Chapter 10_아보가드로(Amedeo Avogadro)

Chapter 10을 들어가면서, 잠시 이 인물에 대해 알아보자. 거의 250년전에 이탈리아 토리노에서 태어난 아메데오 아보가드로, 그는 물리학자이면서 화학자였다. 실제 본명은 로렌초 로마노 아메데오 카를로 아보가드로 디 콰레크나 에 디 세레토 (Lorenzo Romano Amedeo Carlo Avogadro di Quarequa e di Cerreto)이다.  그의 아버지는 당시 사르데냐 왕국 피에몬테 지방에서 법률가와 의회의원으로 활동하였는데, 이에 영향으로 아보가드로 역시 법률공부를 하게되어 1796년에 법학박사 학위를 취득한 인물이기도 하다. 그후 법률가의 삶을 살아가면서 수학과 물리학을 스스로 독학하면서 전기와 관련한 논문을 출판하게 된다. 이러한 특이한 그의 천재성은 결국, 현대 과학에서 항상 언급되는 "물질의 기본 입자 수"로 즉, 아보가드로 수를 설명하는데, 기체이론과 분자 개념 발전에 크게 기여한 인물이기도 하다. 그렇다면, 아보가드로 수 (Avogadro's Number, 6.022×10²³개)의 대해 알아보자.

출처:Wikipedia

0. Avogadro's Number, 6.022×10²³개

1몰 (mol)에 해당하는 "입자의 수"를 의미한다.

그렇다면, 입자란 무엇을 의미할까? 그것은 원자, 분자, 이온 등을 말하는데, 즉, 어떤 물질 1몰이라면 그 속에 약 6.022×10²³개의 입자가 들어 있음을 의미한다.

 

이것을 비유로 설명하면,

연필을 세는 단위를 다스라고 표현하는데, 즉, 1다스 = 12개, 그렇다면, 1몰 = 원자나 분자  6.022×10²³개 임을 의미한다. 이해 했으리라 본다.

 

그렇다면, 아보가드로의 법칙은 무엇일까?

그것은,"같은 온도와 압력에서, 같은 부피의 기체는 같은 수의 분자를 가진다"라고 말할 수 있는데, 수소 1L와 산소 1L는 조건이 같다면 분자 수는 같게 되고, 이는 기체의 종류에 관계없이 분자 수가 일정 함을 말한다. 

아보가드로 수

 

이젠, 아보가드로 수를 측정하는 방법을 알아보자.

1. 몰 질량과 원자 질량 이용하기

아보가드로수의 정의는 이렇게 표현하는데

아보가드로 수 = 1몰의 질량 / 한 개 입자의 질량

 

예를 들면, 탄소 1몰은 12g으로 정의되는데, 탄소 원자 하나의 질량은 대략 1.9926 X 10²³g이다.

계산 방법

2. X선 결정학을 이용한 결정 구조 측정

대표 실험: 실리콘 결정법 (Silicon Sphere Method)

• 실리콘은 규칙적인 결정 구조를 가지므로 원자 배열과 밀도를 정밀하게 측정이 가능 하다.
• 단계 요약:
  1. 완벽한 실리콘 구체(kg 단위)를 제작함
  2. X선 회절로 격자 간격 측정
  3. 전체 부피 ÷ 단위 격자 부피 = 격자 수
  4. 격자당 원자 수 × 격자 수 = 총 원자 수
  5. 이 수치를 통해 아보가드로 수 계산 가능

이 방법은 국제 도량형국(BIPM)에서도 사용하며, 2019년 킬로그램의 정의 개정에도 기여하게 되었다.

3. 플랑크 상수(h)와 몰 질량 상수(NₐR) 이용

2019년 이후, 아보가드로 수는 정확히 정의된 상수로는 다음과 같다.

아보가드로 수

이 수치는 플랑크 상수와 빛의 속도, 세슘 주파수 등 정밀 측정 가능한 상수와 연결되어 결정된 값이다. 

 

왜 이렇게까지 아보가드로수의 대해 설명하는 이유는 앞으로 Chapter 10에서 기체 등을 배우게 될텐데, 그때 위와 같은 내용등을 포함하기 때문이다. 물론, 아보가드로수를 측정하는 방법에서는 몰질량과 원자질량을 통해 구하는 것 정도로 소개되겠지만, 이후에 과학적인 측정 장비들이 개발됨으로 인해, 실리콘 결정법이나 플랑크상수와 몰질량 상수를 이용하여 구할 수 있게 되었기 때문이다. 참고로 알아두면 좋을 것 같아 소개한다.