2. 단위계
화학뿐만 아니라 모든 과학은 앞서 언급한 바와 같이 실험을 통해 이론이나 법칙을 규명하거나 보완해야만 한다. 따라서 실험값의 측정을 위해서는 측정값의 단위가 매우 중요하다 즉, 거리를 측정한다면 미터(m), 인치(in), 피트(feet) 등의 단위를 사용하며 질량을 측정하기 위해서는 그램(g), 파운드(lb), 킬로그램(kg) 등의 단위가 반드시 필요하고 부피의 경우에는 입방미터(㎥), 입방인치(in3), 리터(ℓ)등의 단위가 반드시 필요하다 그러나 이러한 측정값의 단위는 국가나 실험자에 따라 다르기 때문에 특별히 통일된 단위가 필요하였다. 그리하여 1791년 프랑스 과학기술위원회는 현재 가장 널리 사용되는 단위인 미터법을 고안하였다.
이 단위계는 대다수의 국가에서 폭 넓게 사용되었다. 그러나 몇 몇 유럽국가나 미주 국가에서는 질량단위로 파운드, 길이 단위로 피트를 사용하는 FPS단위계를 주로 사용하였다. 따라서 통일된 단위계의 필요성이 절실해 졌으며 이에 따라 1960년 도량형에 관한 표준화기구에 의해 국제단위로 미터법을 기준으로 한 SI단위계(System International Unit)가 채택 되었다.
SI단위계는 7개의 기본 단위를 가지고 있으며 다른 유도단위는 측정값에 따라 기본단위의 조합에 의해 결정되었으며 10진법의 접두어로서 측정치의 배수와 약수를 나타내는 접두어를 나타내었다.
여기서 온도단위인 절대온도(K, Kelvin)는 섭씨온도에 273.15를 더한 값이다.
T(K) = T(℃) + 273.15
한편 SI단위계에서 사용되는 대표적인 유도단위 몇 가지를 살펴보면 부피는 ㎥이며 주로 사용되던 리터(ℓ)의 1000배에 해당하는 값이다.
1ℓ = 10-3m3 = 1000mℓ
압력에 대한 SI단위는 파스칼(Pa, N/m2)이나 이 단위가 매우 적기 때문에 두 개의 또다른 단위가 사용되며 그것은 대기압(atm)과 mmHg 또는 Toor라고 하는 수은주 단위이다.
1atm=1.01325 × 105N/m2=1.01325 × 105Pa=101.325KPa
1atm=760mmHg=760Toor
◉ SI 접두어
․ 10 : deka(d)----데카․ 102 : hecto(h)------헥토
․ 103 : kilo(k)-----킬로․ 106 : mega(M)-----메가
․ 109 : giga(G)----기가․ 1012 : tera(T)-------테라
․ 10-1 : deci(d)----데시․ 10-2 : cenci(c)------센티
․ 10-3 : mili(m)----밀리․ 10-6 : micro(μ)----미크로
․ 10-9 : nano(n)---나노․ 10-12 : pico(p)-------피코
가. 물질의 밀도와 비중
만약 한 개의 물질이 특별한 체적을 갖으며 그 질량이 확인된 경우에 그 질량을 체적으로 나눈 값을 밀도라 하며 4℃ 물의 밀도로 어떤 물질의 밀도를 나누어준 값을 비중이라 한다.
밀도 = 질량 ÷ 체적 또는 D = M ÷ V 으로 표시함
예를 들어 4℃ 물 1㎤는 1g의 무게를 가진다 따라서 물의 밀도는 1g/㎤이며 비중은 1.00이 다음 방법으로 측정을 하면 납은 1㎤당 11.34g 이므로 밀도는 11.34g/㎤ 이고 비중은 11.34이다. 또한 어떤 물질의 밀도와 그것과 같은 체적의 4℃ 물의 밀도비를 비중이라 하며 이 값은 단위가 없는 무차원수이다.
