기체, 액체,고체, 그리고 분자간 힘
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6.1 고체, 액체, 기체
6.2 이온 화합물과 분자 화합물의 비교 6.3 분자간 힘
6.4 용액 안의 힘
6.5 기체: 분자 동력학 이론 6.6 기체 법칙
6.7 이상기체 법칙
분자간에 작용하는 힘에 대하여 알아보자. 이 힘의 원천은 정전기적힘
이다. 힘의 세기에 따라 물질의 성질이 달라진다. 분자에 작용하는 힘에
대한 이론은 분자의 움직임을 예측하는데 매우 중요하다.
분자간 힘과 분자 내부의 힘
- 분자들 사이에 존재하는 힘(분자간 힘)
: 액체나 기체의 거시적인 물리적 성질을 결정 - 분자 내부의 힘(화학결합 힘)
: 분자의 모양이나 극성 같은 분자의 성질을 결정
그림 6.1 분자 내부의 힘과 분자간 힘.
6.1 고체, 액체, 기체
고체, 액체, 기체
고체 : 입자(원자, 분자, 이온)들이 서로 인접, 질서 있게 모여 있는 집합체
액체 : 입자들이 서로 인접, 느슨하게 배열
기체 : 분자들이 상대적으로 더 멀리 떨어져 있으며 방향 없이 빠르게 움직임
그림 6.2 물질의 세 가지 상태
(a) 대부분의 고체들에서 분자(또는 원자)들은 고정된 위치에서 진동함 (b) 사람이 많은 방에서 움직이는 사람들처럼 액체에서 분자들은 가까
이 접촉하지만 자유롭게 운동한다.
(c) 기체분자들은 멀리 떨어져 있어서 자유롭고 불규칙하게 움직인다.
물질의 상태변화
그림 6.3 가열하거나 식힐 때 물질의 상태 변화를 보여주는 도표.
6.2 이온 화합물과 분자 화합물의 비교
분자 화합물과 이온 화합물의 차이
- 이온 화합물은 거의 모두 상온에서 고체 이다.
- 일반적으로 이온 화합물은 분자 화합물 보다 녹는점과 끓는점이 매우 높다.
- 일반적으로 이온 화합물은 분자 화합물을 녹일때 보다 10-100배의 에너지가 더 필요 하다.
- 많은 이온 화합물은 물에 녹아 용액을 만들고 전기를 통한다.
- 대부분의 이온 화합물은 결정성이며 단단 하고 깨지기 쉽고, 분자 화합물 고체는
이온 화합물 보다 부드럽다. 그림 6.4 (왼쪽 사진) 염화나트륨 수용액은 이온을 함 유하고 있어서 전류가 통하기 때문에 전구에 불이 들어 온다.
(오른쪽 사진) 메탄올 수용액은 전구에 불이 들어오지 않는다.
6.3 분자간 힘
쌍극자-쌍극자 힘
- 이온 간의 인력보다 훨씬 약하지만 비슷한 크기의 비극성 분자 사이의 인력보다 강함 ex) HCl – 녹는점(-112℃), 끓는점(-85℃),
상온에서 기체
그림 6.5 (a) 고체와 (b) 액체에서 쌍극자 인력을 나타내는 그림. 실제 액체와 기체에 서의 상호작용은 더 복잡함
분산력
분산력 : 분자들 사이의 순간적이고 약한 인력 - 비극성 화합물의 물리적 성질을 결정
그림 6.6 분산력 메커니즘.
수소결합
수소결합 : 불소, 산소, 질소 같은 작고 매우 전기음성도가 큰 원자에 수소가 결합되어 작용하는 인력 ex) 물분자 - 높은 녹는점과 끓는점
그림 6.7
불화수소와 물의 수소결합
6.4 용액 안의 힘
용액 안의 힘
용액(solution) : 2가지 이상의 물질이 친밀한 관계를 유지하며 균일하게 섞여 있는 것 (ex. 소금물)
용질(solute) : 더 적은 양으로 존재하는 녹은 물질 (ex. 소금)
용매(solvent) : 더 많은 양으로 존재하는 녹이는 물질 (ex. 물)
그림 6.8 용액에서 용질 분자(오렌 지색 구)는 용매 분자들(보라 색 구) 사이에 자유롭게 분포 한다.
