공기의 위쪽과 아래쪽, 왜 구성이 비슷할까?
우리가 들이마시는 공기는 산소, 질소 등 다양한 기체가 섞인 혼합물이다. 그런데 이 기체들은 각각의 밀도가 다르다. 예를 들어, 산소의 밀도는 약 1.429g/L, 질소의 밀도는 1.250g/L로 산소가 질소보다 무겁다. 그렇다면 공기 중에서 산소는 아래쪽에, 질소는 위쪽에 분포되어 있어야 할 것 같지만, 실제로는 그렇지 않다. 공기의 위쪽과 아래쪽은 구성 비율이 거의 동일하다.
이러한 현상은 어떻게 설명할 수 있을까?
| 돌턴의 의문 |
화학 역사에서 빼놓을 수 없는 19세기 초, 영국의 화학자 존 돌턴은 이와 같은 의문을 품었다. “왜 무거운 산소는 아래로 가라앉지 않고, 가벼운 질소와 고르게 섞여 있을까?”
돌턴은 이 문제를 해결하기 위해 기체가 아주 작은 입자로 이루어져 있으며, 이 입자들이 끊임없이 움직인다는 가설을 세웠다. 즉, 기체 분자들은 서로 부딪히고 흩어지며 공간을 자유롭게 이동하기 때문에, 다양한 기체들이 밀도와 관계없이 고르게 섞일 수 있다는 것이다. 기체 입자들은 계속 움직이며 열 에너지를 받아 항상 운동하고 있다. 다들 잘 알고 있듯 이것을 분자 운동이라 한다. 이 운동 덕분에 무거운 분자일지라도 아래에 머무르지 않고, 가벼운 분자와 마찬가지로 자유롭게 퍼지며 섞이게 된다. 실제로 수소, 질소, 이산화탄소처럼 각각 무게가 다른 기체들도 혼합 상태에서는 고르게 배열되어 있다. 이러한 혼합 상태를 균일 혼합물이라고 한다.
| 그래서 공기는? |
산소는 질소보다 밀도가 크지만, 공기 중에서는 아래로 가라앉지 않고 고르게 섞여 있다. 그 이유는 기체 분자들이 끊임없이 운동하며 서로 섞이기 때문이다. 이 개념은 돌턴이 기체 입자설을 통해 설명이 가능하다. 결과적으로, 공기의 위와 아래는 거의 같은 비율의 성분을 유지한다. 이러한 원리를 이해하면, 기체 혼합물의 성질뿐만 아니라 공기 조성과 관련된 다양한 자연 현상도 함께 이해할 수 있다. 또한, 공기 중 기체들이 고르게 섞여 있기 때문에 고산지대나 지표면에서 우리가 마시는 공기 성분이 크게 다르지 않다는 점도 설명할 수 있다.
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