SI단위, 몰농도, 물리량, 아보가드로 법칙

2. SI단위, 열단위, 압력단위, 무게단위, 길이단위, 부피단위
  2-1. SI단위
   SI란 불어 "Le Système International d'Unités"에서 온 약자로 international System Of Units [국제단위계]를 가리킨다. SI단위에는 SI기본단위, SI유도단위, SI보조단위, SI특수단위 가 있다.
 
SI기본단위는 총 7가지로 길이의 단위인 m(미터), 질량의 단위인 kg(킬로그램), 시간의 단위인 S(초), 전류의 단위인 A(암페어), 열역학적 온도의 단위인 K(켈빈), 물질량의 단위인 ㏖(몰), 광도의 단위인 cd(칸델라) 이다.
각 단위들은 다음과 같이 정의된다.

길이의 단위 m : “미터는 빛이 진공에서 1/299 792 458 초 동안 진행한 경로의 길이이다.”

질량의 단위 kg : “킬로그램은 질량의 단위이며 국제킬로그램원기의 질량과 같다.”

시간의 단위 s : “초는 세슘-133 원자(¹³³Cs)의 바닥상태에 있는 두 초미세 준위 사이의 전이에 대응하는 복사선의 9 192 631 770 주기의 지속시간이다.”

전류의 단위 A : “암페어는 무한히 길고 무시할 수 있을 만큼 작은 원형 단면적을 가진 두 개의 평행한 직선 도체가 진공 중에서 1 미터(m)의 간격으로 유지 될 때, 두 도체 사이에 매 미터당 2 × 10‑7 뉴턴(N)의 힘을 생기게 하는 일정한 전류이다.”

열역학적 온도의 단위 K : “열역학적 온도의 단위인 켈빈은 물의 삼중점의 열역학적 온도의 1/273.16 이다.”

물질량의 단위 ㏖ : 1. 몰은 탄소 12의 0.012 킬로그램에 있는 원자의 개수와 같은 수의 구성요소를 포함한 어떤 계의 물질량이다. 그 기호는 “mol”이다.  2. 몰을 사용할 때에는 구성요소를 반드시 명시해야 하며 이 구성요소는 원자, 분자, 이온, 전자, 기타 입자 또는 이 입자들의 특정한 집합체가 될 수 있다.”이 정의에서 탄소 12는 바닥상태에서 정지해 있으며 속박되어 있지 않은원자를 가리킨다.”

광도의 단위 cd : “칸델라는 진동수 540×1012 헤르츠인 단색광을 방출하는 광원의 복사도가 어떤 주어진 방향으로 매 스테라디안 당 1/683 와트일 때 이 방향에 대한 광도이다.”

SI유도단위는 기본단위들을 곱하기와 나누기의 수학적 기호로 연결하여 표현되는 단위이다. 속도단위인 ㎧, 밀도단위인 kg/m3, 농도단위인 ㏖/m3 등이 있다.

SI보조단위는 K(킬로), M(메가), T(테라), m(밀리), µ(마이크로), n(나노) 등으로 함축적 의미를 지닌 단위들이다. 이 단위들은 기본단위의 앞에 붙어 기본단위들을 조금 더 편하게 사용할 수 있게 해 주는 역할을 한다. 예를 들어 1,000,000,000,000m의 경우 0을 여러번 쓰는 대신 1Tm로 간단하게 표기가 가능하다.

마지막으로 SI특수단위는 SI단위는 아니지만 SI단위와 함께 사용되는 것이 용인된 단위들로써 속력의 단위인 kn(노트), 넓이의 단위인 ha(헥타르), 압력의 단위인 bar(바) 등이 있다.

  2-2. 열단위
   열단위는 열량을 나타내는 단위로 우리나라에서는 보통 kcal 로 표시하며 1kcal은 순수한 물 1kg을 15℃에서 1℃가열하는데 필요한 열량을 말한다.

  2-3. 압력단위
   압력단위는 보통 0℃에서 760mmHg(수은기둥의 높이 760mm)에서의 기압을 표준대기압 1atm(기압)으로 나타낸다. 1atm은 101325Pa(파스칼), 1.01325b(바), 14.696psi(프사이) 등으로도 표시가 가능하다. Pa(파스칼), b(바), psi(프사이) 등은 모두 압력단위의 하나이다.

  2-4. 무게단위
   무게단위에는 g(그램), t(톤), gr(그레인), oz(온스) 등이 있으며 그 크기들은 1g(그램)을 기준으로 0.000001t(톤), 15.432458gr(그레인), 0.035274oz(온스)이다.
  
  2-5. 길이단위
   길이단위에는 cm(센티미터), in(인치), ft(피트), yd(야드), mile(마일) 등이 있으며 그 크기들은 1cm(센티미터)를 기준으로 0.393701in(인치), 0.032808ft(피트), 0.010936yd(야드), 0.000006mile(마일)이다.

