화학 고3 물질의 세 가지 상태

아보가드로 법칙

같은 온도·압력에서 모든 기체는 같은 부피 속에 같은 수의 입자를 포함한다(V ∝ n). STP에서 기체 1몰의 부피 ≈ 22.4 L.

온도와 압력이 같으면 같은 부피의 기체 속에는 종류에 상관없이 같은 수의 분자가 들어 있고, 따라서 기체의 부피는 몰수에 비례합니다(

V \propto n

기체 분자는 텅 빈 체육관에서 뛰어다니는 몇 명의 사람과 같습니다. 사람이 뚱뚱하든 말랐든 체육관 크기를 정하는 것은 '몇 명이 얼마나 활발히 뛰는가'이지 '한 사람의 덩치'가 아닙니다.

쉽게 말하면

이 법칙이 이상하게 느껴진다면 정상입니다. 수소 분자는 아주 작고 이산화 탄소 분자는 훨씬 큰데, 어떻게 같은 부피를 차지할까요? 답은 기체 분자 사이가 거의 텅 비어 있기 때문입니다. 기체에서 분자 자신이 차지하는 부피는 전체 부피에 비하면 무시할 만큼 작습니다. 부피를 결정하는 것은 분자의 덩치가 아니라, 분자들이 벽에 부딪히며 밀어내는 힘 — 즉 몇 개가 얼마나 빠르게 움직이는가입니다. 온도가 같으면 어떤 기체든 분자의 평균 운동 에너지가 같으므로, 같은 압력을 만들려면 같은 개수가 필요합니다.

식으로 쓰면 온도와 압력이 일정할 때

$V \propto n, \frac{V _{1}}{n _{1}} = \frac{V _{2}}{n _{2}}$

입니다. 이 법칙 덕분에 '기체의 부피'를 세면 곧 '분자의 개수'를 센 것이 됩니다. 그래서 기체가 참여하는 반응에서는 부피비가 곧 계수비가 됩니다. 예를 들어 수소 $2$ 부피와 산소 $1$ 부피가 반응해 수증기 $2$ 부피가 생기는데, 이는 반응식 $2 H_{2} + O_{2} \to 2 H_{2} O$ 의 계수 $2 : 1 : 2$ 와 정확히 같습니다.

특정 조건을 정해 두면 기준 부피를 말할 수 있습니다. 표준 상태(STP, $0^{\circ} C$ · $1 atm$ )에서 기체 $1$ 몰의 부피는 기체의 종류와 무관하게 약 $22.4 L$ 입니다. 이 $22.4$ 라는 숫자는 아보가드로 법칙이 사실임을 보여 주는 가장 유명한 증거입니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

같은 부피의 수소와 산소

같은 온도·압력에서 $1 L$ 의 수소와 $1 L$ 의 산소에는 같은 수의 분자가 들어 있습니다. 하지만 질량은 전혀 다릅니다. $H_{2}$ 는 $2 g/mol$ , $O_{2}$ 는 $32 g/mol$ 이므로 같은 몰수라면 질량비는 $2 : 32 = 1 : 16$ 입니다. 개수는 같고 무게는 다릅니다.
예시 2

기체 반응의 부피비 = 계수비

$N_{2} (g) + 3 H_{2} (g) \to 2 N H_{3} (g)$

같은 온도·압력에서 질소 $1 L$ 와 수소 $3 L$ 가 반응해 암모니아 $2 L$ 가 생깁니다. 부피를 재는 것만으로 분자의 개수비를 알아낸 셈이라, 실험실에서 아주 유용합니다. (액체나 고체에는 이 규칙이 통하지 않습니다.)
예시 3

기체의 분자량을 부피로 알아내기

표준 상태에서 어떤 기체 $22.4 L$ 의 질량을 재면 그 값이 곧 $1$ 몰의 질량, 즉 분자량입니다. 예를 들어 표준 상태의 기체 $11.2 L$ (= $0.5$ 몰)의 질량이 $16 g$ 이라면 $1$ 몰은 $32 g$ 이므로 분자량은 $32$ 입니다.

자주 하는 오해

부피가 같으면 질량도 같다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움같은 온도·압력에서 부피가 같으니 두 기체의 무게도 같을 것이다

실제로는같아지는 것은 분자의 개수이지 질량이 아닙니다. 분자 하나의 질량(분자량)이 다르므로 전체 질량도 다릅니다.

아보가드로 법칙은 개수를 세는 법칙입니다. 같은 부피에 든

H_{2}

와

C O_{2}

는 개수가 같지만,

C O_{2}

분자 하나가

22

배 무거우므로 전체 질량도

22

배입니다. 헬륨 풍선이 뜨는 이유도 같은 부피의 공기보다 훨씬 가볍기 때문입니다 — 개수가 아니라 개당 무게의 차이입니다.

22.4 L

를 아무 조건에나 갖다 쓰기

이렇게 생각하기 쉬움기체

1

몰이니까 부피는

22.4 L

실제로는

22.4 L

는 표준 상태( $0^{\circ} C$ , $1 atm$ )에서만 성립하는 값입니다. 조건이 다르면 부피도 달라지므로

P V = n R T

로 직접 계산해야 합니다.

22.4

는 법칙이 아니라 특정 조건에서 계산된 결과일 뿐입니다. 실온(

25^{\circ} C

)에서

1

기압이면 부피는

22.4

보다 커집니다. 문제에 온도·압력 조건이 적혀 있다면 그것부터 확인하는 습관을 들이세요.

선수 개념 — 이걸 먼저 알아야 해요

없음 — 이 개념이 출발점입니다

이후 개념 — 이 개념을 배우면 이어집니다

이상 기체 법칙고3

같은 단원의 개념 — 물질의 세 가지 상태

게이-뤼삭 법칙고3 그레이엄 확산 법칙고3 기체 운동론고3 보일 법칙고3 분산력(런던 힘)고3 분자 간 힘고3 분자간 힘과 끓는점고3 상평형 그림고3 샤를 법칙고3 수소 결합고3 쌍극자-쌍극자 힘고3 이상 기체 법칙고3 증기압과 끓는점고3 혼합 기체와 분압고3

자주 묻는 질문

Q1커다란 분자도 정말 작은 분자와 같은 부피를 차지하나요?

기체 상태라면 그렇습니다. 기체는 분자 사이 간격이 분자 크기보다 훨씬 커서 대부분이 빈 공간이기 때문입니다. 다만 압력이 아주 높거나 온도가 아주 낮아 분자들이 서로 가까워지면 분자 자체의 부피와 분자 간 힘이 무시할 수 없게 되어, 아보가드로 법칙에서 조금씩 벗어납니다.

Q2이 법칙이 왜 중요한가요?

기체의 부피를 재는 것만으로 눈에 보이지 않는 분자의 개수비를 알 수 있게 해 주기 때문입니다. 화학 반응식의 계수가 실제 분자 개수의 비라는 사실도, 물질의 분자량을 결정하는 방법도 이 법칙에서 나왔습니다.

Q3고체와 액체에도 적용되나요?

적용되지 않습니다. 고체와 액체는 입자들이 서로 맞닿아 있어서 입자 자신의 크기가 곧 부피를 결정합니다. 같은 부피의 물과 알코올에 든 분자 수는 전혀 같지 않습니다.

교육과정 2022 개정 · 고3 화학 · 물질의 세 가지 상태 수록 기본 (교육과정 단원)

출처 교육부 고시 제2022-33호 (2022 개정 교육과정) · NCIC 국가교육과정정보센터

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