▶   분자의 질량과 기체 분자의 운동 속도

 
 
 

앞 절에서 같은 물질이라면 온도가 높을수록 기체 분자의 운동 속도가 빨라지는 것을 알아봤지요. 이 절에서는 기체의 분자의 질량과 운동 속도의 관계에 대해 알아보겠습니다. 즉, 물질에 따라 기체 상태의 분자들의 운동 속도가 어떻게 달라지는지 알아봅니다.

구슬을 손가락으로 힘을 주어 튕기면, 우리의 에너지가 구슬에 전해져 구슬이 움직입니다. 가벼운 스티로폼 구슬과 무거운 쇠구슬에 같은 힘을 주어 튕기면 누가 더 빨리 달려갈까요? 당연히 스티로폼 구슬이지요.

 

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같은 일이 기체 분자에게도 일어납니다. 온도가 같을 때 가벼운 분자의 운동 속도가 더 큽니다. 그레이엄이라는 사람의 연구 결과에 의하면 기체 분자의 운동 속도는 분자의 질량의 제곱근에 반비례한다고 합니다. 비례상수를 c라고 하고 기체 분자 A의 질량을 mA라고 하면

 

 

섭씨 0도에서 여러 기체 분자의 평균 운동 속도는 다음과 같습니다. 질량은 상대적인 양으로 나타내었습니다.

 

기체
분자의 상대적 질량
운동 속도 (m/초)
수소 (H2)
2
1690
질소 (N2)
28
450
산소 (O2)
36
420
이산화탄소(CO2)
48
360

 

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즉, 온도가 같을 때 분자의 질량이 작을수록 더 빨리 움직입니다. 분자들이 얼마나 빠르게 계속 움직이고 있는지 유의해 보세요. 산소 분자의 경우 자신의 크기의 1,000,000,000 배에 해당하는 거리를 1초에 달리고 있습니다.

 

 

확산은 분자가 움직이며 빈 공간 전체를 차지하도록 퍼지기 때문에 일어나는 현상이지요. 따라서 확산의 속도는 분자 운동 속도가 빠를수록 빨리 일어나므로, 분자의 질량이 작은 기체일수록 더 빨리 확산합니다.

 

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암모니아(NH3) 기체는 염화수소(HCI) 기체와 반응하여 하얀 고체를 만듭니다.

 

 


염화수소 분자는 암모니아 분자보다 질량이 커서, 암모니아 분자보다 천천히 확산합니다. 만약 유리관의 양쪽에 각각 암모니아 기체와 염화수소 기체를 동시에 넣어 주면 두 기체는 확산하여 유리관의 한 곳에서 만나 하얀 고체를 생성합니다.

 

 

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[* 비디오 출처: https://www.youtube.com/watch?v=S9yuoLkfI3E]

 

하얀 고체는 유리관의 어느 부분에서 생길까요? 염화수소 쪽으로 치우쳐 생깁니다. 왜냐하면 같은 시간 동안 질량이 작은 암모니아 분자가 더 긴 거리 이동하기 때문입니다.

 

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이렇게 분자들이 질량에 따라 움직이는 속도가 다른 것을 이용하여 혼합물을 분리하기도 합니다. 그 예를 다음에서 알아 보세요.

 

 

 

 

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