이 실험 소개
긴 유리관 한쪽 끝에는 암모니아 수용액을 적신 솜마개를, 다른 쪽 끝에는 진한 염산을 적신 솜마개를 넣습니다. 누구도 기체를 불어 넣지 않지만, 몇 분 뒤 관 안에 염화암모늄의 흰 고리가 나타납니다. 고리는 가운데가 아니라 염화수소 쪽에 더 가까운 곳에 생깁니다. 암모니아 분자는 더 가벼워 더 빠르게 움직이고 같은 시간 동안 더 멀리 확산되기 때문입니다. 실험을 실행하고 기체와 관을 바꿔 보면서 고리의 위치를 그레이엄 법칙의 예측과 비교해 보세요.
학습 목표
- 확산을 입자가 고농도에서 저농도로 순수하게 퍼져 나가는 현상으로 설명하기
- 고리가 염화 수소 쪽 끝에 더 가까이 형성되는 이유 설명하기
- 기체 입자의 속도를 몰 질량과 연관 짓기
- 그레이엄의 법칙을 사용해 두 기체가 만나는 위치를 예측하기
- 기체 분자는 매우 빠르게 움직이는데도 장거리 확산이 느린 이유 설명하기
사용 방법
- 1기본 실험을 시작하세요. 고리는 어디에 나타나나요? 양쪽 끝에서부터의 거리를 측정하세요.
- 2고리가 형성되기 전의 두 농도 곡선을 비교하세요. 어느 기체가 더 멀리 퍼졌나요?
- 3HCl을 HBr로 바꾸세요. 고리는 산 쪽 끝을 향해 이동하나요, 아니면 멀어지나요? 그 이유는 무엇인가요?
- 4NH₃를 메틸아민으로 바꾸세요. 고리의 위치는 어떻게 달라지나요?
- 5관의 길이를 절반으로 줄이세요. 고리가 나타나는 데 걸리는 시간은 어떻게 달라지나요? 절반으로 줄어드나요?
- 6고리의 위치를 점선으로 표시된 그레이엄의 법칙 예측과 비교하기.
모델
가정
- 각 기체는 관을 따라 정지한 공기 속으로 확산됩니다. 확산 계수는 몰 질량의 제곱근에 반비례하며, 암모니아의 확산 계수는 0.23 cm²/s입니다.
- 솜마개는 양쪽 끝의 농도를 일정하게 유지합니다. 두 기체는 서로 반응하기 전까지 서로의 확산을 방해하지 않습니다.
- 두 농도의 곱이 처음으로 일정한 임계값에 도달하는 지점에 고리가 나타납니다. 실제 고리의 위치는 기류와 마개가 용액에 얼마나 잘 적셔졌는지에 따라 몇 센티미터 정도 달라질 수 있습니다.
- 관은 실온입니다. 표시되는 시간은 실제 시간이며, 속도 버튼은 화면 속 시계가 가는 속도만 바꿉니다.
수업에서 해 보기
- Q1실온에서 기체 분자는 초당 수백 미터의 속도로 움직입니다. 그런데 왜 고리가 생기는 데 몇 분이나 걸릴까요?
- Q2몰 질량을 사용해 고리가 HCl 쪽에 더 가까이 생기는 이유를 설명하세요.
- Q3NH₃와 HCl을 사용해 길이 60 cm인 관에서 실험한다면 고리가 생길 위치를 예측하세요.
- Q4관을 따뜻하게 하면 고리가 생기는 데 걸리는 시간은 어떻게 달라질까요?
- Q5이 실험은 왜 흄 후드 안에서 해야 하나요?
자주 묻는 질문
시뮬레이션에서 고리가 그레이엄의 법칙이 예측하는 위치와 정확히 일치하지 않는 이유는 무엇인가요?
그레이엄의 법칙은 작은 구멍을 통해 기체가 빠져나가는 현상을 설명합니다. 관 안에서는 분자들이 공기 중으로 확산하며, 퍼져 나가는 거리는 시간의 제곱근에 비례해 증가합니다. 두 기체가 반응할 만큼 충분한 농도에 이르는 지점에 고리가 형성됩니다. 이 지점은 그레이엄의 법칙에 따른 추정값과 가깝지만 정확히 일치하지는 않습니다.
실험을 실제로 안전하게 준비하려면 어떻게 해야 하나요?
흄 후드 안에서 작업하고 보안경과 장갑을 착용하세요. 핀셋을 사용해 약품을 적신 솜을 마른 유리관 양쪽 끝에 동시에 넣으세요. 양쪽 끝을 마개로 막고 관을 움직이지 않게 수평으로 유지하세요.
관이 더 길면 왜 시간이 훨씬 더 오래 걸리나요?
확산 거리는 시간의 제곱근에 비례해 늘어납니다. 두 배 먼 곳에 도달하려면 기체는 약 네 배의 시간이 필요하므로, 관의 길이를 두 배로 늘리면 고리가 나타나는 데도 약 네 배의 시간이 걸립니다.