위험물산업기사 물질의 상태와 변화 — 몰 부피·수소결합

기체 입자의 수는 몰로 세는 것이 기본이다. 아보가드로 수 6.02×10²³개가 1몰이고, 표준상태(0℃, 1기압)에서 기체 1몰은 22.4L를 차지한다. 분자 수·무게·부피가 어떤 꼴로 주어져도 몰수로 환산하면 서로 비교할 수 있다. 같은 온도에서 같은 크기의 용기에 들어간 기체는 몰수가 클수록 압력이 크다(PV=nRT).

화학 반응이 일어나면 반응식의 계수 비로 생성물과 남는 물질의 몰수를 추적한다. 오존의 분해 2O₃ → 3O₂에서는 오존 2몰이 산소 3몰을 만들고, 수소와 산소의 반응 2H₂ + O₂ → 2H₂O, 탄소의 연소 C + O₂ → CO₂, 프로판의 연소 C₃H₈ + 5O₂ → 3CO₂ + 4H₂O도 같은 방식으로 계산한다. 두 반응물이 있을 때 먼저 다 소모되는 쪽이 한계(한정) 반응물이고, 반응 후 총 몰수는 생성물 몰수에 남은 반응물 몰수를 더한 값이다. 같은 온도·압력에서는 부피 비가 몰수 비와 같으므로, 수소 1g(0.5몰)과 산소 16g(0.5몰)을 반응시키면 남은 산소 0.25몰과 생성된 수증기 0.5몰을 합쳐 처음 부피의 3/4이 된다.

온도·압력이 표준상태가 아니면 이상기체 상태방정식 PV = nRT를 쓴다. 압력은 mmHg를 760으로 나눠 atm으로, 온도는 섭씨에 273을 더해 절대온도(K)로 바꾸고, 기체상수 R = 0.082를 쓴다. 몰수 n = PV/RT를 구한 뒤 무게를 몰수로 나누면 분자량이 된다. 예컨대 730mmHg, 100℃에서 257mL 용기에 담긴 무게 1.67g의 기체는 이 계산으로 분자량 약 207을 얻는다.

상태 변화에서는 수소결합이 핵심이다. 수소결합은 물 분자 사이에 작용하는 분자 간 인력으로, 끓는점이 높고 기화열이 큰 성질을 만든다. 얼음이 될 때는 수소결합 때문에 분자 배열이 넓어져 부피가 늘고 밀도가 낮아져 물 위에 뜬다. 물이 무색 투명한 것은 수소결합 때문이 아니라 가시광선을 흡수하지 않는 광학적 성질이다.