  2-6. 부피단위
   부피단위에는 ℓ(리터), cc(씨씨), m³(세제곱미터), gal(갤런), bbl(배럴) 등이 있으며 그 크기들은 1ℓ(리터)를 기준으로 1000cc(씨씨), 0.001m³(세제곱미터), 0.264172gal(갤런), 0.006293bbl(배럴)이다.

3. mol%, wt%, vol%
  3-1. mol%
   몰농도는 용액 1ℓ 속에 포함된 용질의 몰수를 용액의 부피로 나눈 값으로 매우 유용한 단위이지만 온도에 따라 용액의 부피가 변하기 때문에 동일한 몰수의 용질을 넣어도 온도에 따라 몰농도가 바뀌는 단점이 있다. 이에 비해 몰랄농도는 용약 1ℓ대신 용매 1kg에 녹아있는 용질의 몰수를 나타낸 단위로서 온도 변화에 영향을 받지 않는 특성을 가진다.

  3-2. wt%, vol%
   무게퍼센트는 용액중에서의 물질의 백분율을 나타내는 대표적인 단위로 물질의 질량을 용액전체의 질량으로 나눈 값에 100을 곱한 값이다.
 부피퍼센트는 성분의 함유량을 부피 중의 부피로 나타낸 단위로서 물질의 부피를 용액 전체의 부피로 나눈 값에 100을 곱한 값으로 액체상태의 식품에 실용적으로 사용된다.

4. 각종 물리량
 각종 물리량은 위의 2에서 물리량 간의 관계를 나타내었기 때문에 각각의 기준이 되는 물리량에 대해서만 설명한다.
 압력단위의 기준이 되었던 atm(기압)은 대기의 압력으로서 지표면에서 1cm²의 단위면적을 가지는 수직의 기주에 대한 공기의 무게이다.
 무게단위의 기준이 되었던 g(그램)은 모서리가 1/10m인 정육면체의 증류수의 질량인 kg(킬로그램)의 1/1000 이다.
 길이단위의 기준이 되었던 cm(센티미터)는 SI에 '빛이 진공에서 2억 9979만 2,458분의 1초 동안 진행한 거리'로 정의 하는 m(미터)의 1/100 이다.
 부피단위의 기준이 되었던 ℓ(리터)는 1dm3와 같은 부피를 가리킨다. 이는 순수한 물 1kg의 1atm에서의 부피이다.

5. 아보가드로의 법칙, 아보가드로의 수
  5-1. 아보가드로의 법칙
   아보가드로의 법칙은 같은 온도와 압력에서 모든 기체는 같은 부피 속에 같은 수의 분자가 있다는 법칙으로서 이탈리아의 과학자였던 아보가드로가 돌턴의 근대 원자론으로 게이뤼삭의 기체반응법칙을 설명할 수 없어서 이 모순을 해결하기 위해 제안하였다. 아보가드로는 0℃, 1atm(기압)에서 여러 기체의 1mol(몰) 당 부피를 측정한 결과 각각 기체의 종류와 무관하게 몰부피가 매우 비슷함을 알아내었다. 이 결과를 바탕으로 아보가드로는 '같은 온도와 압력 하에서 기체의 종류에 관계없이 같은 부피 속에는 같은 수의 분자가 들어 있다.'라는 가설을 발표하였다.
임의의 기체에 대해 부피V, 압력p, 절대온도t, 질량W, 분자량M이라고 하면 아보가드로의 법칙은 다음과 같다.

 

  5-2. 아보가드로의 수
아보가드로의 수는 1몰에 해당하는 입자의 개수를 나타내는 큰 수이며, 그 값은 1 몰 당 6.022 × 10²³개이다. 이 수는 1909년에 페랭이 브라운 운동의 실험적 관찰로부터 처음 구하였는데, 아보가드로를 기리기 위해 그의 이름을 붙였다.

6. 농도
 농도는 위 3에서 이야기 했던 몰농도, 몰랄농도, 퍼센트농도(질량퍼센트), 부피백분율(부피퍼센트)와 노르말 농도를 이야기 하지만 이 외에도 여러 가지 농도가 있다. 앞 4가지 농도는 3에서 다루었기 때문에 노르말 농도에 대해서만 설명한다.
 노르말 농도 용액 1리터 속에 들어있는 용질의 당량수로서 용액 1리터를 기준으로 용액 속에 들어있는 용질의 질량을 1당량값으로 나눈 값이다. 여기서 당량이단 화학량론적으로 각 원소나 화합물에 할당된 일정한 물질량으로 원자량을 원자가로 나눈 값이다.