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Chapter 10 액체와 고체

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Academic year: 2022

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(1)

Chapter 10 액체와 고체

표, 그림 출처 : 일반화학, 7판, 자유아카데미, ZUMDAHL, ZUMDAHL

(2)

액체, 고체 : 밀도가 크다 기체 : 밀도가 작다

(3)

물질의 응축상(액체와 고체)의 성질과, 액체와 고체를 형성하는 물질의 구성 성분을 응집시키는 힘을 생각해 보자.

이러함 힘은 공유 결합이나 이온 결합일 수도 있고,

분자 간 힘(intermolecular force)이라 불리는 더욱 약한 상호 작용일 수도 있다.

10.1 분자간의 힘

쌍극자-쌍극자 힘

그림 10.2

(a) 두 극성 분자 분자의 정전기적 인력 (쌍극자-쌍극자 인력)

(b) 응축상(액체와 고체)에서 +/- 사이의 인력을 극대화하고, +/+ 또는 -/- 사 이의 반발력을 최소화하도록 하는 배 열을 함.

표, 그림 출처 : 일반화학, 7판, 자유아카데미, ZUMDAHL, ZUMDAHL

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N, O, F 와 같이 전기음성도가 큰 원자에 H가 결합된 분자들 사이에는 매우 큰 쌍극자-쌍극자 힘: 수소 결합(hydrogen bonding)

-결합의 극성이 큼.

-H의 크기가 작기에 쌍극자들이 가까이 올 수 있음.

쌍극자-쌍극자 힘

그림 10.3

(5)

비극성 사면체의

분자량 증가 → b.p. 증가.

각 족의 첫 원소들은

- 큰 전기음성도 가짐 → 큰 극성의 X-H 결합 형성.

- 크기가 작아서 쌍극자들이 더욱 가까이

→ 쌍극자-쌍극자 힘 증가.

표, 그림 출처 : 일반화학, 7판, 자유아카데미, ZUMDAHL, ZUMDAHL

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London 분산력: 불활성 기체의 원자와 비극성 분자들 사이에 존재하는 비교적 약 한 힘. 순간 쌍극자와 이에 의한 유도 쌍극자에 기인.

그림 10.3

표 10.2에서 어는 점은 족의 아래로 내려감에 따라 상승.

(1) 원자번호 증가 → 전자수 증가 → 순간 쌍극자 인력의 발생 확률 증가

(2) 분극성 : 원자의 전자 구름이 쌍극자 전하 분포를 가짐 을 나타냄

많은 전자를 가진 원자/비극성 분자는

→ 더 큰 분극성(polarizability)

→ 더 큰 London 분산력

(7)

그림 10.6

표면 장력(surface tension): 액체의 표면적이 증가 하는 데 대한 액체의 저항.

- 액체의 표면적의 증가를 위해서는 분자들을 액체 의 내부에서 표면으로 옮겨야.

- 이것은 분자 간 힘을 극복하여야 → 액체의 표면 적이 증가하려면 에너지가 필요.

10.2 액체 상태

모세관 작용(capillary action)에는 액체 분자 간의 힘인 응집력과 액체 분자와 용기(또는 좁은 관 사이)의 접착력이 관련.

-물의 경우 접착력은 용기가 극성 결합을 가진 물질로 만들어졌을 때 작용.

-물은 강한 응집력과 유리에 대한 강한 접착력을 동시에 가짐.

점성(viscosity): 액체가 흐르지 않으려는 정도 분자 간 힘이 큰 액체는 큰 점성.

글리세롤 → 분자간 강한 수소 결합 → 높은 점성.

긴 분자는 서로 얽힐 가능성 → 큰 점성.

그리스는 가솔린 보다 대단히 큰 점성.

표, 그림 출처 : 일반화학, 7판, 자유아카데미, ZUMDAHL, ZUMDAHL

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고체

결정성 고체(crystalline solid): 구성 성분이 매우 규칙적인 배열.

비결정성 고체(amorphous solid): 구조가 상당히 무질서.

