11 장 주변공기

ᆞ기체 분자

ᆞ압력

ᆞ기체의 부피 ( 온도와 압력의 변화 )

ᆞ대기의 구성

ᆞ대기의 구조

ᆞ공기와 공해물질

ᆞ오존 문제

2NaN3 2Na(s) + 3N2(g)

에어백의 원리

폭발이란 화학반응을 통해 엄청난 양의 기체를 눈 깜짝할 사이에 만들어내는현상을 이용

예를 들면 다이너마이트와 같은 폭약이 터지면 많은 탄산가스가 한꺼번에 생겨 커다란 폭음과 함께 파괴력을 낸다 .

2M NaN3 0.1L 3M N2 45L450 배 증가

Sodium Azide

11.2 기체는 입자들의 무리

공간에 비해 매우 작은 기체 분자

11.3 압력

기체 분자들과 그 주위 표면과의 일정한 충돌의 결과

압력은 공기 속에 존재하는 기체 분자수에 직접 비례압력 = 힘 / 단위면적 (Newton/m2 = Pa)분자수 , 충돌 , 압력

고도에 따른 압력의 변화

고도가 높을수록 분자수 , 충돌 , 압력

비행기를 타거나 고산 지대에 올라가면 귀가 아픈 이유는 ?

Vacuum

h (76 cm)

(Patm)

진공관에 올라온 물의 높이 = 물 표면을 누르는 외부 압력

해수면에서 진공관을 채우는 물의 높이 10m 에베레스트 산 3m

해수면에서 수은의 높이 760mm(760mm Hg) 에베레스트 산 240mm

수은 밀리미터토르기압수은 인치제곱인치 당 파운드파스칼제곱미터 당 뉴턴

mm HgTorrAtmIn.HgPsiPaN/m2

760760129.9214.7101.325101.325

표 .1

단위 기호 해수면 평균값

11.4 기체 성질간의 관계

몰수 (n), 부피 (V), 온도 T(K), 압력 (P)

이들 성질들 간의 변화 기체 법칙

1. Boyle 의 법칙

일정한 온도에서 주어진 기체 시료의 부피는 압력에 반비례( 액체나 고체에는 적용되지 않는다 .)

P = a/V 즉 , P1V1 = P2V2

초기 압력과 부피

최종 압력과 부피

비례상수

Boyle’s Law Experiment

Air

Pressure (P)

Pump

HydraulicFluid

Volume (V)

부피가 작아지면 분자의 충돌이 더 빈번해져서 압력이 올라간다 .

예제 (Boyle 의 법칙 )

압력이 760 mm Hg 인 해수면에서 풍선의 부피가 1.00 L 이다 . 압력이

240 mm Hg 인 에베레스트 산 꼭대기에서 이 풍선의 부피는 얼마가

되겠는가 ?

V2

=

P1V1

P2

P1V1

P2

P1, V1, P2 에 값을 넣으면 V2 =760 mm Hg X 1.00 L

240 mm Hg= 3.17 L

2. Charles 의 법칙

기체의 부피를 절대 온도 (absolute temperature) 와 연관

기체의 온도가 증가하면 기체의 부피는 비례해서 증가

V = bT 즉 , V1/T1 = V2/T2

예제 (Charles 의 법칙 )

이동하는 피스톤을 가진 실린더의 초기 온도와 부피가 25 oC, 0.50 L 이다 .

75 oC 에서의 부피는 얼마인가 ?

최종 부피를 알아야 되므로 식에서 V2 를 푼다 . 다른 값을 식에 넣는다 .

모든 온도는 켈빈온도 (0C + 273 = K) 임을 명심

V2 =V1T2

T1

=0.50 L X 348 K

298 K= 0.58 L

3. Avogadro 의 법칙

• 부피 (V) 와 양 (n) 사이의 관계• V ∝ n V/n = k (T,P 일정 )• 같은 온도와 압력에서 같은 부피의

기체들은 같은 몰 수를 갖는다 .• 산소 기체 1 L 의 용기는 같은 온도와 압력에서

He, F2, Ar 또는 다른 기체 1 L 시료와 같은 몰 수를 가진다 .

• 기체 1 mol 은 0 ℃, 1.00 atm 에서 22.4 L (표준몰부피 , standard molar volume) 를 차지한다 .

기체 법칙의 통합

ᆞ Boyle – Charles - Avogadro 의 법칙

P1V1

n1T1

=P2V2

n2T2

knT

PV

nRT PV 이상기체 상태방정식

예제 ( 기체법칙의 통합 )

1.0 atm, 25 0C 에서 2.0 L 로 팽창한 풍선이 있다 . 그 후 풍선을 0.80 atm, 5.0 0C 인산으로 옮겼다 . 이 산 꼭대기에서 풍선의 부피는 얼마인가 ?