“같은 것은 같은 것을 녹인다”
- 비극성 용질은 비극성 용매에 잘 녹고 (ex. 기름은 휘발유에 잘 섞이고)
- 극성 용질은 극성 용매에 잘 녹음 (ex. 에틸알코올은 물에 잘 녹음)
이온성 고체를 녹이는 방법
- 이온결합을 깨기 위해 높은 온도 필요
- 이온-쌍극자 인력이 이온-이온 인력을 극복
그림 6.9 (a) 2행정 기관을 가진 잔디 깎는 기계는 비극성 윤활유와 비극성 휘발유가 섞인 용액을 주유한다.
(b) 샐러드드레싱에는 극성식초와 비극성 올리브 기름이 섞여 있다. 그러나 두 액체는 용액을 만들지 못하고 세워두면 분리된다.
(c) 포도주는 극성 물에 극성 에틸알코올이 섞인 용액이다.
그림 6.10 이온성 고체(염화나트륨)는 극성 용매 (물)에 녹는다. 물은 수소 쪽으로 음전하를 띤 염소 이온을 둘러싸고 산소 쪽으로 양전 하를 띤 나트륨 이온을 둘러싼다.
6.5 기체: 분자 동력학 이론
분자동력학 이론(kinetic-molecular theory)의 기본 가정
1. 기체입자(기체입자는 대개 분자이며 불활성 기체의 경우에는 원자이다.)들은 빠르게 끊임없이 직선운동을 한다.
2. 기체입자들은 입자들 사이의 거리에 비하면 아주 작다.
3. 기체입자들 사이의 거리가 멀기 때문에 기체입자들 사이의 인력은 거의 없다.
4. 기체입자들은 서로 충돌한다. 충돌 시 에너지를 얻는 입자와 잃는 입자가 있지만 전체 에너지는 보존된다.
5. 온도는 기체 분자의 평균 운동에너지를 측정한 것이다.
그림 6.11 분자동력학 이론에 따르면 기체 상태의 분자는 끊임없이 자유운동을 한다. 기체 분자는 직선운동을 하고 서로 충돌하기도 하고 용기의 벽과도 충돌한다.
6.6 기체법칙
보일의 법칙 : 압력과 부피
보일의 법칙(Boyle’s law) : 일정한 온도에서 주어진 양의 기체 부피는 압력에 반비례함
V : 부피, P : 압력, a : 상수
PV = a (기체의 온도와 양이 일정할 때)
P V a
V P1
그림 6.12 분자동력학 이론 의 관점으로 본 보일의 법칙
그림 6.13 그래프로 나타낸 보일의 법칙
예제 6.1 보일의 법칙 : 압력-부피 관계
기체가 피스톤 실린더에 담겨 있다. 기체의 부피는 0.524 atm에서 2.00 L이다.
피스톤이 움직여서 기체 압력이 5.15 atm이 되었다. 압력이 이와 같이 커졌을 때 기체의 부피를 나타내는 가장 합리적인 값은 어느 것인가?
0.20 L 0.40 L 1.00 L 16.0 L 풀 이
압력이 0.524 atm에서 5.15 atm으로 거의 10배가 되었다. 따라서 부피는 초기값의 1/10이 되어야 한다. 부피의 추정값은 0.20 L이다.
예제 6.2 보일의 법칙 : 압력-부피 관계
실린더에 있는 산소의 부피가 2.25 L이다. 이 기체의 압력은 20℃에서 1,470 psi 이다. 온도가 변하지 않는다면 대기압(14.7 psi)에서 산소가 차지하는 부피는?
