액체가 닫혀진 용기 속에 있을 때, 처음에는 순수한 증발이 일어남.
정해진 온도에서 이와 같은 증발 속도는 일정.
증기 분자의 수가 증가함에 따라, 응축 속도가 증가.
충분한 시간이 흐르면, 증발 속도 = 응축 속도: 계는 평형에 있음.
평형 증기압(증기압): 평형 상태에 있는 증기의 압력.
표, 그림 출처 : 일반화학, 7판, 자유아카데미, ZUMDAHL, ZUMDAHL
액체의 증기압을 측정하는 간단한 실험.
액체는 관의 꼭대기에서 증발 → 그 증기압이 수은 일부를 관 밖으로 밀어냄.
계가 평형에 도달했을 때, →
그림 10.41
T
2>T
1인 두 온도에서 특정 운동 에너지를 가진 분자의 개수.액체 내의 인력을 극복하기 위해 필요한 에너지 이상의 운동 에너지를 가진 분자의 비율은 온도의 상승에 따라 증가 → 온도 상승에 따라 증기압 증가.
표, 그림 출처 : 일반화학, 7판, 자유아카데미, ZUMDAHL, ZUMDAHL
에서
승화(sublimation): 고체가 직접 기체 상태로 변화되는 물질의 변화 과정.
고체도 액체처럼 증기압을 가짐.
예: 아이오딘(I2) 또는 드라이 아이스(CO2)는 고체에서 액체 상태를 거치지 않고 바로 기체로 승화됨.
그림 10.43
아이오딘을 가열하면 승화시키면 얼음으로 냉각된 증발 접시 바닥에 I2(s)결정을 형성.
온도가 올라감에 따라 얼음 속으로 에너지가 가해지고 물 분자의 무질서한 진동이 증가
→ 가열 곡선의 0°C(녹는점)의 평평한 곳: 분자가 격자 위치로부터 탈출(액체로 변화).
0°C에서, 가해진 에너지는 얼음의 물 분자의 많은 수소 결합을 끊어 얼음의 구조를 파괴하는데 사용 → 물 분자의 퍼텐셜 에너지 증가.
고체가 녹을 때 발생하는 엔탈피 변화: 용융열(용융 엔탈피, ∆
H
용융)(용융열)
(증발열)
상태의 변화
표, 그림 출처 : 일반화학, 7판, 자유아카데미, ZUMDAHL, ZUMDAHL
(용융열)
(증발열)
온도는 고체가 완전히 액체로 변할 때가지는 일정.
완전히 녹은 후, 다시 온도 증가하여 100°C(끓는 점)에 도달.
끓는 점에서 가해진 에너지가 액체를 증발시키기에 온도가 일정.
증발열(증발엔탈피): 1 atm의 압력에서 액체 1 mol이 증발하는 데 필요한 에너지.
액체가 완전히 증기로 변하면 온도는 다시 증가.
상변화는 물리적인 변화: 분자 간 힘은 변했지만, 분자 내의 화학 결합은 깨지지 않음.
그림 10.45
얼음과 물의 온도에 따른 증기압 변화.
0°C 이하의 물에 대한 자료는 과냉각된 물에서 얻을 수 있음.
0°C 이상의 얼음에 관한 자료는
0°C 이하의 증기압을 외삽해서 얻은 것.
어떤 물질의 녹는점과 끓는점은 고체와 액체 상태의 증기압으로 결정됨.
0°C 이하의 얼음의 증기압은 물의 증기압보다 작음.
얼음의 증기압이 물의 증기압보다 온도 의존성이 더 큼.
온도를 증가시키면 액체와 고체의 증기압이 같은 점에 도달: 이것이 녹는점.
(물)
(얼음)
표, 그림 출처 : 일반화학, 7판, 자유아카데미, ZUMDAHL, ZUMDAHL
그림 10.46: 얼음과 물 이 증기 상태를 통해서 만 상호 작용을 하게 하는 장치.
경우 1. 어떤 온도에서 얼음의 증기압 > 물의 증기압인 경우:
평형을 이루기 위하여 증기가 얼음으로부터 방출되면
→ 물은 증기압을 평형값으로 감소시키기 위하여 증기를 흡수.
얼음은 증기상을 통하여 물로 전환
→ 최종적으로 증기와 평형을 이루는 물만 오른쪽 칸에 존재: 이 온도는 얼음의 녹는점 이상이어야.
경우 2. 어떤 온도에서 얼음의 증기압 < 물의 증기압인 경우: 물은 점차 사라지며, 얼음의 양은 증가 → 최종적으로 증기와 평형을 이루는 얼음만 존재: 이 온도는
얼음의 녹는점 이하이어야.
경우 3. 어떤 온도에서 얼음의 증기압 = 물의 증기압인 경우: 두 상태는 장치 내에서 증기와 공존: 이 온도는 얼음과 물이 공존하는 어는점.
정상 녹는점: 전체 압력이 1 atm인 조건하에서 고체와 액체가 같은 증기압을 갖는 온도.
(액체의 증기압 = 주위의 압력)일 때, 액체는 끓는다.
정상 끓는점: 액체의 증기압이 정확히 1 atm인 온도.
그림 10.47
1 atm의 압력이 작용하는 피스톤 내의 닫힌 계 속의 물.
액체의 증기압이 1 atm보다 낮은 온도에서는 액체에 가해지는 압력 > 액체의 증기압
→ 기포가 형성되지 않음.
액체의 증기압이 1 atm이 되는 온도에 도달하여야만 기포가 형성되어 끓을 수 있음.
표, 그림 출처 : 일반화학, 7판, 자유아카데미, ZUMDAHL, ZUMDAHL
상태의 변화가 항상 정확하게 끓는점이나 녹는점에서 일어나는 것은 아님.
과냉각(supercooled): 물은 1 atm의 압력에서 0°C 아래로 냉각되어도
액체 상태로 남을 수 있음.
0°C에서 물 분자가 얼음을 형성할 수 있을 정도로 배열되어 있지 않으면 과냉각 현상이 일어나, 0°C이하에서도 액체로 존재.
→ 어떤 점에서 얼음이 형성될 수 있는 배열이 일어나 얼음이 빠르게 형성.
→ 발열 반응을 하면서 에너지를 방출 → 온도를 녹는점으로 올림
→ 나머지 물도 얼게 됨.
그림 10.48
물의 과냉각 현상, 과냉각의 정도가 S로 주어짐.
과열(superheated): 액체를 급하게 가열하면 끓는점 이상으로 온도를 올릴 수 있는 경우가 있음.
액체 내부에서 기포가 형성되려면 높은 에너지를 가진 분자들이 한군데 많이 모여야 함.
→ 액체를 급히 가열하면 기포가 형성되지 않아 과열 현상이 생길 수 있음.
액체가 과열되면 액체의 증기압은 대기압보다 커짐.
내부의 압력이 대기압보다 더 크기에 일단 기포가 형성되면 표면까지 떠오르기 전에 둘러 싸고 있는 액체를 용기 밖으로 불어내면서 튐(bumping)이 일어날 수 있음.
이것을 방지하기 위하여 끓임쪽(boiling chips)을 사용.
끓임쪽: 다공성 세라믹으로, 가열하는 동안 증기 방울을 형성하는 개시제 역할을 하는 작은 기포를 제공.
표, 그림 출처 : 일반화학, 7판, 자유아카데미, ZUMDAHL, ZUMDAHL
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.