<일반화학실험>

이산화탄소의 분자량

관련 자료

자연과학개론 8장, 10장

핵심 내용

분자, 분자량, 아보가드로의 원리, 화학 결합, 옥텟 규칙, 상 변화 (기체, 액체, 고체),이상기체 방정식

배 경

이번 실험에서는 분자론을 다루기로 한다. 호프만(Roald Hoffmann;1981년 노벨 화학상)의 말대로 원자는 근사하고 근본적이기는 하지만 원자는 화학이 아니다. 화학은 원자들이 잠시 동안 일정한 규칙을 가지고 결합했다가 다시 갈라서는 분자에 관한 것이다. (Atoms are nice, atoms are fundamental, but they are not chemistry. Chemistry is about molecules, the fixed but transformable way in which atoms get together for a while.) 따라서 원자들이 모여 분자를 이루는 화학 결합의 원리와 그에 따라 생긴 분자의 성질을 이해하는 것은 화학의 핵심적인 내용이다.

다시 말해서 우리 주위의 세계는 엄밀히 이야기하면 원자의 세계라기보다는 분자의 세계이다. 원자들은 분자들을 구성하는 단위이기는 하지만 우리 주위에는 헬륨, 아르곤처럼 화학 결합을 이루지 않는 불활성기체나 금이나 황처럼 원소 상태로 존재하는 약간의 물질을 제외하고는 대부분의 물질은 원자들이 결합한 상태로 존재한다. 따라서 일단 원자량을 알고 나면 분자량을 아는 일이 아주 중요해진다. 분자량을 알면 그 분자는 원자들이 몇 개정도 모인 어느 정도 큰 분자인지 알 수 있기 때문이다. 그리고 분자량은 분자 내에 어떤 원자들이 어떤 비율로 들어있는지를 조사하는 데에도 중요하다.

분자량은 그 분자를 구성하고 있는 원자들의 원자량을 모두 합한 값이다. 햄버거의 무게는 그 안에 들어있는 빵, 고기, 상추, 피클 등의 무게를 합한 것과 같은 이치이다. 따라서 어떤 종류의 원자가 몇 개씩 모여 분자를 이루었는지를 알고 있다면 원자량으로부터 분자량을 쉽게 구할 수 있다. 수소의 원자량은 1이고 산소의 원자량은 16인데 물에는 수소 원자가 두 개, 산소 원자가 한 개 들어있기 때문에 물의 분자량은 18이다. 많은 경우에 물의 분자량은 성분 원소인 수소와 산소의 원자량 못지 않게 실제적으로 중요한 의미를 가진다. 우리가 햄버거를 사고 돈을 낼 때 당장 알아야 할 것은 그 안에 들어있는 빵, 고기, 야채 등의 제 각기 값보다는 햄버거 전체의 값인 것과 마찬가지이다.

그렇다면 분자량은 어떻게 알 수 있을까? 물론 어떤 분자에 들어있는 원자들의 종류와 수를 알면 원자량으로부터 분자량을 구할 수 있을 것이다. 그런데 복잡한 분자가 되면 그 안에 들어있는 원자들의 종류와 수를 알아내는 것이 분자량을 알아내는 것보다 더 어려운 경우가 많다. 오히려 분자량을 먼저 구하는 편이 원소 성분을 조사하는 데 도움이 될 수도 있다.

아보가드로의 원리와 기체의 분자량

지금 우리는 수소와 산소가 반응해서 물이 되는 반응을 2 H2 + O2 → 2 H2O 라고 쓴다. 그런데 19세기 초반에 분자설이 확립되기 이전에는 수소와 산소가 H2나 O2 같이 2원자분자로 존재한다는 사실이 쉽게 받아들여지지 않았다. 특히 돌턴은 기본입자인 원자의 중요성에 너무 집착한 나머지 수소와 산소가 H2, O2로 존재한다는 것을 받아들이기를 거부했고, 물을 HO로 생각했다. 따라서 그는 산소의 원자량을 8로 생각했다.

한편 1810년대에 아직 원자량의 값도 잘 알려지지 않았고 분자의 개념도 확립되기 이전에 이탈리아의 화학자 아보가드로는 같은 온도와 압력 하에서 같은 부피에는 분자의 종류에 관계없이 같은 수의 분자가 들어있다는 아보가드로의 원리를 제시했다. 같은 수의 원자가 아니라 같은 수의 분자가 들어있다는 말이다. 물을 전기분해 하면 수소와 산소가 부피 비로 2:1로 얻어진다. 이 결과에 아보가드로의 원리를 적용하면 물은 HO가 아니라 H2O인 것을 알 수 있다. 그렇다면 산소의 원자량은 8이 아니라 16인 것이 확실해진다.