비중 = 물질의 밀도 ÷ 4℃ 물의 밀도
비중 = 물질의 중량 ÷ 동일체적의 물의 중량
예를들어 구리 덩어리의 중량이 100g이고 그것과 같은 체적의 물의 무게가 40g이었다 라고 하면 그 구리 덩어리는 100/40 또는 물의 2.5배의 무게를 갖는 것이 된다. 여기서 구리의 비중은 2.5가 된다. 그 물질의 무게를 재고 다음에 그것과 같은 체적의 물의 중량을 재는 것이다. 이 두 개의 수의 비가 그 물질의 비중이 된다. 액체의 비중은 물과의 비교로 측정되어 진다. 따라서 만약 이를 액체가 1이하 비중을 가진 그리고 그것들이 물과 섞이지 않는 경우에는 액체는 물위에 떠오르게 된다 공업용으로 사용되는 액체로 물에 뜨는 물질은 많이 존재한다. 또 액체중에는 1.0보다도 큰 비중을 가진 물질이 있다. 이 액체는 물보다도 무겁다 물보다 가벼운 가연성 액체의 화재시에 소화제로 물을 사용하는 것은 유효하지 않다. 왜냐하면 물은 타고 있는 액체 밑으로 가라앉아 버리기 때문이다. 만약 그 액체가 용기속에 있지 않은 경우에 물은 가연성 액체를 확산시켜 화재범위를 확대시키기 때문이다. 액체와 고체 경우 비중은 그 중량과 물의 중량과의 비교로 행해지나 증기의 경우에는 가스 중량의 비교로 나타낸다. 어떤 가스 또는 어떤 액체의 증기 중량과 공기의 중량에 대한 비를 그 가스 또는 증기 밀도라 부르고 있다.
즉, 기체의 밀도나 비중은 기체의 밀도나 중량을 공기의 밀도나 동일체적을 갖는 공기의 중량으로 나눈 값을 기체의 비중이라 한다. 건조한 공기 그것은 실제는 여러개의 기체 혼합물이지만 공기는 1.29g/ℓ의 밀도를 가지고 있다. 여기서 기체의 산소 밀도는 1.43g/ℓ이기 때문에 산소 기체 비중은 공기에 대해 1.11이 된다. 여기서 주의해야 할 점은 액체나 고체의 경우에서와 마찬가지로 기체의 밀도를 표시할 때는 온도를 반드시 표시해야 하며 특별히 온도가 표현되지 않는 경우에는 0℃, 1기압상태를 나타내며 이때의 모든 기체의 밀도는 분자량을 몰부피 즉, 22.4ℓ/mole로 나눈 값이 된다. 따라서 기체의 0℃, 1기압하에서는 비중은 분자량의 비와 같다.
산소 기체 비중 = 산소밀도 ÷ 공기밀도 = 1.43 ÷ 1.29 = 1.11
기체의 밀도 = 분자량 ÷ 22.4(g/ℓ),(0℃, 1기압)
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가스(기체) 밀도( g/ℓ, 0℃) 기체비중(공기=1) |
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아세틸렌 1.16 0.899 암모니아 0.76 0.589 이산화 탄소 1.96 1.52 일산화 탄소 1.25 0.969 염 소 3.17 2.46 불 소 1.70 1.32 수 1.09 0.07 염화수소 1.63 1.26 시안화수소 1.21 0.938 황화수소 1.52 1.18 메 탄 0.714 0.553 질 소 1.25 0.969 산 소 1.43 1.11 오 존 2.14 1.66 프로판 1.96 1.52 이산화황 2.86 2.22 |
≪표 1. 위험성이 있는 기체비중 ≫
몇 가지의 일반적인 기체 비중은 아래의 표에 기재되어 있다. 어떤 기체 비중을 아는 것은 그 위험물 성격의 평가에 도움이 된다. 만약 어떤 가스의 기체 비중이 1.0보다 큰 경우에는 그 가스는 공기보다도 무거운 것이 된다. 이런 종류의 가스가 밀폐된 실내에 놓여진 용기에서 누출되었을 경우 그것은 마루 근처에 높은 농도로 한 곳에 모여서 낮은 부분으로 흘러가는 경향을 나타낸다. 가연성 가스 또는 가연성 액체의 증기가 어느 농도이상이 되면 특히 중대한 화재의 위험을 갖게 된다 만약 그 물질이 건강상 위험을 일으키게 되며 인화성인 경우 누출을 탐지할 수 없어 대형화재의 원인이 되기도 한다.
