고무풍선에 헬륨 기체를 채워두면 며칠 뒤 풍선이 쪼그라드는데, 이는 분자 크기가 매우 작은 헬륨 원자가 풍선 고무 막의 미세한 틈새를 통해 분출되기 때문임을 설명해 주세요.

Question

고무풍선에 헬륨 기체를 채워두면 며칠 뒤 풍선이 쪼그라드는데, 이는 분자 크기가 매우 작은 헬륨 원자가 풍선 고무 막의 미세한 틈새를 통해 분출되기 때문임을 설명해 주세요.

Answer 1

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

고무풍선에 헬륨 기체를 채워두면 며칠 뒤 풍선이 눈에 띄게 쪼그라드는 현상은 화학에서 말하는 기체의 분출 법칙으로 설명할 수 있습니다.

​풍선을 이루는 고무 막은 겉보기에는 매끄럽고 촘촘해 보이지만, 실제로는 고분자 사슬들이 엉켜 있는 구조이기 때문에 분자 수준에서 보면 수많은 미세한 틈새가 존재합니다. 헬륨은 원자 번호 2번으로, 원자 한 개가 곧 기체 분자 하나가 되는 단원자 분자입니다. 이 헬륨 원자는 크기가 매우 작아서 고무 막에 존재하는 미세한 구멍보다 크기가 작습니다.

​이때 풍선 내부의 압력은 외부보다 높기 때문에, 풍선 안의 헬륨 원자들은 끊임없이 무질서한 열운동을 하다가 고무 막의 미세한 틈새를 만나면 그 구멍을 통해 풍선 외부의 넓은 공간으로 빠져나가게 됩니다. 이러한 현상을 기체의 분출이라고 합니다. 특히 공기를 구성하는 질소나 산소 분자에 비해 헬륨 원자는 질량이 매우 가볍기 때문에 이동 속도가 훨씬 빠릅니다. 따라서 헬륨 기체는 다른 기체보다 고무 막을 더 빠른 속도로 통과하여 빠져나가며, 결과적으로 풍선 내부의 기체 분자 수가 줄어들면서 며칠 뒤 풍선이 쪼그라들게 됩니다.

Answer 2

안녕하세요. 김찬우 전문가입니다.

알고 계신데로 헬륨을 채운 고무풍선은 시간이 지나면 자연스럽게 내부의 기체가 빠져나와 쪼그라 듭니다.

아시는데로 헬륨은 주기율표에서 2번에 위치하고 있을 정도로 원자의 크기가 아주 작습니다.

그리고 고무풍선이라고 해도 완전 기체를 가둘 수 있는 밀폐된 소재처럼 보이지만 실제로 고무 분자간에 틈이 존재합니다. 특히나 기체가 들어가 장력을 통해 분자간 거리가 멀어진 상태라면 그 틈이 더욱 커집니다

그래서 내부의 헬륨기체가 서로 부딪히고 있는데 내부의 압력이 강해져서 고부풍선의 부피가 커진 상태라면 이러한 충돌중에 고무분자사이의 틈으로 헬륨기체가 빠져나와 풍선이 쪼그라드는 것 입니다.

그럼 답변 읽어주셔서 감사드립니다:)