아보가드로의 원리를 이용하면 같은 온도와 압력 하에서 기체의 밀도를 비교해서 분자량을 구할 수 있으리라는 것을 알 수 있다. 그런데 실제로 기체의 밀도를 정확히 측정하는 것은 쉽지 않다. 예를 들어 크기가 같은 두 개의 풍선을 각각 수소와 이산화탄소로 가득 채우고 그 안에 들어있는 기체의 무게를 측정했다고 하자. 공기보다 가벼운 수소의 무게를 정확히 측정하는 것은 더구나 어렵다. 왜냐하면 수소가 들어있는 풍선의 무게를 잴 때 풍선의 무게를 고려해야 하고, 또 풍선의 부피만큼의 공기의 무게에 해당하는 부력을 받는데 수소의 무게는 이 부력보다 훨씬 작기 때문이다. 아무튼 풍선 바깥의 압력은 1 기압으로 같을 테니까 같은 크기의 풍선 안에 들어있는 수소와 이산화탄소의 분자 수는 똑같고, 전체 질량의 비는 하나 하나 분자의 질량의 비, 즉 분자량의 비가 된다. 무 한 접과 배추 한 접의 무게의 비는 무 한 개와 배추 한 개의 무게의 비와 같은 것과 마찬가지이다.

19세기 초반에는 이렇게 기체 밀도의 비로부터 분자량을 측정했다. 사실은 이렇게 구한 분자량의 값으로부터 원자량을 구하거나 이미 알려진 원자량을 확인하기도 했다. 예를 들어서 밀도 측정으로부터 다음과 같은 기체의 분자량이 얻어졌다고 하자.

기체	분자량
수증기	18
산소	32
이산화탄소	44

이로부터 물에는 원자량이 1인 수소 원자(H) 두 개와 원자량이 16인 산소 원자가 한 개가 들어있고(H2O), 산소는 산소 원자 두 개가 결합된 2원자분자(O2)인 것을 추측할 수 있다. 우리가 호흡하는 공기 중의 산소가 원자량이 32인 원자 한 개로 이루어졌다면 위의 표에서 말한 산소의 분자량이 사실은 원자량이 되겠지만, 수소와 산소를 포함하는 물의 분자량이 18이 될 수는 없을 것이다. 이산화탄소(CO2)에는 원자량이 12인 탄소 원자 한 개와 원자량이 16인 산소 원자가 두 개가 들어있기 때문에 분자량이 44이다. 여기에서 볼 수 있듯이 아보가드로의 원리에 입각한 분자량의 측정은 화학의 발전에서 대단히 중요한 의미를 가진다.

퀴즈 1

탄성이 없는 가상적인 두 개의 풍선에 각각 수소(H2; 분자량 2)와 헬륨(He; 원자량 4)을 채워서 크기가 같게 만들었다. 풍선 안에 들어있는 기체의 압력은 바깥의 압력, 즉 대기압과 같다. 이 가상적 상황에서 아보가드로의 원리는 어느 것에 해당하나?

① 풍선에 들어있는 수소와 헬륨의 질량은 같다.

② 풍선에 들어있는 수소와 헬륨의 원자 수는 같다.

③ 풍선에 들어있는 수소의 원자 수는 헬륨의 원자 수의 2 배이다.

④ 위의 어느 것도 아니다.

실험 1에서 살펴보았듯이 이산화탄소는 우주에서 세 번째로 풍부하고 반응성이 높은 산소가 네 번째로 풍부한 탄소와 만든 화합물이다. 그런데 수소 분자이건, 물분자이건, 이산화탄소 분자이건 화학 결합에서 공통적으로 적용되는 규칙이 있다. 바로 원자의 최외각 전자수가 2이나 8이면 안정하다는 옥텟 규칙이다. (자연과학개론 8장) 19세기에 화학이 발전하는 과정에서 전자의 존재를 모르는 상태에서 원자가(valence)라는 개념이 생겨났고, 후일 전자가 발견되고 최외각 전자의 수에 입각해서 주기율이 재발견되면서 원자가도 옥텟 규칙과 관련지어 이해되게 되었다. 옥텟 규칙의 2와 8이라는 숫자는 주양자수(principal quantum number; n)가 1, 2, 3...인 전자껍질에 들어갈 수 있는 전자의 총수 2, 8, 18...에서 나온 것이다. (n과 이들 숫자 사이에는 어떤 관계가 있나 생각해보자)

