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아보가드로 수는 무엇을 뜻하는 건가요?

안녕하세요. 원형석 과학전문가입니다.아보가드로 상수는 물질의 몰질량을 그 물질의 실제 질량과 연결해 주는 상수인데, 2018년 12월의 측정값은 6.022 140 857(74) x 1023 mol-1이다.1) 2018년 11월 국제도량형총회((Conference generale des poids et mesures, CGPM)에서 몰을 재정의하면서 아보가드로 상수의 값은 6.022 140 76 x 1023 mol-1으로 고정되었는데, 이 값은 2019년 5월 20일부터 공식 사용된다. 이 물리 상수의 이름은 이탈리아의 과학자 아보가드로(A. Avogadro, 1776-1856)에서 유래하며, 기호 은 오스트리아의 과학자 로슈미트(J. J. Loschmidt, 1821-1895)에서 유래한다.아보가드로수는 분자구조식이나 그들 간의 상호작용을 이해하는데 있어서 매우 중요한 상수이다. 예를 들어서 산소 원자 한 개는 수소 원자 두 개와 결합해서 물 분자 한 개를 만들기 때문에, 1 몰의 산소는 2 몰의 수소와 결합하여 물 1 몰을 만든다는 것을 알 수 있다.역사적으로는 1811년에 아보가드로가 주어진 온도와 압력에서 기체의 부피는 그 기체를 구성하는 원자나 분자의 종류에는 무관하지만 그 개수에 비례한다는 제안을 처음하였다. 이 업적을 기려 1909년 프랑스 물리학자인 페렝(J. B. Perrin, 1870-1942)이 수소 원자 1 g에 담겨 있는 수소 원자의 개수를 아보가드로수로 이름 짓자고 제안하였다. 그는 아보가드로수를 측정하는 몇 가지 방법을 제안한 공로로 1926년도 노벨물리학상을 수상하였다. 그 뒤로 이 수는 탄소-12() 12 g에 담겨 있는 의 개수로 다시 정의되었고, 이후 물질의 양과 그 물질을 구성하는 문자의 분자량을 연결하는 상수로 쓰이게 되었다.한편, 1865년 로슈미트가 공기 중에 있는 분자의 평균 크기를 구했는데, 이 때 주어진 부피 안에 있는 기체 분자의 개수를 어림했다. 그는 점성의 측정을 통해 구한 기체 분자의 평균 자유 경로와, 어떤 물질이 액체, 기체 등 서로 다른 상태일 때의 밀도를 비교하여 기체의 전체 부피 중 분자만이 차지하는 부피를 추정하였다. 이러한 과정을 통해 로슈미트는 실제 기체 분자 개수의 약 두 배 정도 되는 상당히 실제 값에 근사한 결과를 얻었으며, 이는 계산과 측정 과정에 많은 가정과 어림이 있었음을 고려하면 놀라운 정확도이다. 이 업적을 기려 1 cm3에 들어 있는 이상기체 분자의 개수, 즉 개수밀도 를 로슈미트수라고 부르기도 한다. 와 간에는 다음과 같은 관계식이 성립한다.여기서 는 기체의 압력, 은 보편기체상수, 는 기체의 온도이다.아보가드로수를 측정하는 방법은 여러 가지가 있는데, 아래에 간략히 소개하겠다. 초기에 아보가드로수를 비교적 정확하게 측정하는 방법은 밀리컨의 기름방울실험과 전기분해를 이용해 녹아 나온 금속의 전하량을 측정하는 것이었다. 대전된 기름방울을 전기장 속에서 낙하시키면서 그 속도에서 전자의 기본전하 를 구한다. 다음으로, 전기분해 장치의 음극(anode)에서 금속을 용액 속으로 녹이면서 전류를 측정하고 음극의 질량 변화를 측정하면, 패러데이상수 를 구할 수 있다. 패러데이상수는 전자 1 몰에 해당하는 전하량이다. 이 값을 앞서 구한 전자의 기본전하 로 나누면, 아보가드로수를 구할 수 있다. 식으로는이다.현대에 들어서 아보가드로수를 측정하는 방법은 X선 결정구조분석법(X-ray crystallography)를 이용한다. 주어진 단결정 시료에 X선을 쪼여 에돌이시킨 다음 그 에돌이 무늬(diffraction pattern)을 분석해 그 단결정의 격자상수(lattice constant)를 구한다. 그리고 그 단위격자 안에 포함된 원자 또는 분자 개수를 구하고, 결정의 밀도, 원자량 등을 이용하면 아보가드로수를 계산할 수 있다. 시료의 몰부피를 , 시료 원자의 부피를 이라고 하면,이고, , 은 단위격자 부피, 은 단위격자 부피 속에 있는 원자 개수이다.

학문 / 생물·생명

23.05.13

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