게이뤼삭의 실험
게이뤼삭은 기체들 사이에서 반응이 일어날 때 부피비를 조사한 결과 돌턴이 예측했던 것과 다르다는 것을 알았습니다. 그러면 게이뤼삭은 어떤 실험을 했기에 이런 결과가 나온 것인지 알아봅시다.
게이뤼삭은 유디오미터를 사용하여 전기 불꽃으로 산소와 수소를 결합시켜 보았더니 수소와 산소의 결합 부피비가 2:1이었습니다. 이와 같이 간단한 부피 비율에 놀라움을 느낀 게이뤼삭은 연구를 계속하였습니다. 그래서 염화암모늄이 만들어질 때 암모니아와 염소의 결합비는 1:1이며, 질소 1부피와 산소 1부피가 결합하면 일산화질소를 만들고, 결합비가 1:2이면 이산화질소를 만든다는 것을 알아냈습니다. 이 밖에서 암모니아와 이산화황이 만들어지는 부피비도 찾아냈습니다. 게이뤼삭은 이러한 여러 실험의 결과를 토대로 1808년 '기체들이 반응할 때 반응하는 부피 사이에는 간단한 정수비가 성립한다.'는 기체 반응의 법칙을 발표하였습니다. 2부피의 수소와 1부피의 산소가 반응하여 2부피의 수증기가 만들어지는 반응을 좀 더 살펴 보면 이 반응은 물을 이루는 복합 원자가 하나라는 생각으로는 해결되지 않는 문제점이 있었습니다. 만일 돌턴의 원자설대로라면, 이 반응에서 산소 원자는 반으로 쪼개져야하기 때문입니다. 따라서 원자는 더 이상 쪼갤 수 없다는 돌턴의 원자설에 어긋납게 됩니다.
아보가드로의 법칙
돌턴의 원자설은 게이뤼삭의 기체 반응의 법칙에 의해 수정할 수밖에 없었습니다. 그러나 쉽게 해결책을 찾지 못해 고생하다가 아보가드로에 의해 해결되었습니다. 이것들 돌턴의 원자설과 결합시켜 합리적으로 성립시키려면 어떻게 해야 하는지 다음의 단계적인 생각을 통해 알아봅시다.
1) 질소 1부피와 산소 1부피가 결합하면 일산화질소 2부피개 생깁니다.
2) 일산화질소는 질소 원자 1개와 산소 원자 1개로부터 만들어집니다.
3) 질소 1부피와 산소 1부피에 들어 있는 질소와 산소 원자의 개수는 같습니다. 그렇지 않다면 더 많이 들어 있는 기체가 반응 후에 남아야 하기 때문입니다.
4) 질소와 산소 1부피 속에 각각 원자가 1개씩만 들어 있다면 가정하면 2부피의 일산화질소를 만들기 위해서는 질소 원자와 산소 원자는 각각 반으로 쪼개져야 합니다.
5) 원자를 쪼개지 않고 이 반응을 설명하려면 각각 짝수 개의 원자가 모인 새로운 입자를 생각해야 합니다.
6) 짝수라면 2개, 4개, 6개 등 여러 경우가 있으나 특별한 사정이 없는 한 가장 단순한 2개로 하는 것이 편리합니다.
이와 같은 과정을 거쳐 아보가드로는 원자는 그냥 혼자 존재하는 것이 아니라 몇 개가 모여 새로운 단위를 이룬다고 생각했습니다. 그리고 그 단위 입자를 분자라고 하였습니다. 이와 같은 생각을 바탕으로 아보가드로는 1811년에 분자설을 제안하였습니다. 분자설을 통해 그는 모든 물질은 분자로 구성되어 있다고 주장했습니다. 그리고 분자는 원자로 쪼개질 수 있는데, 이때 물질의 성질을 잃어버리게 된다고 생각했습니다.
다시 수증기가 만들어지는 과정을 돌턴의 원자설로 설명하면 산소 원자가 반으로 쪼개져야만 한다는 결론에 도달합니다. 그러나 돌턴은 스스로 원자는 더 이상 쪼개질 수 없는 알갱이라고 하였으므로 이 설명은 잘못된 것입니다.
그러만 아보가드로가 생각해 낸 분자로 산소와 수소에서 수증기가 만들어지는 반응을 어떻게 설명할 수 있을지 생각해 봅시다. 실제로 수소 2부피와 산소 1부피가 반응하면 수증기가 2부피만 만들어집니다. 즉 수소:산소:수증기의 부피비가 2:1:2이므로, 그 부피속에 들어 있는 입자의 개수도 2:1:2이어야 합니다. 이때 수소 원자 2개가 모인 수소 분자와 산소 원자 2개가 모인 산소 분자가 있다고 가정해 봅시다. 그러면 아래의 그림과 같이 원자를 쪼갤 필요 없이 수소와 산소가 화합하는 반응을 나타낼 수 있습니다. 또한 수증기는 왜 3부피가 만들어지지 않고 2부피로 줄어드는지도 설명할 수 있습니다. 수소와 산소는 원자 2개가 모여 1분자를 이루지만 수증기는 수소 2원자와 산소 1원자가 결합하여 1분자를 이루기 때문입니다.
분자에 대한 아보가드로의 생각 중에서 가장 독창적인 것은 '온도와 압력만 같다면 산소나 질소처럼 기체의 종류에 상관없이 같은 부피 속에는 같은 수의 분자가 들어갈 수 있다.'는 것입니다. 이것이 바로 아보가드로의 법칙입니다.