옥텟 규칙을 만족시키는 불활성기체들은 마치 왕자병에나 걸린 듯 거드름을 피우며 다른 원소들을 거들떠보지도 않는다. 사실은 다른 원소들도 왕자가 되고 싶은 꿈을 제각기 간직하고 있다. 특히 할로겐족 원소는 그놈의 전자 하나만 있으면 나도 왕자 노릇을 할텐데 하고 안달이다. 특히 불소는 누구에게서나 물불 안 가리고 전자를 뺏는다. 내화재료로 사용되는 석면(石綿)도 불소를 만나면 불길이 일어난다니까. 그런가 하면 나트륨 같은 자선가인체 하는 놈도 알고 보면 저도 왕자 한번 되어 보자는 속셈이니 속 보이는 노릇이다. 어쨌든 화학의 기본인 옥텟 규칙의 배경에는 양자역학적인 원리가 자리잡고 있음을 잊지 말자.

퀴즈 2

다음의 개념이나 발견은 어떤 순서로 이루어졌을까?

․(   ) 원자론 (돌턴)	․(   ) 원자가

․(   ) 분자 (아보가드로)	․(   ) 옥텟 규칙

․(   ) 전자의 발견	․(   ) 오비탈

그런데 흥미로운 사실은 같은 산소와 결합을 이루었는데도 불구하고 수소는 끓는점이 섭씨 100도나 되는 물을 만들고, 탄소는 영하 78도에서 승화하는 이산화탄소를 만든다는 점이다. 즉 물은 표준상태에서 액체이고 이산화탄소는 기체이다. 물론 이러한 차이는 분자를 구성하는 원자들의 전기음성도와 분자의 3차원적 구조에 관계된다. (자연과학개론 10장) 이산화탄소는 극성이 없는 데도 불구하고 물에 어느 정도 녹는다. 탄산 음료에 쓰이는 이유이다. 뿐만 아니라 바다에서 탄생한 생명체가 광합성을 할 수 있었던 이유도 된다.

퀴즈 3

드라이아이스의 승화를 나타내는 그림은 어느 것인가? (▲이산화탄소, ○질소, ●산소)

읽을 거리

화석연료의 연소는 물론 체내에서 유기물의 산화 반응에서 생기는 이산화탄소는 상온과 상압에서 무색, 무미, 무취의 기체이다. 쉽게 만들 수 있는 이산화 탄소는 산업공장에서도 다양하게 활용될 뿐만 아니라 식품 첨가제로도 사용된다.

이산화탄소가 가장 많이 첨가되는 식품으로는 콜라나 사이다와 같은 탄산음료를 들 수 있다. 맥주와 샴페인에도 이산화탄소가 들어있다. 이산화탄소는 음료수에 거품을 일으키고 쏘는 듯한 맛을 내며 음료수가 상하는 것을 막아주는 다양한 역할을 한다. 탄산음료가 의학적으로 효과가 있다는 직접적인 증거는 없지만 수술 직후에 다른 음식을 먹지 못해서 생기는 메스꺼움을 완화하고 수분을 제공하기 위해서 사용되기도 힌다. 음료수에 이산화탄소를 녹이기 위해서는 고체의 이산화탄소인 드라이 아이스를 사용하거나 스테인레스로 만든 용기에 84 kg/cm-2 이상의 압력을 가해서 만든 액체 이산화탄소를 이용한다. 탄산음료에 더 많은 양의 이산화탄소를 녹게 만들기 위해서는 압력을 높이고 온도를 낮추어야 한다. 빵을 만들 때 사용하는 효모에는 사카로마이세스 세레비시에라는 발효균이 있어서 밀가루의 글루코스, 프럭토스, 말토스, 수크로스 등의 당을 발효시켜 이산화탄소와 에탄올로 만들어 낸다. 이산화탄소는 밀가루 반죽에 기포를 제공함으로써 빵 반죽이 부풀게 만들어 빵 특유의 특성이 나타나도록 만들어 준다.