풀 이
psi L
psi L
P P
V V 225
7 . 14
470 , 1 25
. 2
2 1 1
2
샤를의 법칙 : 온도와 부피
샤를의 법칙(Charles’s law) : 일정한 압력에 있는 일정한 양의 기체의 부피는 절대온도에 비례함
V: 부피, T: 절대온도, b: 상수
예제 6.3 샤를의 법칙: 온도-부피 관계
온도가 27℃인 실내에 있는 풍선의 부피가 2.00 L이다.
(a) 온도가 47℃인 사우나에 있는 풍선의 부피는?
(b) 온도가 -23℃인 실외에 있는 풍선의 부피는?
(압력의 변화는 두 경우 모두 없다고 가정한다) 풀 이
a.
b.
T b or V
bT
V
그림 6.14 샤를의 법칙은 일정한 압력에서 부피와 온도 와의 관계를 나타냄
K L K L
T T
V V 2.13
) 27 273 (
) 47 273 ( 00 . 2
1 2 1
2
K L K L
T T
V V 1.67
) 27 273 (
) 23 273 ( 00 . 2
1 2 1
2
그림 6.15 샤를의 법칙의 실례
(a)액체질소(끓는점 -196℃)는 풍선을 실온보다 훨씬 낮은 온도로 식힌다.
(b) 풍선의 온도가 실온으로 돌아옴에 따라 공기의 부피는 온도에 비례하여 증가한다(약 4배)
그림 6.16 사무실에 있는 생수통 은 실제로 비어있는 것이 아 니다. 생수통 안에는 5갤런의 공기가 들어 있는데 이는 22.4L(STP 상태에서 1몰 기체 의 부피)보다 약간 적은 양이 다.
몰부피 : 표준 온도와 압력에서 22.4L
몰부피(molar volume) : 1몰의 기체가 차지하는 부피 표준상태의 온도와 압력(STP) : 0℃, 1atm
⇒ 표준상태에서의 기체 부피는 22.4L (기체종류와 관계없음)
예제 6.4 STP 상태에서 기체의 밀도 다음 기체의 밀도를 구하라
(a) STP 상태의 질소기체, (b) STP 상태의 메탄(CH4) 풀 이
a. 질소기체 =
b. 메탄기체 =
L N g
L N mol N
mol N
g 1.25 /
4 . 22
1 1
0 . 28
2 2 2
2
L CH g
L CH mol
CH mol
CH
g 0.714 /
4 . 22
1 1
0 . 16
4 4 4
4
6.7 이상기체 법칙
통합기체 법칙(combined gas law)
k : 상수
이상기체의 법칙(ideal gas law)
n: 몰수,
R: 기체상수(=0.0821 L·atm/mol·K)
PV k or PV kT
T
nRT PV
or nT R
PV
1 1 2 2
1 2
PV PV T T
예제 6.5 통합기체의 법칙
구난용으로 쓰이는 풍선이 200피트 물아래에서 50.0리터로 부풀려졌다.
이 깊이의 압력은 6.89atm이고 온도는 3℃이다. 풍선이 물 표면에 떠올랐을 때 (22℃, 0.988atm) 풍선의 부피는 얼마인가?
풀 이
1 3 273 276 T K
1 1 2 2
1 2
PV PV
T T 2 1 1 2
1 2
V PV T
T P
2 22 273 295 T K
2
6.89 50.0 295 276 0.988 373
atm L K
V L
K atm
예제 6.6 이상기체의 법칙
이상기체의 법칙을 이용하여 계산하라.
(a) 244K와 1.00atm에 있는 1.00몰의 질소가 차지하는 부피 (b) 303K에서 15.0L의 용기 안에 0.500몰 산소의 압력
풀 이 a.
b.
K L K
mol
atm L
atm mol P
V nRT 0.0821 244 20.0 00
. 1
00 .
1
K atm K
mol
atm L
L mol V
P nRT 0.0821 303 0.829 0
. 15
500 .
0
