By 가장 가벼운 기체는 무엇일까? 이건 말할 것도 없이 수소(H) 기체다. 원자량 1인 수소가 두 개 붙어 한 분자를 이루는 수소 기체는 22.4 L(1mol)이 2g밖에 나가지 않는다. 밀도는 8.9*10-5 g/cm3밖에 되지 않는다. 이는 거론할 필요조차 없이 간단한 사실이다. 두 번째로 가벼운 헬륨(He) 기체도 수소 기체보다 두 배나 더 무겁다. 만약 헬륨 중 가장 가벼운 3He만 모아놓는다고 해도 수소기체보다 50%나 더 무겁다.
그런데 무거운 기체는 참 애매하다. 무거운 분자량을 갖는 물질 중에 액화되지 않는 물질을 찾아야 하기 때문이다. 일반적으로 잘 액화되지 않는 물질은 0족 원소(비활성기체)이거나 공유결합에 의해 대칭성이 잘 맞는 분자여야 한다. 그리고 그 대표적인 기체가 둘 있다.
하나는 비활성기체 중에 가장 무거운 라돈(Rn)이고, 다른 하나는 공유결합분자인 SF6이다. 라돈(Rn)은 －61.8℃에서 액화하며, 공기보다 약 7.5배 더 무겁다. SF6은 보통 안 보이는 물로 언론에 소개되곤 하는데, 공기보다는 6배 무겁다. 이 둘을 단순히 비교하자면 라돈이 수치상 승리한 셈이다. (그러나 라돈은 폐암을 유발할 수 있으니 조심하는 것이 좋다.)
한편 우리 주변에 있는 기체 중에서 가장 무거운 기체는 무엇일까?
대기에 대량으로 있는 기체 중에 가장 무거운 것은 공기의 0.933%를 차지하고 있는 아르곤(Ar)이 아닐까? 원자번호 18번인 아르곤은 원자량 39.948이다. 공기 분자량이 약 29 정도인 것을 감안한다면 아르곤은 공기보다 25% 정도 더 무거운 셈이다.
(물론 아르곤보다 더 무거운 기체들도 공기중에 포함되지만 존재비율은 매우 미미하다.)
아르곤은 일반적인 공기입자보다 많이 무겁기 때문에 고도에 따른 분포 비율이 차이가 난다. 정확한 내용까지는 모르겠지만 2006년 한국 표준과학연구원이 공기의 아르곤 비율이 기존의 미국 표준기술연구소 측정값 0.917%보다 다소 큰 0.933% 임을 발견했는데, 이 차이는 한국과 미국의 표준과학연구원의 고도 차이에 의해 나타난 현상이 아닌가 생각된다. (미국 표준과학연구원은 메릴랜드 주와 콜로라도 주에 각각 있다. 공기 성분 분석은 콜로라도 주에 있는 연구소에서 한 것이 아닐까? ………. 표준이라면서 왜 그 꼭대기에 지었을까?)
ps. 추가
가만히 생각해보니, 일상에서 접할 수 있는 것 중에 가장 무거운 건 분자량 40인 이산화탄소CO2로, 위에서 말한 아르곤보다 아주 약간 더 무겁다. 탄소나 산소 중에 안정적이고 더 무거운 동위원소를 사용하면 조금 더 무거운 분자를 만들 수 있겠지만, 이건 별로 중요한 것 같지는 않다.
그리고 대기중에 1 ppm 정도로 아주 소량 들어있는 크립톤(Kr)은 원자량이 83.798으로 이산화탄소보다 훨씬 무겁다. 밀도는 3.749 g/L!
뭐…공기를 구성하는 원자의 비율을 표준으로 정할 필요는 없으니까 표준연구소가 어디에 있든 문제가 없겠죠.
그게…. 글 중간에 링크한 기사에서도 나오듯이 부력계산에 영향을 줍니다. 결국 질량과 무게 계산에 문제가 발생한다는….^^;