11. 액체와 분자간 힘
11.1 기체, 액체, 고체의 분자 비교
분자적 관점에서 고체, 액체, 기체를 비교하면서 시작한다. 이 비교를 통해 어떤 물질의 물리적 상태 를 결정하는 데 있어서 온도와 분자간 힘이 중요한 역할을 한다는 것을 알아본다.
11.2 분자간 힘
네가지 형태의 분자간 힘인 분산력, 쌍극자-쌍극 자힘, 수소결합, 이온-쌍극자 힘에 대하여 알아본다.
11.3 액체의 특별한 성질
분자간 힘의 성질과 크기는 주로 점성도와 표면 장력과 같은 액체의 성질을 좌우한다.
11.4 상변화
기체, 액체 및 고체 상태 간의 상변화와 그에 수반 되는 에너지 변화를 살펴본다.
11.5 증기 압력
액체와 그 기체 상태 사이에 존재하는 동적 평형을 알아보고, 증기 압력의 개념을 도입한다.
11.6 상도표
기체상, 액체상, 고체상 사이의 평형을 그래프로 나 타낸 상도표 (phase diagram)를 보는 법을 배운다.
11.7 액정
액정상 (liquid crystalline phase) 인 물질을 배운다.
액정상은 고체와 액체 상태의 중간상이라고 할 수 있다. 액정상은 고체와 같은 구조적 질서를 약간 가 지고 있으면서, 액체와 같은 자유로운 움직임을 가지 고 있다.
목차
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분자의 조성과 구조에 의해, 분자들 또는 이온들 사이에 존재하는 분자간 인력 상호작용을 정의하고, 이들 분자 사이에 작용하는 힘의 상대적인 세기를 비교한다
편극도의 개념을 설명하고, 어떻게 분산력과 관계되는지 설명한다.
용액의 점성도와 표면 장력의 개념을 설명한다.
순물질의 다양한 상변화 이름을 열거하고, 이들이 발열 과정인지 흡열 과정인지를 지적한다.
가열 곡선을 해석하고, 상변화와 관계되는 온도와 엔탈피값을 계산할 수 있다.
임계 압력, 임계 온도, 증기 압력, 정상 끓는점, 정상 녹는점, 임계점, 삼중점을 정의한다.
상도표를 해석하고, 그린다. 물의 상도표가 다른 물질들과 어떻게 다르며, 그 이유는 무엇인 지 설명한다.
네마트, 스멕트, 콜레스테릭 액정상의 분자 배열 특징이 기존의 액체상과 어떻게 다른지 이
학습 목표
물질의 상태는 입자 (원자,분자,이온) 의 운동 에너지와 입자간 인력의 균형 에 따라 결정된다.
11.1 기체, 액체, 고체의 분자 비교
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• 기체 : 기체 분자는 계속 무작위적인 운동을 하면서 서로 멀리 떨어져 있다.
분자간 상호작용을 무시할 수 있다.
• 액체 : 분자간 인력이 강하여 분자간 거리가 가깝지만 인력이 분자의 이동 을 제한하지는 않는다.
• 고체 : 분자간 인력이 강하여 가깝게 존재하고 분자의 움직임도 제한된다.
→ 분자간 거리가 가까워 액체와 고체를 응축상 (condensed phase) 라고 한다.
분자간 힘 (intermolecular force)
이 힘의 성질과 세기를 알면, 물질의 조성과 구조가 그 물질의 물리적 성질과 어떻게 연관되는지를 알 수 있다.
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① 분산력, ② 쌍극자-쌍극자 인력 , ③ 수소 결합
: van der Waals 힘
전기적으로 중성인 분자 사이에서 작용하는 세가지 힘
+) 이온-쌍극자 힘
– 용액에서 중요모든 분자간 인력은 전기적으로 양성과 음성인 화학종 사이에 인력이 관여하 는 정전기적 힘이다.
11.2 분자간 힘
분자간 힘은 물질의 종류마다 광범위하게 다른 세기를 가지지만, 이온 결합, 공 유 결합, 금속 결합 같은 분자내 (intramolecular) 힘보다는 훨씬 약하다.
분산력 (dispersion force, London 분산력 )
8 비극성 입자에서 전자의 움직임이 유발시킨 순간 쌍극자 모멘트 (instantaneous
dipole moment) 이 원인이다. 순간 쌍극자가 형성되면 근처의 입자에 일시적인 편극으로 유발 쌍극자가 생성 되고, 이 사이 인력이 분산력이다.
평균 분포는 편극이 일어나지 않을지라도, 순간 분포는 평균 분포와 다를 수 있다.
