질(파장을 전달해 주는 매개체, 공기 등)을 통해 움직이는 원리로 전달되는데, 이때 성대에서 소리를 전달하기 위한 매질이 밀도가 낮은 기체로 사용된 것입니다. 이러한 매질의 밀도 차이로 인해, 결국은 소리의 진동수가 높아져 그 높이가 높아지게 된 것입니다.

  저는 여기까지 내용을 준비해 보았고, 실험에 계산 과정까지 포함하고 싶으신 분들은 소리의 진동수를 측정한 값과, 이론적으로 계산한 기체의 밀도를 활용하여 소리의 진동수를 얻는 식에 대입한 후, 그 값을 비교해보시는 활동도 진행할 수 있을 것 같습니다. 이 내용까지 포함드리고 싶지만, 아무래도 이 부분에는 너무 무지한 것 같아, 다른 전문가분들, 선생님들의 도움을 받아 진행하시면 좋을 것 같습니다. 오늘 준비해 본 내용은 여기까지이고, 아래는 원자번호 1번, 수소에 대한 특징과 실험을 정리해 놓은 글입니다. 여기 내용은 에너지 관련으로 준비해 봤으니, 관심 있으시면 이 글도 방문해 주시면 감사하겠습니다. 긴 글 읽으시느라 고생하셨습니다!

2024.07.23 - [세특/화학 실험, 세특] - 화학 주기율표 세특 : 1번 원소, 수소

화학 주기율표 세특 : 1번 원소, 수소