12.1 용액
12.2 용해 과정
12.3 용액의 농도 단위
12.4 용해도에 영향을 주는 인자들 12.5 용액의 물리적 거동: 총괄성
12.6 용액의 증기 압력 내림: 라울 법칙 12.7 용액의 끓는점 오름과 어는점 내림 12.8 삼투와 삼투압
12.9 액체 혼합물의 분별 증류
Ch. 9 용액과 그들의 성질
혼합물
두 가지 이상 물질이 각 성분 임의의 비율로 화학적 변화 없이 단순히 섞여 있는 물질을 의미함.
불균일 혼합물(heterogeneous mixture)
혼합이 균일하지 않아 지역에 따라 조성이 다름.
예) 모래와 설탕, 가솔린과 물, 먼지와 공기 등의 혼합물.
균일 혼합물(homogeneous mixture)
혼합이 균일하고, 따라서 전체적으로 일정한 조성을 가짐.
예) 공기: 주로 산소와 질소의 기체 상태 혼합물.
바닷물: 물에 주로 소금이 녹아있는 액체 혼합물.
놋쇠: 구리와 아연의 고체 상태 혼합물.
균일 혼합물의 분류(크기에 따른) 용액(solution)
• 전형적인 이온이나 작은 분자의 크기인 지름 0.1~2 nm 크기의 입자.
• 색깔을 띠는 경우에도 투명, 방치하여도 분리되지 않음.
콜로이드(colloid)
• 지름 2~500 nm 크기의 입자.
• 흐리거나 빛에 불투명하지만 가만히 방치하여도 분리되지 않음.(예: 우유, 안개) 현탁액 (suspension)
• 콜로이드보다 더 큰 입자를 가짐.
• 불균일 혼합물이며 방치 시 분리됨. 예) 혈액, 페인트, 에어로졸 스프레이
12.1 용액
12.2 용해 과정
• 용액들은 응축상(condensed phase)으로서 액체나 고체 상태를 가짐.
• 모든 분자간 힘(intermolecular force)은 용액의 성질을 설명하는 데도 마찬가지로 중요.
용질의 용해
• 3가지 유형의 상호 작용, 즉 용매-용매, 용매-용질, 용질-용질 상호 작용을 고려해야 함.
• 분자간 인력의 유형과 크기가 비슷한 두 물질끼리 서로 잘 녹임.
• 비극성 분자는 비극성 용매에 녹음.
CCl4 / C6H6
• 극성 분자는 극성 분자에 녹음.
C2H5OH / H2O
• 이온 화합물은 극성 용매에 더 잘 녹음.
NaCl / H O
물 속에서 NaCl 결정의 용해 과정
• 고체 NaCl을 물에 넣으면, 결정의 구석이나 모서리에 위치하기 때문에 상대적으로 약하게 결합된 이온들은 물 분자에 노출되어 있어 떨어져 나올 때까지 계속해서 물 분자와 충돌함.
• 떨어져 나온 이온 주위에는 더 많은 물 분자들이 달라붙어 이온-쌍극자 인력으로 이온들을 안정화.
• 결정에는 다시 새로운 구석과 모서리가 노출되고 이 과정은 결정이 완전히 녹을 때까지 반복함.
• 용액 중의 이온은 용매화(solvated) 된다고 하고 물이 용매일 때는 좀 더 구체적으로 수화(hydrated)된다고 함.
• 용질의 용해는 자유 에너지 변화(Δ
G
= ΔH
-T
ΔS
)와 관련이 있고, 자발성 여부를 판단할 수 있음.• 만일 Δ
G
값이 음수이면 용해 과정은 자발적이고 용질이 녹지만, ΔG
값이 양수이면 용해 과정은 비자발적이고 용질은 녹지 않음.• 엔탈피 항 Δ
H
는 용해되는 동안 계 내부 또는 외부로의 열 흐름 척도임.• 온도 의존성 엔트로피 항
T
ΔS
는 계 내에서 분자 무질서도의 변화에 대한 척도임.용해열(heat of solution) 또는 용해 엔탈피(enthalpy of solution, Δ
H
용해) 용해 시 엔탈피 변화용해 엔트로피(entropy of solution, Δ
S
용해) 용해 시 엔트로피 변화• 용해 과정에서 분자의 무질서도가 증가하기 때문에 용액의 엔트로피는 일반적으로 양수 값을 가짐.
12.3 용액의 농도의 단위
가장 보편적인 네 가지 농도
• 몰농도(molarity)
• 몰분율(mole fraction)
• 질량 백분율(mass percent)
• 몰랄 농도(molality)
몰농도의 장점
• 질량 대신에 몰수를 사용하기 때문에 화학량론적 계산이 단순함.
• 용액의 양(따라서 용질의 양도 같이)을 질량이 아닌 부피로 측정하기 때문에 적정(titration)실험에 사용하기에 용이함.