문제) 비중이 1보다 적은 물질인 유기물의 소화에는 물을 소화제로 사용할 수 없다. 그 이유는?
문제) 독성이 있거나 가연성 기체의 비중이 1.0보다 크다면 어떠한 위험성이 있는지 설명하라.
나. 온 도
열과 온도는 밀접한 관계가 있다. 즉, 뜨겁고 차가운 정도를 검지할 수 있는 척도가 온도이며 온도라는 것은 물체가 갖는 열을 정량화는 방법이다.
온도계는 물질의 온도를 측정하기 위해서 가장 보편적으로 이용되는 계기이다. 온도계의 눈금에는 몇가지의 종류가 있다. 각각의 눈금은 온도에 의해 정확하게 변화하는 물질의 성질을 이용해서 만들어져 있으며 예를 들어 열에 대한 액주의 길이 금속선의 전기저항, 가스의 압력 또는 체적 변화 등의 성질이다. 어떤 눈금을 결정하기 위해서 2개의 표준이 되는 점이 선택되고 이들을 쌍방에 대해서 적당한 값으로 분배된다. 빙점이라 불리는 1개의 기준 온도는 해면의 높이에서 공기로 포화된 물이 어는 온도이다. 비점이라 불리는 제2의 온도는 같은 해면의 높이에서 순수한 물을 비등시키는 온도이다. 미국에서 보통 이용되고 있는 화씨 온도 눈금으로는 그들의 온도는 각각 32℉와 212℉로 규정되어 있다. 이것에 비해서 세계 대부분의 나라에서 사용되고 있는 섭씨 눈금에 대해서는 빙점은 0℃, 그리고 비점은 100℃로 된다. 섭씨온도 눈금은 또 전세계를 통해 과학적인 일에 일반적으로 이용되고 있다.
유리관에 액체를 넣어 봉한 액주온도계를 이용하면 이들 기준의 온도범위내의 어는 온도라도 측정할 수 있다. 섭씨 눈금에서는 액주의 높이를 빙점과 비점사이에서 100등분하고 있다. 그 하나의 구분은 섭씨 1도와 같고 그것은 1℃처럼 약자로 기록되고 있다. 1℃에서 다음으로 온도 구분의 크기는 손쉽게 측정할 수 있도록 되어 있기 때문에 그 온도 눈금은 비점에서부터 빙점까지 연장할 수 있다. 화씨의 온도계는 32도와 212도의 사이를 180등분으로 나누어 놓았다. 각 구분은 화씨의 1도이며 그것은 1℉로 줄여 기록된다. 이두가지 섭씨온도와 화씨온도의 관계는 다음 식으로 표현된다.
T(℉) = 1.8T(℃) + 32
수은은 대부분의 온도계에 이용되고 있는 액체이다. 수은은 -40℃에서 응고하며 약 360℃에서 기화하게 된다. 따라서 수은을 넣은 보통의 온도계는 -40℃에서 360℃까지의 제한된 온도범위에서 이용될 뿐이다. 이 온도범위 밖에서는 다른 장치가 온도 측정에 이용되게 된다. 예를 들어 열전대 저항온도계 및 고온계 등이 있다.
과학적이론 또는 실험은 도달 할 수 있는 최저의 온도한계가 있는 것을 명확하게 하고 있다. 그 최저 온도 -273.15℃에서 그것을 절대 영도라 부른다 여기서 켈빈 온도 눈금 즉, 절대온도는 다음과 같이 규정된다.
T(K) = T(℃) + 273.15
문제) 어떤 사람의 체온이 403 K 였다면 이 사람은 정상체온인가?