여러 가지 기체

1. 기체의 발견

기체(gas)라는 용어를 처음 사용한 사람은 벨기에의 과학자 헬몬트(1579〜1644)이다. 그는 기체가 여러 종류이며 공기는 기체의 한 종류라고 생각했다. 하지만 당시에는 그의 생각이 받아들여지지 않았고 이후 18세기에 이르러 과학의 발전과 함께 공기에 관한 연구가 활발하게 진행되었다.
1) 산소의 발견
1772년 셀레(1742〜1786)는 산화수은을 가열해 무색무취의 기체를 얻었으며 이 기체가 일반공기보다 연소를 더 촉진한다는 것을 발견했다. 셀레는 이 기체를 ‘불 공기(fire air)’라고 불렀다. 1774년 프리스틀리(1733〜1804)는 산화수은을 가열하는 과정에서 특이한 기체가 발생하는 것을 발견하고 이 기체가 생물의 호흡 및 연소에 관여한다는 것을 알아냈다. 그 후 1777년 라부아지에(1743~1794)는 산화수은을 가열할 때 나오는 기체를 새로운 원소로 인식하고, ‘산소’라는 이름을 붙였다.

2) 이산화 탄소의 발견
1754년 영국의 과학자 블랙(1728〜1799)은 산화칼슘에 산을 넣거나 산화칼슘을 가열할 때 기체가 발생하는 것을 발견하고 이 기체가 공기와는 전혀 다른 것임을 알아냈다. 그는 이 기체에 ‘고정 공기’라는 이름을 붙였는데, 이 기체가 바로 이산화 탄소이다.

2. 기체의 성질

1) 산소의 성질
산소는 색깔과 냄새가 없고 공기보다 약간 무거운 기체이다. 공기의 약 21%를 차지해 공기 중에 질소(약 78%) 다음으로 많다. 산소는 자연에서 대부분 녹색식물의 광합성으로 만들어지며 모든 생물의 호흡에 필요한 기체이다. 또 산소는 다른 물질이 타는 것을 도와주어 물질의 연소가 일어나게 하고, 반응성이 커서 비활성 기체를 제외한 대부분 원소와 결합해 산화물을 만든다.

2) 이산화 탄소의 성질
이산화 탄소는 색깔과 냄새가 없으며 공기보다 무거운 불연성 기체이다. 건조한 공기 중에서 질소, 산소, 아르곤에 이어 네 번째로 양이 많은 기체이며, 탄화수소와 같은 물질의 연소나 동물의 호흡 등에 의해 발생한다. 이산화 탄소는 식물의 광합성에 이용되기 때문에 식물이 생장하는 데 꼭 필요한 기체이며 물에 녹아 탄산이 되어 약한 산성을 나타낸다. 기체가 공기 중에서 위아래로 이동하는 것은 밀도와 관련이 있으나 교육과정 수준에 따라 무게로 지도한다.

3. 보일 법칙과 사를 법칙

1) 보일 법칙
영국의 과학자 보일(1627~1691)은 J자 관 실험으로 '온도가 일정할 때 일정량의 기체의 부피는 압력에 반비례한다.’라는 보일 법칙을 발표했다. 용기 속의 기체 분자는 모든 방향으로 활발하게 운동하면서 용기 벽에 충돌해 힘을 가한다. 이때 충돌에 의해 용기 벽의 단위 넓이에 작용하는 힘을 그 기체의 압력이라고 한다. 외부에서 압력을 가해 기체의 부피가 줄어들면 기체 분자들이 용기 벽에 충돌하는 횟수가 증가하므로 기체의 압력은 커진다. 반대로 부피가 늘어나면 기체의 압력은 작아진다.

 

2) 샤를 법칙
프랑스의 과학자 샤를(1746〜1823)은 기체의 온도와 부피의 관계를 연구해 ‘압력이 일정할 때 일정량의 기체의 부피는 온도가 1°C 올라갈 때마다 0°C 때 부피의 1/273만큼 늘어나고 반대로 온도가 1°C 내려갈 때마다 0°C 때 부피의 1/273만큼 줄어든다.’라는 샤를 법칙을 발표했다. 기체의 온도가 올라가면 기체 분자의 운동이 활발해져 분자 사이의 거리가 멀어지면서 부피가 늘어나고 반대로 기체의 온도가 내려가면 기체의 부피는 줄어든다.

4. 기체 발생 장치로 깨끗한 기체를 얻는 방법

• 물질을 반응시켰을 때 집기병에 처음 모이는 기체는 반응 용기, 즉 가지 달린 삼각 플라스크 속에 있던 공기이다. 따라서 두 물질을 반응시켜 기체를 발생시킬 때 1자 유리관의 끝을 집기병 밖에 두어 처음에 나오는 공기를 밖으로 내보낸 뒤 다시 ㄱ자 유리관을 집기병 속에 넣어 기체를 모으면 깨끗한 기체를 모을 수 있다.
• ㄱ자 유리관을 집기병 속에 깊이 넣지 않고 입구에 두면 발생한 기체가 물을 통과해 기체 외에 필요 없는 물질이 제거되어 깨끗한 기체를 모을 수 있다.

