ch. 10 수용액 평형 -...

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. 10 수용액 평형

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12.5 용액의 물리적 거동: 총괄성 총괄성(colligative property) 녹은 용질의 양에 의해 결정되고 용질의 화학적 성질과는 무관함. 총괄(colligative) • ‘함께 집단으로 묶임’을 의미 • 용질 입자들의 ‘집단’이 관찰되는 효과의 원인이 되기 때문에 이 용어를 사용함.

• 용질이 비휘발성이고 증기압이 무시할 정도로 작으면, 용액의 증기압은 항상 순수한 용매의 증기압보다 작음.

12.6 용액의 증기 압력 내림: 라울 법칙

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비휘발성 용질을 갖는 용액

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예) 25℃에서 물 15.0 mol에 포도당 1.00 mol을 녹인 용액의 증기 압력? 순수한 물의 증기압은 25℃에서 23.76 mm Hg,

라울 법칙(Raoult’s law) 비휘발성 용질을 갖는 용액의 증기압은 순수한 용매의 증기압에 용매의 몰분율을 곱한 값과 같음.

다른 방법 증기 압력 내림 값은 순수한 용매의 증기 압력에 용질(solute)의 몰분율을 곱해줘도 계산할 수 있음.

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NaCl과 같은 이온성 물질이 용질 전체 용질 입자(이온)농도에 근거하여 몰분율을 계산해야 함. 예) 25℃에서 물 15.0 mol에 NaCl 1.00 mol을 녹인 용액의 완전 해리를 가정했을 때의 증기압?

순수한 물의 증기압은 25℃에서 23.76 mm Hg,

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• 라울 법칙도 이상 용액에 대해서만 적용. • 라울 법칙은 대부분의 실제 용액에서도 어느 정도 잘 들어맞지만 용질 농도가 증

가할수록 이상 상태에서 크게 벗어남.

이온 결합 화합물의 용액은 일반적으로 이 화합물의 화학식이 제시하는 것보다 적은 양의 입자를 포함 • 이온성 물질이 완전히 해리하는 경우가 극히 드물기 때문에 실제 해리되는 정도는 반트호프 인자(van’t Hoff factor)를 사용함. • 설탕(C12H22O11) 과 같은 다른 비전해질에서는 항상 i = 1로 가정. • 예로서 염화 소듐과 같은 전해질 용액의 경우 0.05 m 염화 소듐에 대해 실험적으

로 측정한 반트호프 인자는 1.9(염화 소듐 1 mol이 완전 해리할 경우 예상 되는 2.0 mol이 아니라 1.9 mol의 입자만 내어 놓는다는 것을 의미)

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휘발성 용질을 갖는 용액 두 휘발성 액체 A와 B의 혼합물에서 전체 증기압 Ptotal은 각 성분의 증기 압력 PA와 PB의 합으로 나타남. • 각 성분의 증기 압력 PA와 PB는 라울 법칙에 따라 계산. • 즉 A의 증기 압력은 A의 몰분율 (XA) 과 순수한 A의 증기 압력 을 곱한 값, B의 증기 압력은 B의 몰분율 (XB) 과 순수한 B의 증기 압력 을 곱한 값과 같음. 그러므로 이 용액의 전체 증기 압력은

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비슷한 액체 유기물인 벤젠(C6H6, bp = 80.1°C)과 톨루엔(C7H8, bp =110.6°C)의 혼합물의 예 • 순수한 벤젠은 25°C에서 증기 압력 P° = 96.0 mmHg • 순수한 톨루엔은 25°C에서 증기 압력 P° = 30.3 mmHg • 이 둘의 1:1 혼합물에서 각각의 몰분율 X = 0.500이고, 용액의 증기 압력은 63.2 mmHg 임.