먼저 통합 기체 법칙을 V2 에 대해서 푼다 .

나머지 값들을 넣는다 .

모든 온도는 켈빈 (K) 온도로 나타낸다 .

V2 =

P1V1T2

T1P2

=

1.0 atm X 2.0 L X 278 K

298 K X 0.80 atm

= 2.3 L

11.5 대기 대기에 있는 주요 기체와 그 상대 부피를 백 만분율 ᆞ

ppm 으로 표시

질소 (N2)산소 (O2)아르곤 (Ar)이산화탄소 (CO2)네온 (Ne)헬륨 (He)기타

78210.90.030.00180.000520.0004

780,830209,4509,340350185.24.0

기체 부피 (%) 공기분자 백만 (ppm) 개당 분자수

표 .2

N2 대기의 78%

무색 , 무미 , 무취 , 비 연소성 , 화학적으로 비활성

식물이 생존하기 위해 필요한 단백질 합성의 중요한 원소

N N질소고정

NO3- ( 질산염 화합물 )

O2 대기 중 21%

질소보다 큰 반응성

연소 , 철의 녹 , 페인트의 탈색 , 동물 생명의 유지 등에 관여

호흡

C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O + 에너지

CO2 대기 중 0.03%

광합성을 통해 식물 생장에 필요한 중심 물질

글루코오스를 만든다

6CO2 + 6H2O + 에너지 C6H12O6 + 6O2

Ar, Ne, He

비 활성 기체 ( 매우 안정함 )

네온은 네온사인에 사용

비 활성 조건을 요구하는 전자공업에 이용 – 아르곤

극 저온제로 사용

11.6 대기 : 층 구조ᆞ고도가 높아 질수록 낮아지는 압력 – 공기 분자가 적기 때문

ᆞ대류권 (troposphere)

지상에서 10Km

모든 지구의 생명체 존재

구름 , 비 등 모든 기후 현상이 대류권에서 이루어짐

ᆞ성층권 (stratosphere)

10~50Km 비행기의 비행 공간

O3 존재 (UV 흡수 )

중간 층권ᆞ , 전리층 ( 이온층 )

운석이 유성이 되는 공간

오로라 현상 – 빠른 속도로 움직이는 이온 기체 입자들이 이온층에서 빛을 발생하는 결과

( 이온층 )

( 중간권 )

( 성층권 )( 대류권계면 )

11.7 공기 공해 : 대류권에서 환경 문제

ᆞ SO2

호흡기 질병 , 폐의 방어력 저하 , 심장 혈관 질병ᆞ PM-10

10μm 이하의 직경을 갖는 입자 물질 -particulatematter 의 약자

기관지 약화 , 심장 혈관 질환 , 저항력 약화폐 조직 손상 및 암 발생 원인

ᆞ CO산소를 운반하는 혈액의 기능을 저하

심장과 호흡기 계 기능 저하 , 시각적 인식의 저하

체력 감소 , 민첩성 감소 , 학습능력 저하

심장 혈관 질환 , 협심증이나 말초신경 혈관 질환을 가진사람은 매우 예민

ᆞ O3

성층권에서는 UV 흡수

대류권에서는 눈과 폐를 자극하는 공해 물질

ᆞ NO2

폐 , 눈 자극 갈색 스모그의 원인

오존 생성의 전구체로 산성비를 만든다

ᆞ Pb

오랜 기간 몸에 축적

신장 , 간 , 신경계 손상

11.9 오존 감소 : 성층권의 환경 문제

UV (280~400nm) UV-A(320~400nm)

UV-B(280~320nm)

O3 + UV O2 + O

O2 +O O3 + 열

염화플루오르화탄소 : 오존 파괴

염화플루오르화탄소 (CFC)

무색 , 무취 , 무독성 , 화학적 비활성 , 저렴한 가격

독성이 크고 반응성이 큰 암모니아와 이산화황의 대체 물질

프레온 11 프레온 12

ᆞ CFC 의 오존 파괴

CF2Cl2 + UV Cl + CF2Cl

ᆞ촉매 순환 과정

Cl + O3 ClO + O2

O3 + UV O + O2

ClO + O Cl + O2

ᆞ극 지역에 오존 감소

오존은 왜 남극에서만 큰 감소가 일어나는가 ?

극 소용돌이 성층권 구름 (PSC)

ClONO2 + HCl Cl2 + HNO3

PSC