뿐만 아니라 바다에서 탄생한 생명체가 광합성을 할 수 있었던 이유도 된다. 지구상에 생명체가 나타나게 된 과정에 대해서는 여러 가지 이론이 제기되어 왔다. 지구상에 생명체가 처음 출현한 것은 35-39억년 전이었던 것으로 알려져 있다. 화석 기록에 나타나는 가장 오래 된 생물체는 박테리아나 남세균(cyanobacteria)과 같이 세포벽이 없는 단세포 생물인 원핵생물이다. 25-28억년 전까지도 지구의 대기는 대부분 이산화탄소로 되어 있었다. 지구상에 나타나기 시작한 원핵생물들은 광합성 작용 등을 통해서 대기 중의 이산화탄소를 흡수해서 고정시키기 시작했다. 남조류는 지구 역사상 처음으로 물에서 전자와 수소를 공급받는 광합성 작용을 통해서 대기 중으로 산소 기체를 배출했던 것으로 알려져 있다. 그 이후 20억년 전부터 세포막으로 둘러싸이고 미토콘드리아와 세포핵을 가진 아메바 같은 단세포 진핵생물이 출현했으며, 진핵생물은 대기 중의 산소를 소비하면서 생명을 이어갔다. 이런 진핵생물은 선캄브리아의 후기(7-5억년전)까지 번성하였고, 그 이후부터 다양한 형태의 다세포 생물들이 출현하여 번성하기 시작하였다.

대기 중의 이산화탄소를 고정시키는 생명체가 과도하게 번성하면서 지구의 온도를 유지시켜주는 역할(온실효과)을 하던 이산화탄소가 감소하게 되었고, 그 결과 지구에는 빙하기가 도래하게 되었다. 빙하기가 끝난 후 에는 대기 중의 이산화탄소를 고정시키는 녹색식물과 대기 중으로 이산화탄소를 방출하는 동물이 균형을 이루면서 지구 대기권의 온도가 일정하게 유지되어 왔다. 그러나 최근에 인간에 의한 산업 활동이 급격히 증가하면서 대기 중으로 이산화탄소 배출량이 늘어나고, 이에 따라서 이산화탄소에 의한 온실효과가 너무 과도하게 되어 심각한 환경문제가 되고 있다.

퀴즈 4

얼음이 들어 있는 비커 속의 대기는 (20억 년 전 이전 태초의 대기, 오늘날의 대기)에 가깝다. 수 억 년에 걸쳐서 지구대기에 이산화탄소가 감소하고 산소가 증가한 후에야 육상에 동물이 출현할 수 있었다. 이러한 대기 변화의 이유가 될 수 없는 것은?

① 이산화탄소는 약간 물에 녹아 탄산이 된다.

② 바닷물에 녹아 들어간 금속 이온들은 이산화탄소의 용해도를 증가시킨다.

③ 바닷물 속에서 진화한 광합성 박테리아에 의하여 이산화탄소는 소모되고 산소가 배출되었다.

④ 산소의 용해도는 이산화탄소의 용해도보다 크다.

퀴즈 5

아이스와 드라이아이스의 차이를 설명하는 관점이 변해온 순서를 적으라.

․( ) 아이스는 물이라는 원소로, 드라이아이스는 물과는 다른 또 하나의 원소로 이루어졌다.

․( ) 아이스나 드라이아이스나 궁극적으로는 쿼크와 전자로 이루어졌다.

․( ) 아이스는 수소와 산소의 두 가지 다른 원소가 결합한 화합물이고, 드라이아이스는 탄소와 산소의 두 가지 다른 원소가 결합한 화합물이다.

․( ) 아이스를 구성하는 원소 중에서 수소는 빅뱅 당시에, 산소는 나중에 별의 내부에서 만들어졌고, 드라이아이스를 구성하는 탄소와 산소는 모두 별의 내부에서 만들어졌다.

․( ) 아이스도 드라이아이스도 모두 물이다.

․( ) 아이스나 드라이아이스를 구성하는 원자들은 모두 양성자, 중성자, 전자로 이루어졌다.

실험 1: 이산화탄소의 삼중점 부근의 상 변화 관찰

실험 기구 및 시약

드라이버, 철 조임새 2개, 니플, Tygon Tube (30cm)

깔대기, 파라필름, 가위, 종이, 저울, 장갑, 망치

실험 과정

1. 드라이아이스 대략 10g을 가루로 만들어 깔대기를 사용, 타이곤 튜브에 넣는다. (종이 위에서 드라이아이스를 부순다. 정확하게 질량을 측정할 필요는 없다.)

2. 타이곤 튜브 양끝을 니플로 연결하고 승화하는 가스가 공기를 밀어내도록 잠시 기다린다.

3. 테플론으로 튜브 이음새를 가능한 빨리 감싼다. (사진)

4. 조임새로 니플 안쪽, 즉 튜브 이음새 옆을 꽉 죈다. 가스 새는 소리가 나지 않을 때까지 기다 린다.

5. 손으로 튜브를 문지르면 드라이아이스가 더 빨리 액화된다.

6. 바킹 하나의 조임새를 조금 풀어주면 액화된 이산화탄소가 응고되는 현상을 볼 수 있다.

