상평형 그림: 물질의 상태를 온도와 압력의 함수로 나타낸 그림으로 주어진 온도와 압력에서 어떠한 상으로 존재하는가를 나타냄. 아무런 물질도 주위로 이탈할 수 없고 공기도 존재하지 않는 닫힌 계에서 일어나는 현상을 나타냄.
그림 10.49
물의 상평형 그림
T
m: 정상 녹는점T
3와P
3: 삼중점을 나타냄T
c: 임계 온도P
c: 임계 압력고체/액체선의 기울기가 음인 것은 얼음의 밀도가 물의 밀도보다 작다 는 것을 나타냄.
실험 1. 압력이 1 atm인 경우.
-20°C에서 얼음으로 완전히 채워진 그림 10.47의 원통으로 시작.
피스톤은 얼음에 1 atm의 압력을 가하고 있음(빈 공간 없음).
T < 0°C일 때 → 얼음만 존재.
원통을 가열하여 T = 0°C일 때
→ 에너지를 가하면 얼음이 물로 바뀜.
얼음이 완전히 액체로 변한 후
온도는 다시 상승.
이때 물의 증기압이 1 atm 보다 작기에 증기는 존재하지 않음.
물의 온도가 100°C에 도달할 때까지 가열 계속.
100°C에서 물의 증기압 = 1 atm.
액체는 기체로 변하며 끓기 시작.
(물의 정상 끓는점) 물이 완전히 기체로 변한 뒤에 가열이 계속됨에 따라 온도는 계속 상승.
표, 그림 출처 : 일반화학, 7판, 자유아카데미, ZUMDAHL, ZUMDAHL
실험 2. 압력이 2.0 torr인 경우.
-20°C에서 얼음으로 완전히 채워진 그림 10.47의 원통으로 시작.
피스톤은 얼음에 2.0 torr(0.0026 atm)의 압력만을 가하고 있음(빈 공간 없음).
가열이 진행되면 온도는 -10°C까지 상승.
-10°C에서 얼음은 승화에 의해 곧 바로 증기로 변화.
승화는 (얼음의 증기압 = 외부 압력)일 때 일어남.
(2.0 torr)
액체 물의 증기압은 항상 2.0 torr 보다 크기에 이러한 압력에서는 물이 존재할 수 없음.
만일 액체 물이 2.0 torr하에 원통 속에 놓였다면, -10°C이상에서는 바로 증발.
-10°C 이하에서는 바로 얼어버림.
실험 3. 압력이 4.58 torr인 경우.
-20°C에서 얼음으로 완전히 채워진 그림 10.47의 원통으로 시작.
피스톤은 얼음에 4.58 torr(0.00602 atm)의 압력만을 가하고 있음(빈 공간 없음).
가열이 진행되면 온도는 0.01°C(0.0098°C)까지는 새로운 상이 나타나지 않음.
삼중점(triple point)이라고 하는 이점에서 얼음과 물은 4.58 torr의 동일한 증기압 가짐.
따라서, 0.01°C와 4.58 torr(삼중점)에서 물의 세 가지 상태가 모두 공존할 수 있음.
표, 그림 출처 : 일반화학, 7판, 자유아카데미, ZUMDAHL, ZUMDAHL
실험 4. 압력이 225 atm인 경우.
300°C에서 물로 완전히 채워진 그림 10.47의 원통으로 시작.
피스톤은 물에 225 atm의 압력을 가하고 있음(빈 공간 없음).
높은 외부 압력 때문에 이 온도에서
액체 물이 존재.
온도가 증가함에 따라 액체는 점점 기체로 되지만 액체도 기체도 아닌 중간 상태인
“유체”영역을 통과.
이 “유체”라는 비정상적인 상태는 물의 임계점 이상인 조건에서 발생.
임계점에서의 온도: 임계 온도
임계온도 이상에서는 기체를 액화할 수 없음.
임계점에서의 압력: 임계 압력 물의 임계점: 374°C와 218 atm.
고체/액체의 경계선이 음의 기울기:
외부 압력이 증가 → 녹는점이 감소.
(∵녹는점에서의 물의 밀도가 얼음의 밀도보다 크기에, 즉, 얼음이 녹을 때에 부피 감소)
(물의 밀도는 4°C에서 최대)
응축 상태에서도 압력이 증가하면 부피는 감소.
0°C에서 얼음은 같은 질량의 액체 물보다 부피가 크므로 계는 압력 증가에 대응하여
액체로 전환함으로써 그 부피를 줄일 수 있음.
→ 0°C일 때, 1 atm보다 더 큰 압력에서 물은 액체 (물의 어는점은 압력이 1 atm보다 더 클 때
0°C보다 낮아짐)
물에 대한 상평형 그림의 응용
표, 그림 출처 : 일반화학, 7판, 자유아카데미, ZUMDAHL, ZUMDAHL
(액체의 증기압 = 외부 압력) 일 때 액체는 끓는다.
→ 높은 고도에서는 낮은 대기압 → 낮은 끓는점.
(낮은 외부 압력)
고체 이산화탄소의 밀도 > 액체 이산화탄소의 밀도
고체/액체 선은 양의 기울기.
1 atm의 압력에서 고체 이산화탄소는 -78°C에서 승화.
이산화 탄소에 대한 상평형 그림
표, 그림 출처 : 일반화학, 7판, 자유아카데미, ZUMDAHL, ZUMDAHL