분산력 (dispersion force)
편극도 (polarizability) :
입자 내 전자 분포가 편극 되기 쉬운 정도, 클수 록 더 쉽게 편극이 되어 순간 쌍극자의 수가 많아지고 분산력이 커진다.일수록 분산력이 커진다.
① 편극도 ↑, ② 분자량 ↑, ③ 분자간 접촉 면적 ↑
일반적으로 입자 내 전자의 수가 많 을수록 편극도가 커지므로 분산력은 원자량이나 분자량이 커질 수록 증 가하는 경향을 보인다.
분산력 (dispersion force)
10 분자 모양, 즉 분자간 접촉면적 또한 분산력의 크기에 영향을 미친다.
쌍극자-쌍극자 힘 (dipole-dipole moment)
극성 분자는 영구 쌍극자 모멘트가 있어서 쌍극자-쌍극자 힘을 일으 킨다. 인력은 한 분자의 (+) 극과 다른 분자의 (-) 극이 가까워질 때, 반발력은 (+) 극 끼리, 또는 (-) 극 끼리 가까워질 때 발생한다.
쌍극자-쌍극자 힘 (dipole-dipole moment)
12 비슷한 질량과 크기를 가진 분자들은 극성이 증가하면 분자간 인력
도 증가한다.
수소 결합 (hydrogen bonding)
수소 결합은 전기 음성도가 큰 원소(일반적으로 F, O, N) 에 붙어있는 수소 원자와 인간의 다른 분자나 화학기에 있는 전기 음성도가 작은 원소 간의 인력이다.
이온-쌍극자 힘 (ion-dipole force)
14 이온과 극성 분자 사이에 존재하는 힘. 이온 전하량과 쌍극자 모멘트의
크기가 커질수록 이 힘의 크기가 증가한다. 극성 액체 속에 이온 물질이 녹아 있는 용액에서 중요하다.
분자간 힘의 비교
어떤 물질에 작용하고 있는 분자간 힘은 그 물 질의 조성과 구조를 고려하여 알아낼 수 있다.
① 두 물질의 분자들이 유사한 모양과 분자량 을 가지면 두 물질에서 분산력은 거의 같다.
② 두 물질의 분자량이 상당히 다르고 수소 결 합이 없을 때, 분산력은 어떤 물질이 강한 분자 간 인력을 가진 물질인지를 결정하게 해준다.
분자간 인력의 상대적 세기를 비교할 때
모든 인력들의 효과는 합해져서 보여진다.
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11.3 액체의 특별한 성질
① 점성도 (viscosity) :
분자간 힘이 더 강할수록, 흐름에 대한 액체의 저항력인 점성도가 커진다.② 표면 장력 (surface tension) :
최소한의 표면적을 유지하려는 용액의 경향에 대한 척도이다. 분자간 힘의 세기가 증가할 수록 증가한다.③ 모세관 작용 (capillary action) :
모세관 벽에 대한 액체의 접 착력과, 액체 분자간의 응집력은 모세관 작용을 설명해 준다.점성도 (viscosity)
18 흐름에 대한 액체의 저항력이다. 분자간 힘이 강할수록, 분자 구조가
서로 얽히기 쉬울 수록 점성도가 커진다. SI 단위는 kg/m-s.
점성도는 온도에 반비례하는데, 높은 온도에서는 분자의 평균 운동 에너지가 커서 분자간 인력을 쉽게 극복할 수 있기 때문이다.
일련의 분자에 대하여 점성은 분자량이 증가함에 따라 증가한다.
표면 장력 (surface tension)
엑체 표면적을 늘리기 위해 극복해야 하는 내부로 향하는 힘. 즉, 액체의 표면을 단위 면적만큼 증가시킬 때 필요한 힘이다.
분자간 인력이 커질수록 표면 장력도 커진 다. 온도가 증가하면 분자 운동이 활발해져 표면 장력이 약해진다.
모세관 작용 (capillary action)
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• 응집력 (cohesive force) : 비슷한 분자들을 서로 묶어주는 분자간 힘
• 부착력 (adhesive force) : 어떤 물질을 표면에 묶어주는 분자간 힘
메니스커스 (meniscus) 물-물 응집력 < 물-유리 부착력
∴ 오목한 메니스커스 수은-수은 응집력 > 수은-유리 부착력
∴ 볼록한 메니스커스
모세관 작용 (capillary action)
모세관 작용 : 액체가 매우 가는 관을 통해 올라가는 현상.