실험 2: 이산화탄소의 분자량 측정

우주의 원소 분포는 원자의 개수 비를 생각하면 수소를 1로 했을 때 헬륨은 0.063, 산소는 0.0008, 탄소는 0.0005, 질소는 0.0001, 네온은 0.000093순서이다. 이 중에서 반응성이 제일 높은 (    )가 우주에서 원자 개수가 제일 많은 (    )와 만든 화합물이 바로 (    )이다. (    )은 반응성이 없기 때문에 이 반응성이 제일 높은 원소와도 화합물을 만들지 않는다. 이 원소가 그 다음으로 많은 (    )와 만든 화합물이 (    )이다. 그러니까 지금 우리는 자연에서 가장 중요한 화합물 중 두 가지를 보고 있는 것이다.

원리

압력과 온도가 동일한 조건에서 기체 시료의 총 부피는 그 물질량에 비례하며 그 비례상수는 기체의 종류에 무관하다. 즉 V=상수×n(일정한 압력과 온도에서) 이라고 할 수 있고 이러한 결론은 현대적 형식의 Avogadro의 법칙이라고 말할 수 있다.

이와 같이 아보가드로 법칙과 이상기체상태 방정식을 이용하여 이산화탄소의 분자량을 측정할 수 있다.

[eqn: M = wRT over pV]	M : M' = w : w'

실험 기구 및 시약

삼각 플라스크, 전자 저울(0.001그램), 드라이아이스, 물.

온도계, 메스실린더, 유리판, 장갑, 휴지, 약수저, 망치.

삼각플라스크, 스탠드, ......

실험 과정

위의 기구들이 주어져 있을 때, 이산화탄소의 분자량을 측정하는 실험을 고안해 보자. 자신이 고안한 실험 방법에서 측정할 양들을 미리 생각하고, 이를 A, B, C로 표시하자. 그리고, 이들로부터 이산화탄소의 분자량을 계산하는 식을 쓰자. (실험 시작 전에 발표 및 토의를 할 수 있도록 조별로 준비해 올 것.)

실험결과

․A	_____________

․B	_____________

․C	_____________

․이산화탄소의 분자량	_____________ g/mol

․오차율	_____________ %

생각할 문제

1. 고체 상태의 얼음과 드라이아이스에서 한 분자가 차지하는 평균 부피는 얼마인가?  또 한 분자에 1차원적으로 허용되는 평균거리는 얼마인가?

	얼음	드라이아이스
d	0.92 g/㎤	1.56 g/㎤
1몰	㎤	㎤
분자 한 개가 차지하는 부피
1차원적으로 허용되는 거리

․아보가드로수가 정확하게 알려진 것은 100년이 채 안된다. 19세기에 얼음과 드라이아이스 각각의 밀도로부터 물과 이산화탄소 분자의 분자량을 결정하려고 하였다면 어떤 문제에 부닥쳤을까?

․핵심 기체의 어떠한 성질이 분자량 측정을 가능하게 하나?

2. 기체 상태란 무엇인가?

① 두 개의 PET병에 각각 약간의 물을 넣고 한 쪽에는 얼음, 다른 쪽에는 드라이아이스 한 조각을 넣고 꼭지에 풍선을 씌운다. 어느 쪽의 풍선이 부풀어 오르나? (1기압 하에서 드라이아이스는 -79℃에서 승화한다. 드라이아이스를 실온의 물에 넣는 것은 물을 끓는 온도로 가열하는 것에 해당한다.)

② 1몰의 기체는 표준상태에서 22.4L의 부피를 차지한다. 기체상태에서 한 분자가 차지하는 평균 부피는 얼마인가?

③ 또 한 분자에게 1차원적으로 허용되는 평균거리는 얼마인가? 이 거리는 얼음이나 드라이아이스의 경우보다 몇 배나 더 큰가?

④ 물이나 이산화탄소 분자를 사람의 크기로 확대하면 얼음 또는 물이나 드라이아이스의 경우는 평균적으로 한 사람의 키에 비해, 얼마 정도 크기의 방에 갇혀있는 셈인가? 기체의 경우는?

3. 왜 물은 100℃가 되어야 끓는데 드라이아이스는 -79℃에서 승화하나? 물과 이산화탄소의 분자구조를 그리고 이중결합, 비공유전자쌍의 위치를 나타내라. 모든 공유결합의 극성을 화살표로 나타내고 분자 전체의 극성이 어떤 값을 가질지 생각해 보라. (전기음성도: 산소 3.5, 탄소 2.5, 수소 2.1)