몰 분율과 부분 압력 법칙

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몰 분율과 부분 압력 법칙을 나타내는 분자 그림과 P=P₁+P₂ 수식 아이콘

혼합물의 전체 몰 수에 대한 성분 기체의 몰 수인 몰 분율과 부분 압력 법칙에 따른 각 성분 기체의 부분 압력, 전체 압력의 관계를 설명합니다.

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PV=nRT와 이상 기체 법칙 텍스트가 있는 주황색 아이콘 용액 속 입자와 위아래 화살표로 표현한 동적 평형 아이콘 헨리 법칙을 나타내는 기체와 액체 아이콘 삼각형과 상승 화살표로 표현한 단열 변화와 단열 감률 아이콘

몰 분율

혼합물에서 어떤 물질 A\mathrm{A}의 몰 분율과 몰 수를 각각 XAX_{\mathrm{A}}, nAn_{\mathrm{A}}라 하고, 혼합물의 전체 몰 수를 n전체n_{\text{전체}}이라 할 때, XA=nAn전체X_{\mathrm{A}} = \dfrac{n_{\mathrm{A}}}{n_{\text{전체}}}이다.

몰 분율 예시

그림과 같이 강철 용기에 He(g)\mathrm{He}(g)와 N2(g)\mathrm{N_{2}}(g)가 각각 8 g8\,\mathrm{g}, 28 g28\,\mathrm{g}만큼 들어 있다.
He(g)\mathrm{He}(g)와 N2(g)\mathrm{N_{2}}(g)의 몰 분율인 XHeX_{\mathrm{He}}, XN2X_{\mathrm{N_{2}}}를 구해보자. (He\mathrm{He}, N\mathrm{N}의 원자량은 각각 44, 1414로 가정한다.)

원형 용기 안 헬륨 8 g과 질소 28 g 표기

따라서 XHe=2 mol3 mol=23X_{\mathrm{He}} = \dfrac{2\,\mathrm{mol}}{3\,\mathrm{mol}} = \dfrac{2}{3}, XN2=1 mol3 mol=13X_{\mathrm{N_{2}}} = \dfrac{1\,\mathrm{mol}}{3\,\mathrm{mol}} = \dfrac{1}{3}이다.

부분 압력

서로 다른 기체가 같은 용기 속에 혼합되어 있을 때, 각 성분 기체가 나타내는 압력이다.
부분 압력은 각 성분 기체의 몰 수를 이상 기체 법칙에 적용하여 구할 수 있다.

부분 압력 법칙

혼합 기체의 전체 압력은 각 성분 기체의 부분 압력의 합과 같으며,
각 성분 기체의 부분 압력은 '혼합 기체의 전체 압력'과 '성분 기체의 몰 분율'의 곱과 같다.

예를 들어 아래 그림과 같이 온도 TT에서 기체 A\mathrm{A}와 B\mathrm{B}가 한 용기에 혼합되어 있고,
A\mathrm{A}와 B\mathrm{B}의 부분 압력을 각각 PAP_{\mathrm{A}}, PBP_{\mathrm{B}}, 몰 수를 각각 nAn_{\mathrm{A}}, nBn_{\mathrm{B}}라 할 때,
이상 기체 법칙에 의해 PAV=nARTP_{\mathrm{A}}V = n_{\mathrm{A}}RT, PBV=nBRTP_{\mathrm{B}}V = n_{\mathrm{B}}RT이다.
또한 기체의 전체 압력(P전체)(P_{\text{전체}})은 각 성분 기체의 부분 압력의 합인 PA+PBP_{\mathrm{A}} + P_{\mathrm{B}}와 같다.

기체 A와 B의 부분 압력 및 전체 압력 관계를 나타낸 도식

P전체P_{\text{전체}}는 혼합물의 전체 몰 수(n전체=nA+nB)(n_{\text{전체}} = n_{\mathrm{A}} + n_{\mathrm{B}})를 이상 기체 법칙에 적용하여
P전체V=n전체RTP_{\text{전체}}V = n_{\text{전체}}RT로도 구할 수 있다.

A\mathrm{A}의 몰 분율을 XAX_{\mathrm{A}}라 할 때,
P전체V=n전체RTP_{\text{전체}}V = n_{\text{전체}}RT에서 R=P전체Vn전체TR = \dfrac{P_{\text{전체}}V}{n_{\text{전체}}T}이고,
PAV=nARTP_{\mathrm{A}}V = n_{\mathrm{A}}RT에서 R=PAVnATR = \dfrac{P_{\mathrm{A}}V}{n_{\mathrm{A}}T}이므로
P전체Vn전체T=PAVnAT\dfrac{P_{\text{전체}}V}{n_{\text{전체}}T} = \dfrac{P_{\mathrm{A}}V}{n_{\mathrm{A}}T},
P전체×nAn전체=PAP_{\text{전체}} \times \dfrac{n_{\mathrm{A}}}{n_{\text{전체}}} = P_{\mathrm{A}}이다.

이때 nAn전체=XA\dfrac{n_{\mathrm{A}}}{n_{\text{전체}}} = X_{\mathrm{A}}이므로 P전체XA=PAP_{\text{전체}}X_{\mathrm{A}} = P_{\mathrm{A}}이다.