10.3 고체의 형태와 구조에 대한 개요

(9)

결정성 고체에서 구성 성분(원자,이온,분자)들의 위치를 지정하는 점들로 이루어진 삼차원계이며, 격자의 반복되는 가장 작은 단위를 단위 세포(unit cell)라 함

격자(lattice)는 단위 세포를 모든 삼차원 방향으로 반복함으로 만들 수 있음.

그림 10.9

표, 그림 출처 : 일반화학, 7판, 자유아카데미, ZUMDAHL, ZUMDAHL

(10)

결정성 고체

이온성 고체(ionic solid): 격자점을 이온이 차지. 소금 등.

분자성 고체(molecular solid): 격자점을 중성 분자가 차지.

얼음, 설탕(sucrose) 등.

원자성 고체(atomic solid): 격자점을 원자가 차지.

탄소(흑연, 다이아몬드, 풀러렌),붕소, 규소, 모든 금속 등.

원자성 고체 (다이아몬드)

이온성 고체

(소금: 염화소듐)

분자성 고체 (얼음) 결정성 고체의 형태

(11)

원자 사이에 존재하는 결합의 종류에 따라 원자성 고체는

금속성 고체: 비편재화되고 지향성이 없는 특수한 공유 결합이 존재.

(예: 구리) 그물형 고체: 강한 지향성을 가진 공유결합으로 거대 분자 또는

원자들로 이루어진 그물형태 (예: 다이아몬드).

제 8A족 고체: 불활성 기체 원자들이 London 분산력에 의해 결집 (예: 아르곤).

표, 그림 출처 : 일반화학, 7판, 자유아카데미, ZUMDAHL, ZUMDAHL

(12)

금속결정은 모든 방향으로 똑같이 결합되어 밀집되어 있는 구형의 원자들로 균일하고 단단한 구들을 주어진 공간에 가장 효과적인 방법으로 쌓은 구조모형 : 이런 배열을 최조밀 쌓임(closest packing)이라.

최조밀 쌓임 구조에서는 각 층마다 각 구의 주위에는 6개의 다른 구가 둘러 싼다.

10.4 금속의 구조와 결합

입방 최조밀 쌓임(ccp) 구조를 이루는 면심 입방 단위 세포 내 구의 총 수는 4개

(13)

표, 그림 출처 : 일반화학, 7판, 자유아카데미, ZUMDAHL, ZUMDAHL

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전자 바다 모형(electron sea model)

최외각 전자의 “바다”에 금속 양이온이 규칙적인 배열을 하고 있다고 가정.

움직일 수 있는 전자들로 인해 열과 전기가 통하며,

금속의 양이온은 전성(엷게 펼 수 있는) 또는 연성(길게 늘릴 수 있는)이 있도록 쉽게 이동할 수 있음.

금속에 대한 결합 모형

(15)

띠 모형(band model) [분자 궤도함수 모형(MO model)]

전자는 금속 원자의 최외각 원자 궤도함수로부터 형성된 분자 궤도함수속에 이동.

금속 결정의 경우, 많은 금속 원자가 상호 작용할 때는 많은 수의 MO가 더욱 가까이 위치하게 되어 아래의 그림처럼 에너지 준위는 연속적인 띠 모양을 갖게 된다.

채워진 분자 궤도함수의 전자는 들뜨게 되어 빈 분자 궤도함수에 들어감으로써 자유롭게 이동할 수 있는 전자가 공급됨.

이러한 전도 전자는 금속에 걸린 퍼텐셜의 방향에 따라서 금속 결정을 자유롭게 이동.

원자가띠(valence band): 전자로 채워진 분자 궤도함수의 띠.

전도띠(conduction band): 채워져 있지 않는 높은 에너지의 분자 궤도함수의 띠.

금속 막대의 한쪽 끝을 가열하면 원자가띠의 전자가 전도띠로 들떠 자유스럽게 이동하여 다른 끝으로 열에너지가 빠르게 전달.

(16)

합금: 원소의 혼합물로서, 금속의 성질을 가지고 있는 물질.