5. 기체 발생 장치에서 대체 가능한 실험 기구

콕 깔때기 대신 일반 깔때기와 핀치 집게, 유리관, 고무관을 사용해 기체 발생 장치를 꾸밀 수 있다.

6. 깔때기와 핀치 집게를 사용해 꾸민 기체 발생 장치

깔때기에 고무관을 연결하고, 고무관에 핀치 집게를 끼우면 콕 깔때기와 같은 역할을 하는 실험 기구로 사용할 수 있다. 깔때기를 끼운 고무관의 반대쪽에 유리관을 연결하고 유리관을 고무마개에 끼우면 기체 발생 장치를 완성할 수 있다. 핀치 집게는 손으로 전체를 감싸 쥐고 엄지와 검지로 눌러서 사용한다. 이때 핀치 집게가 고무관을 잘 막지 않으면 액체물질이 흘러내리는 양을 조절하기 어렵다. 따라서 핀치 집게가 고무관을 잘 막고 있는지 확인한 뒤 핀치 집게를 조절해 기체를 발생시킨다.

7. 기체를 모으는 방법

• 수상 치환: 물속에서 기체를 모으는 방법으로 물에 잘 녹지 않는 기체를 모을 때 이용한다. 수상 치환은 기체를 모으는 과정을 눈으로 확인할 수 있고 불순물이 물에 녹아 순수한 기체를 모을 수 있다는 장점이 있다. 산소는 물에 녹는 양이 매우 적고 공기와 밀도 차가 크지 않아 하방 치환으로는 순수한 산소를 얻기 어려우므로 수상 치환으로 모은다.
• 상방 치환: 물에 녹는 기체 중 공기보다 가벼운 기체를 모을 때 이용한다. 공기보다 가벼운 기체는 공기 중에서 위로 떠 오르기 때문에 집기병을 거꾸로 세워 그 안에서 모을 수 있다. 암모니아, 메테인 등의 기체를 모을 때 이용한다. 수상 치환과는 달리 공기 중에서 기체가 얼마나 모였는지 알 수 없다.
• 하방 치환: 물에 녹는 기체 중 공기보다 무거운 기체를 모을 때 이용한다. 공기보다 무거운 기체는 공기 중에서 아래로 가라앉기 때문에 똑바로 세워 둔 집기병 안에서 모을 수 있다. 이산화 탄소, 염소, 염화수소 등의 기체를 모을 때 이용한다. 상방 치환과 마찬가지로 공기 중에서 기체가 얼마나 모였는지 알 수 없다.

8. 기체의 용해도

일반적으로 고체는 온도가 높아지면 용해도가 증가하지만, 기체는 온도가 높아지면 용해도가 감소한다. 또 기체의 종류에 따라 물에 녹는 정도가 다른데, 이산화 탄소는 산소에 비해 물에 녹는 양이 매우 많다. 

9. 이산화 탄소를 모으는 방법

탄산음료에 녹아 있는 이산화 탄소를 모을 수 있으며 이산화 탄소의 온도를 낮추어 고체로 만든 드라이아이스를 이용해 모을 수도 있다. 또 탄산염에 산 수용액을 반응시키면 이산화 탄소를 모을 수 있다. 따라서 기체 발생 장치에서 이산화 탄소를 발생시킬 때 식초 대신 묽은 염산을 사용해 실험할 수도 있다. 또 주성분이 탄산수소 나트륨인 제빵 소다와 식초를 이용해 이산화 탄소를 모을 수 있다. 탄산칼슘을 산과 반응시켜도 이산화 탄소가 발생한다. 따라서 탄산칼슘이 많이 포함된 대리석, 조개껍데기, 달걀 껍데기 등에 묽은 염산과 식초 등의 산을 반응시키면 이산화 탄소를 모을 수 있다.

10. 불을 끌 때 이용하는 이산화 탄소의 성질

산소는 다른 물질이 타는 것을 도와주는 기체이다. 공기 중에 있는 산소가 다른 물질과 빠르게 반응하면 빛과 열을 내면서 탄다. 하지만 산소가 부족하면 물질은 더 이상 타지 않는다. 이산화 탄소는 산소보다 무거운 기체이다. 타고 있는 물질에 많은 양의 이산화 탄소를 뿌리면 무거운 이산화 탄소가 타는 물질 근처를 둘러싼다. 이때 둘러싼 이산화 탄소 때문에 산소가 차단되어 불이 꺼진다. 즉, 이산화 탄소가 직접 불을 끄는 것이 아니라 이산화 탄소가 산소를 차단함으로써 불이 꺼지는 것이다.

11. 석회수와 이산화 탄소의 반응

석회수는 수산화칼슘(Ca(OH)2) 수용액, 즉 산화칼슘(CaO)의 포화 수용액이다. 석회수가 이산화 탄소와 만나면 탄산칼슘과 물이 생성되는데 이때 생성된 탄산칼슘은 물에 녹지 않는 흰색 앙금이다. 따라서 석회수에 이산화 탄소를 넣으면 흰색 앙금이 생성되면서 석회수가 뿌옇게 된다.