이를 통해 각 성분 기체의 부분 압력은 전체 압력과 몰 분율의 곱과 같음을 알 수 있다.

부분 압력 법칙 예시

∘\circ 부분 압력 구하기 예시:

그림과 같이 온도 TT에서 강철 용기에 He(g)\mathrm{He}(g)와 Ar(g)\mathrm{Ar}(g)이 각각 2 mol2\,\mathrm{mol}, 1 mol1\,\mathrm{mol}만큼 들어 있고, 전체 압력이 6 atm6\,\mathrm{atm}이다.
He(g)\mathrm{He}(g)와 Ar(g)\mathrm{Ar}(g)의 부분 압력인 PHeP_{\mathrm{He}}, PArP_{\mathrm{Ar}}을 구해보자.

헬륨 2몰과 아르곤 1몰, 전체 압력 6기압이 표시된 기체 혼합물 도식

∘\circ 전체 압력과 부분 압력 구하기 예시:

그림은 온도 TT에서 꼭지로 분리된 두 강철 용기에 He(g)\mathrm{He}(g)와 Ne(g)\mathrm{Ne}(g)를 넣은 초기 상태를 나타낸 것이다.
꼭지를 열고 충분한 시간이 흘렀을 때 전체 압력과 He(g)\mathrm{He}(g), Ne(g)\mathrm{Ne}(g)의 부분 압력을 구해보자. (온도는 일정하고, 연결관의 부피는 무시한다.)

밸브로 연결된 헬륨과 네온 기체 용기의 압력·부피 표시

He(g)\mathrm{He}(g)와 Ne(g)\mathrm{Ne}(g)의 몰 수를 각각 nHen_{\mathrm{He}}, nNen_{\mathrm{Ne}}, 기체 상수를 RR이라 할 때 꼭지를 열기 전 이상 기체 법칙에 의해
2 atm×3 L=nHeR×T2\,\mathrm{atm} \times 3\,\mathrm{L} = n_{\mathrm{He}}R \times T, nHe=6 atm⋅LRTn_{\mathrm{He}} = \dfrac{6\,\mathrm{atm·L}}{RT},
6 atm×1 L=nNeR×T6\,\mathrm{atm} \times 1\,\mathrm{L} = n_{\mathrm{Ne}}R \times T, nNe=6 atm⋅LRTn_{\mathrm{Ne}} = \dfrac{6\,\mathrm{atm·L}}{RT}이므로
nHen_{\mathrm{He}}를 nn이라 할 때,
nHe=nNe=n=6 atm⋅LRTn_{\mathrm{He}} = n_{\mathrm{Ne}} = n = \dfrac{6\,\mathrm{atm·L}}{RT}⋯①이다.

전체 몰 수는 2n2n이므로 꼭지를 열고 충분한 시간이 흐른 후 전체 압력을 P전체P_{\text{전체}}라 하면
P전체×(3 L+1 L)=2n×R×TP_{\text{전체}} \times (3\,\mathrm{L} + 1\,\mathrm{L}) = 2n \times R \times T에서 ①을 대입하면
P전체×4 L=2×6 atm⋅LRT×R×TP_{\text{전체}} \times 4\,\mathrm{L} = 2 \times \dfrac{6\,\mathrm{atm·L}}{RT} \times R \times T,
P전체=3 atmP_{\text{전체}} = 3\,\mathrm{atm}이다.

He(g)\mathrm{He}(g)의 몰 분율은 nHen전체=n2n=12\dfrac{n_{\mathrm{He}}}{n_{\text{전체}}} = \dfrac{n}{2n} = \dfrac{1}{2}이므로 He(g)\mathrm{He}(g)의 부분 압력은 3 atm×12=32 atm3\,\mathrm{atm} \times \dfrac{1}{2} = \dfrac{3}{2}\,\mathrm{atm}이고,
Ne(g)\mathrm{Ne}(g)의 몰 분율은 nNen전체=n2n=12\dfrac{n_{\mathrm{Ne}}}{n_{\text{전체}}} = \dfrac{n}{2n} = \dfrac{1}{2}이므로 Ne(g)\mathrm{Ne}(g)의 부분 압력은 3 atm×12=32 atm3\,\mathrm{atm} \times \dfrac{1}{2} = \dfrac{3}{2}\,\mathrm{atm}이다.

꼭지를 열고 충분한 시간이 흐른 후 He(g)\mathrm{He}(g), Ne(g)\mathrm{Ne}(g)의 부분 압력을 각각 PHeP_{\mathrm{He}}, PNeP_{\mathrm{Ne}}라 할 때 이상 기체 법칙을 적용하면 아래와 같다.

전체 압력(P전체)(P_{\text{전체}})은 각 성분 기체의 부분 압력의 합과 같으므로
P전체=32 atm+32 atm=3 atmP_{\text{전체}} = \dfrac{3}{2}\,\mathrm{atm} + \dfrac{3}{2}\,\mathrm{atm} = 3\,\mathrm{atm}이다.

적용 문항

1번 문항


He와 Ne 기체의 질량이 표시된 용기와 He의 몰 분율을 묻는 화학 문항

2번 문항


온도 T에서 Ne와 Ar 기체를 연결한 용기의 몰 분율과 부분 압력 문항