치환형 합금: 주금속 원자의 일부가 비슷한 크기의 다른 금속 원자로 치환.

황동(놋쇠)에서는 주금속인 구리의 1/3이 아연으로 치환.

틈새형 합금: 조밀 쌓임 금속 구조에서 틈(구멍)의 일부가 작은 원자로 채워져 형성.

강철에서는 철 결정의 구멍에 탄소원자.

순수한 철은 특정한 방향으로의 결합이 없기에 연성/전성이 있으나

강한 지향성 결합을 가진 탄소가 철의 결정

속으로 끼면, 지향성을 갖는 탄소-철 결합에 의해 연성/전성이 크게 감소.

연철(탄소<0.2%): 연성/전성 있음: 케이블, 못.

중강(탄소0.2-0.6%): 레일, 구조용 강철 빔.

고탄소강(탄소0.6-1.5%): 스프링, 공구, 칼.

강철

금속 합금

(17)

그물형 고체: 격자점을 원자가 차지. 강한 방향성의 공유결합 가진 거대 분자.

예: 다이아몬드, 흑연 다이아몬드: 모든 결합은 sp3-sp3 공유결합. 견고하고 무색.

채워진 분자 궤도함수 띠와 빈 분자 궤도함수 띠 사이에 커다란 간격

→ 전자가 비어있는 전도띠로 옮겨갈 수 없음 → 다이아몬드는 전기 절연체

10.5 탄소와 규소: 그물형 원자 고체

표, 그림 출처 : 일반화학, 7판, 자유아카데미, ZUMDAHL, ZUMDAHL

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흑연: 미끄러운 도체. 각 탄소의 3개의 sp2 궤도함수 각각은 3개의 다른 탄소의 sp2 궤도함수와 δ 결합. 각 탄소는 1개의 2p 궤도함수가 남아 있고

이들이 π 분자 궤도함수를 형성 → π 결합 형성 이 π 결합은 흑연층의 안정성에 기여하고

비편재화된 전자를 가지므로 흑연의 전기 전도성을 설명.

금속에서의 전도띠와 매우 비슷한 근접한 분자궤도함수의 띠를 형성.

(19)

흑연(밀도: 2.2g/cm3)을 2800°C에서 150,000 atm을 가하면

완전히 다이아몬드(밀도: 3.5g/cm3) 로 변환됨.

흑연의 강한 결합이 파괴되어 재배열이 일어나려면 고온 필요.

표, 그림 출처 : 일반화학, 7판, 자유아카데미, ZUMDAHL, ZUMDAHL

(20)

탄소화합물은 전형적으로 긴 고리의 탄소-탄소 결합 포함.

대부분 안정한 규소 화합물은 규소-산소 결합 포함.

SiO2(실리카의 실험식):

실리카는 CO2와 다르게 독립적인 SiO2 분자로 이루어지지 않았음.

규소의 원자가 궤도함수인 3p는 크기가 매우 커서 산소의 2p 궤도함수와 겹침이 어려움.

→ π 결합 형성이 어려움 → 규소는 4개의 산소원자와 단일결합 형성.

(21)

표, 그림 출처 : 일반화학, 7판, 자유아카데미, ZUMDAHL, ZUMDAHL

(22)

그림 10.28 (a)석영 결정,

(b)석영 유리(실리카를 녹는점인 1600°C 이상으로 가열/냉각하여 만듬)의 이차원 구조.

(23)

세라믹은 규산염을 기본으로 하며 한 번 굳어버리면 대단히 높은 온도까지도 견디고, 부식에 대한 저항도 대단히 강해 자동차나 제트기 엔진에 필수적.

매우 단단하나 구부러지기 보다는 부러지기 쉬워 극미량의 길다란 유기 분자를 첨가하여 쉽게 부서지지 않는 세라믹을 제조하여 더욱 가볍고 질긴 엔진 부품, 유연성을 가진 초전도체 전선. 극소형 전자 소자 제작에 유용하게 사용됨.