액체와 관의 벽 사이 부착력은 액체 표면적을 증가시키고, 액체 표면 장력은 표면적을 줄이려는 경향이 있다. 따라서 액체는 관의 벽을 타고 위로 올라간다. 액체는 액체에 가해진 중력에 의해 부착력과 응집력이 균형을 이룰 때까지 올라간다.
11.4 상변화 (phase change)
22 한 상에서 다른 상으로의 변화
상변화에 동반되는 에너지 변화
• 용융열 (heat of fusion) :
고체가 녹는 과정인 용융에서 입자들의 증 가된 자유도, 용융 엔탈피 ΔHfus로 표시한다.• 증발열 (heat of vaporization) :
액체를 증기로 전환시키는데 필요 한 에너지, 증발 엔탈피 ΔHvap로 표시한다.• 승화열 (heat of sublimation) :
고체에서 기체로 직접 전환시 필요 한 에너지. ΔHsub = ΔHfus + ΔHvap발열 과정인 응축열, 석출열, 응고열은 각각 흡열 과정인 증발열, 승화열, 용융열과 부
가열 곡선 (heating curve)
24 온도와 가해 준 열의 관계 도표, 각 과정에 대한
계의 엔탈피 변화를 계산 할 수 있다.
어떤 물질의 온도를 올릴 때 필요한 열량은 비 열, 질량, 온도 변화를 곱한 값이다. 물질의 비 열이 클수록 가열 곡선의 기울기가 작다.
상 변화 구간에서 가열 곡선은 수평이다. ∵ 가 해준 열이 평균 분자 운동 에너지를 증가시키 는 데 보다 분자간 힘을 극복하는데 사용됨.
*과냉각 : 액체를 냉각하여 고체가 만들어 지지 않은 상태에서 어는점 이하로 액체의 온도가 내려가 는 현상. 불안정하여 작은 충격에도 순식간에 고체화 된다.
임계 온도와 임계 압력
임계 온도 (critical temperature) :
액체상이 생성될 수 있는 최고 온도. 즉, 액체가 존재할 수 있는 최고 온도로 분자간 힘이 클수록 물질의 임 계 온도가 증가한다.임계 압력 (critical pressure) :
임계 온도에서 액화가 일어나는데 필 요한 최소 압력초임계 유체 (supercritical fluid) :
임계 온도 이상의 온도, 임계 압 력 이상의 압력에서 액체상과 기체상이 구별 불가능한 상태11.5 증기 압력 (vapor pressure)
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증기압력 :
증기가 액체와 동적 평형 상태에 있을 때 증기의 부분 압력.동적 평형 (dynamic equilibrium) :
두가지 반대되는 과정이 동시 에 같은 속도로 일어나는 것증발과 응축이 같은 속도로 일어날 때, 증기에 의하여 형성된 압력
증기 압력 (vapor pressure)
휘발성 (volatile) :
액체가 쉽게 증발 하려는 성질, 증기압력이 높을수록 휘발 성이 강하다.온도가 높을수록 ①액체에서 분자간 힘 이 약해지고, ②분자가 더 쉽게 빠져나와
③증기압력이 더 커진다.
증기 압력 (vapor pressure)
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끓는 점 (boiling point) :
액체 표 면에 작용하는 외부 압력와 증기 압력이 같을 때의 온도. 외부 압력이 증가하면 끓는 점도 증가한다.정상 끓는점 (normal boiling
point) :
1 atm (760torr)에서 액체의 끓는 점증기 압력 (vapor pressure)
11.6 상도표 (phase diagram)
30 물질의 상들 사이에 평형이 존재하는 조건을 요약하는 도식
증기압력 곡선 : 액체-기체 평형
: 물질의 임계 온도, 임계압력
승화 곡선
: 기체-고체 분리 융해 곡선
: 액체-고체 분리 녹는 점의 변화
삼중점 (triple point) : 세가지 모든 상이 평형 곡선들 위의 점에서는 두 상이 평형
이 외의 점에서는 하나 의 상만 존재
11.7 액정 (liquid crystal)
32 고체의 녹는점 이상의 온도에서 존재하는 고체와 액체의 중간상
오늘날 액정은 압력과 온도 센서로서 디지털 시계, 개인용 컴퓨터와 같은 전기 장치의 출 력 표시 장치로 널리 사용. 액정 상태에서 분자간 힘은 온도, 압력, 전기장에 민감하게 영향 을 받기 때문에 액정이 이러한 용도로 사용될 수 있다.
액정의 종류
분자 배열의 성질에 따라 분류된다.
액정의 종류
34 액정상을 보이는 분자는 단단한 막대 모양의 비이온성 물질이다.