몰농도의 단점
• 용액의 부피가 온도 변화에 따라 팽창하거나 수축하기 때문에 정확한 농도는 온도에 따라 달라짐.
• 용액의 밀도를 알지 못하면 일정한 부피의 용액 속에 들어있는 정확한 용매의 양을 알 수 없음.
몰분율(mole fraction,
X
)• 성분의 몰수를 용액을 구성하는 (용매도 포함) 전체 몰수로 나눈 값.
• 온도와 무관하고 이 때문에 특히 기체 혼합물과 관련된 계산에 유용 함.
질량 백분율(질량 %)
그 성분의 질량을 용액의 전체 질량으로 나누고 100%를 곱해서 구함.
예) 글루코스 10.0 g을 물 100.0 g에 용해시켜 만든 용액은 9.09 질량 % 글루코스 농도를 가짐.
몰랄 농도(molality,
m
)• 용매 1 kg당 용질의 몰수(mol/kg)로 정의.
• 몰랄 농도의 주된 장점은 물질을 가열하거나 냉각하여도 질량은 변하지 않으므로 온도와 무관하다는 점.
• NaCl을 물에 넣으면 처음에는 빠르게 용해되지만 점점 더 많은 NaCl을 물에 넣을수록 용해되는 속도는 느려지게 됨.
• 더 이상 용해되지 않게 됨(결정에서 용액 속으로 용해되어 들어가는 Na+와 Cl- 이온의 수와 용액에서 결정으로 돌아오는 이들 이온의 수가 같아지는 동적 평형에 이르기 때문).
• 이 시점에서 녹을 수 있는 NaCl이 최대치가 되고 이 용액은 그 용질로 포화(saturated) 되었다고 함.
• 어떤 물질은 과포화(supersaturated) 용액을 형성할 수 있는데, 과포화 용액은 평형 상태보다 더 많은 용질을 포함함.
12.4 용해도에 영향을 주는 인자들
• 아세트산 소듐 포화 용액을 고온에서 만든 다음 서서히 냉각시키면 과포화 용액이 얻어짐.
용해도에 대한 온도 효과
용해도(solubility)
• 일정 온도에서 포화 용액의 형성에 필요한 용매의 단위 부피당 물질의 양을 그 물질 의 용해도라고 함.
• 용해도는 물질의 주요한 물리적 특성.
• 용해도는 물질마다 서로 크게 다름.
• 온도에 의존하는 물성이므로, 측정이 이루어진 온도를 함께 보고해야 함.
• 용해도와 온도 사이에 분명한 상관관계는 없음.
• 그러나 분자성이나 이온성 고체의 용해도는 대부분 온도 증가에 따라 증가함.
기체의 물에 대한 용해도에 대한 온도 효과
• 고체의 용해도에 대한 온도 효과보다 더 예측 가능함.
• 대부분의 기체는 온도 증가에 따라 물에 덜 용해됨.
k
(헨리 법칙 상수):• 기체의 특성
• mol/(L·atm) 단위로 나타내고, 온도에 의존. 일반적으로 25℃
측정값으로 보고
• P는 용액 위 기체의 부분압
용해도에 대한 압력 효과
• 압력은 액체와 고체의 용해도에 거의 영향을 주지 않음.
• 기체의 용해도에는 크게 영향을 줌.
• 헨리 법칙(Henry’s law)에 따라 일정 온도에서 액체에 대한 어떤 기체의 용해도는 용액 위 그 기체의 부분 압력에 정비례함.
헨리 법칙 거동을 따르는 예
1. 소다수나 탄산음료 캔을 열 때 ‘쉿’ 하는 소리를 내면서 기체 방울이 분출하는데 이는 깡통 내부의 CO2 압력이 급감함에 따라 CO2의 용해도가 갑자기 감소하기 때문 임.
2. 잠수병
• 높은 수압하에서 많은 양의 질소가 혈액에 용해되기 때문에 생김.
• 잠수부가 물 위로 올라와 압력이 너무 급격히 감소하면 질소 기포들이 혈액 중에 생기고 이들이 모세혈관을 막아 혈액의 흐름을 차단하게 되어 고통스럽고 생명을 잃을 수도 있는 상태에 빠질 수 있음.
분자적 관점에서의 헨리 법칙
• 압력의 상승에 따른 기체 용해도의 증가는 용해되어 있는 기체와 용해되지 않은 기체 사이에 평형의 위치가 변하기 때문에 일어남.
• 어떤 압력 하에서 용액으로 들어가고 빠져나가는 기체 입자의 수가 동일하면 평형이 형성된 것.
• 압력이 증가하면 빠져나가는 것보다 더 많은 기체 입자가 용액으로 들어가고 이에 따라 새로운 평형이 형성될 때까지 기체 용해도는 증가하는 것.