(24)

규소의 경우 전자로 채워진 분자궤도함수의 원자가띠와

빈 분자궤도함수의 전도띠사이의 간격이 다이아몬드보다 작음.

몇 개의 전자는 25°C에서 이 간격을 뛰어 넘어 규소를 반전도성 원소(반도체,

semiconductor)로 만듬. 높은 온도에서는 더 많은 전자가 들뜨게 하여 전도띠로 들어 가게 하므로 규소의 전도도 증가.

규소의 결정에 원자가전자가 하나 더 많은 비소 원자로 규소 원자를 바꾸어 주면, 비소의 하나 더 많은 원자가 전자가 여분의 전자로서 전도에 이용됨.

이 여분의 전자들의 에너지는 전도띠에 가까워서 쉽게 이들 준위로 뜰떠 전류를 흐르게 함 : n-형 반도체.

(25)

규소의 결정에 원자가전자가 하나 더 적은 붕소 원자로 규소 원자를 바꾸어 주면, 붕소는 규소 원자를 둘러싼 결합을 형성하는 데 필요로 하는 것보다 전자가 하나 적기 때문에 전자의 빈 곳 즉 구멍(hole)이 생김. 전자가 이 구멍을 채우기 때문에

새로운 구멍이 생기며, 이러한 과정이 되풀이 되어 양의 구멍이 이동.

양의 구멍의 이동 방향과 반대 방향으로 전자가 이동.

반도체가 주결정의 원자보다 더 적은 원자가전자를 가진 원자로 도핑하여 얻은 반도체: p-형 반도체.

순수한 규소에서는 원자가띠는 전자로 채워져 있으나 규소의 일부분을 붕소로 대치하면

원자가띠에 구멍이 생김.

표, 그림 출처 : 일반화학, 7판, 자유아카데미, ZUMDAHL, ZUMDAHL

(26)

분자성 고체: 각 격자점에 독립된 분자를 단위체로 가지는 고체.

예: 드라이 아이스(고체 CO2), 얼음, S8, P4,등.

분자성 고체의 분자들 간에 작용하는 힘.

London 분산력: 드라이 아이스(고체 CO2), S8, P4, I2 등.

쌍극자 모멘트: 물(수소 결합) 등.

황(S ) 백인(P )

10.6 분자성 고체

(27)

이온성 고체: 반대로 하전된 이온들 사이에 존재하는 강한 정전기적 힘으로 결합된 안정하고 녹는점이 높은 물질.

대부분의 이성분 이온성 고체의 구조에는

커다란 음이온은 최조밀 쌓임 구조[hcp(육방 최조밀 쌓임 구조) 또는 ccp(입방 최조밀 쌓임 구조)]로 쌓여 있고, 더 작은 양이온은 밀집된 음이온들 사이에 있는구멍에.

반대 전하를 가진 이온들 사이의 정전기적 인력을 최대로

같은 전하의 이온들 사이의 반발력을 최소로 하게 배열.

10.7 이온성 고체

(28)

그림 10.35

최조밀 쌓임 구조에서 생기는 3가지 형태의 구멍.

일정한 지름을 가진 구에 대해, 구멍의 크기는 아래 순서로 증가.

삼각형<사면체<팔면체

삼각형 구멍은 매우 작아서 이성분 이온 결합 화합물에서 결코 채워질 수 없음.

(29)

황화 아연(ZnS)에서 S2- 이온(반지름: 180 pm)은 면심 입방 단위 세포를 가진 입방 최조밀 쌓임(ccp) 구조. 사면체 구멍에는 Zn2+ 이온(반지름: 70 pm).

Ccp 구조의 단위 세포에는 8개의 사면체 구멍.

8개의 사면체 구멍 중 4개만이 Zn2+ 이온으로 채워져 있음(∵전기적 중성 이루기 위하여 S2- 이온 수와 같은 수의 Zn2+ 이온 가져야) (면심 입방 단위 세포에서 S2-가 총 4개 존재)

ZnS의 단위 세포.

Zn2+ 이온은 하나 건너의 사면체 구멍에 위치.

표, 그림 출처 : 일반화학, 7판, 자유아카데미, ZUMDAHL, ZUMDAHL

(30)

Cl- 이온은 면심 입방 단위 세포를 가진 입방 최조밀 쌓임(ccp) 구조.

팔면체 구멍의 위치가 “x” 로 나타나 있음.

모든 팔면체 구멍에 Na+ 이온이 위치.

가장 쉽게 볼 수 있는 팔면체 구멍은 입방체 중심에 있는 구멍: 이 구멍은 팔면체를 형성하는 6개의

구에 의해 둘러 싸여 있음.

(ccp 구조에서 팔면체 구멍 수

= 밀집된 음이온의 수)

(31)

Cl- 이온은 면심 입방 단위 세포를 가진 입방 최조밀 쌓임(ccp) 구조.

단위 세포에 있는 Cl- 이온의 수 =

Na+ 이온은 입방체의 중심과 각 12개의 모서리의 중간에.

단위 세포에 있는 Na+ 이온의 수 =

단위 세포 내에 있는 이온의 수는 4개의 Na+ 이온과 4개의 Cl- 이온

→ 이것은 염화소듐의 1:1 화학량론과 일치.

표, 그림 출처 : 일반화학, 7판, 자유아카데미, ZUMDAHL, ZUMDAHL

(32)

a. 고체 금은 금속성 성질을 가진 원자성 고체.

b. 고체 이산화탄소는 비극성의 이산화탄소 분자를 가진 분자성 고체.

c. 고체 플루오린화리튬은 이온성 고체.

d. 고체 크립톤은 London 분산력만으로 상호 작용하는 8A족 크립톤 원자를 가진 원자성 고체.

(원자성 고체, 분자성 고체, 이온성 고체 중 어느 것?)

(33)

그물형 금속 8A족

표, 그림 출처 : 일반화학, 7판, 자유아카데미, ZUMDAHL, ZUMDAHL

(34)

증발(vaporization)(기화/evaporation): 액체 분자가 액체의 표면을 이탈하여 기체가 되는 것 → 액체 내의 비교적 강한 분자 간 힘을 극복하는 데 에너지가 필요하므로 흡열 반응.

증발열(증발엔탈피, ∆

H

증발): 1 atm의 압력에서 액체 1 mol이 증발하는 데

필요한 에너지.

물은 비정상적으로 큰 증발열(40.7 kJ/mol) 가짐.

물의 증발은 땀의 증발을 통하여 인체의 온도 조절에서 중요한 역할.

응축(condensation): 증기 분자들이 다시 액체가 되는 과정

10.8 증기압과 상태 변화

(35)

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

(36)

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.

(37)

표, 그림 출처 : 일반화학, 7판, 자유아카데미, ZUMDAHL, ZUMDAHL

(38)

에서

(39)
(40)

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.

(41)

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)

(42)

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.

(43)

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

(44)

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.

(45)

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

(46)

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.

(47)

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

(48)

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 녹는점

T

3

P

3: 삼중점을 나타냄

T

c: 임계 온도

P

c: 임계 압력

고체/액체선의 기울기가 음인 것은 얼음의 밀도가 물의 밀도보다 작다 는 것을 나타냄.

10.9 상평형 그림

(49)

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

(50)

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.

(51)

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

(52)

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.

(53)

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

(54)

(액체의 증기압 = 외부 압력) 일 때 액체는 끓는다.

→ 높은 고도에서는 낮은 대기압 → 낮은 끓는점.

(낮은 외부 압력)

(55)

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

(56)

CO2는 25°C/고압 하에서 액체로 존재.

1 atm하에서 소화기에서 배출된 CO2는 바로 기체로.

CO2 기체는 공기보다 무겁기에 산소를 불꽃으로부터 차단 → 소화.

CO2의 증발(기화)는 큰 흡열 반응 → 냉각효과(소화에 도움)

→ 공기를 응축시켜 “안개” 형성.

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참조

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