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12.7 용액의 끓는점 오름과 어는점 내림

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• 일정한 온도에서 비휘발성 용질의 용액은 순수한 용매보다 낮은 증기 압력을 가지므로 이 용액을 끓이려면 더 높은 온도로 가열해야 함. • 용액의 더 낮은 증기 압력은 상도표에서 용액의 액체/증기 상전이 선이 순수한 용매의 그것보다 항상 더 아래에 있다는 것을 의미. • 결과적으로 용액의 삼중점 Tt는 더 낮고, 용액의 고체/액체 상전이 선은 더 낮은 온도로 이동하므로 용액을 얼리기 위해서는 더 낮은 온도로 냉각해야 함.

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끓는점 오름

증기 압력 내림의 경우와 마찬가지로 이온성 물질의 용액에 대한 끓는점 오름의 실제값은 반트호프 인자에 의해 주어지는 해리도(extent of dissociation)에 따라 달라 짐.(총괄성) • 농도는 몰농도가 아닌, 용질의 농도는 온도와 무관한 몰랄 농도 (용매 kg당 용질의 몰수)로 나타냄에 주의.

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어는점 내림

용액의 어는점 내림은 끓는점 오름과 같이 용해된 입자의 농도에 의존.(총괄성)

끓는점 오름과 어는점 내림 활용 • 겨울철에 눈이 녹은 도로에 소금을 뿌려 눈이 녹도록 하는데 이용(어는점 내림). • 자동차 방열기에 넣어 주는 부동액(물의 끓는점 오름). • 비행기 날개에 뿌리는 얼음제거 용액 (물의 어는점 내림).

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반투과성(semipermeable) 막 이 막은 물이나 기타 작은 분자들은 통과시키지만 큰 용질 분자나 이온은 통과하지 못하도록 차단함. 삼투(osmosis) 용액과 순수한 용매 또는 서로 다른 농도의 두 용액을 반투막으로 나누어 놓았을 때 용매 분자만 막을 통과해서 이동하는 과정. • 용매는 양쪽 방향으로 막을 통과하지만, 용매 쪽에서 용액 쪽으로 통과가 더 우세하고 더 빠르게 일어남. • 순수한 용매 쪽 액체의 양이 감소하는 반면 용액 쪽 액체의 양은 증가하고 따라서 용액의 농도는 감소함.

12.8 삼투와 삼투압

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용액의 삼투압, П [osmotic pressure,(그리스어 대문자 파이)] 정방향과 역방향 통과 속도가 같아지는 평형에 이르기 위해 필요한 압력을 말함. • 평형 상태에서 삼투압의 세기는 용액 속 용질 입자의 농도에 따라 달라짐. (총괄성) • 용질의 농도는 몰랄 농도가 아니라 몰농도(molarity)를 사용한다는 것에 유의.

삼투의 주된 원동력 순수한 용매가 막을 통과하여 용액과 섞이면 순수한 용매의 엔트로피가 증가하는 것이 원동력.

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12. 9 액체 혼합물의 분별 증류

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분별 증류

액체 혼합물을 끓는점의 차이를 이용하여 정제하는 방법(예: 원유의 정제)

• 휘발성 액체 혼합물을 끓여 증기를 응축할 때 분별증류가 일어남. • 증기는 라울 법칙에 따라 증기 압력이 더 큰 성분이 많게 되고 응축된 증기에도 그

성분이 더 많아 부분적인 정제가 이루어짐. • 만일 끓음/응축 순환 과정을 수없이 반복한다면 더 휘발성인 액체 성분을 완전히

정제하여 분리할 수 있음.

총괄성의 모든 응용 중에서 공업적으로 가장 중요한 것은 가솔린을 만드는 석유 정제 공정임.

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벤젠과 톨루엔의 1:1 몰 혼합물 (X벤젠과 X톨루엔 둘 다 0.500)의 분별 증류법 • 혼합물을 가열하기 시작하면 전체 증기 압력이 대기압과 같을 때, 즉 X • P°벤젠 + X • P° 톨루엔 = 760 mmHg일 때 끓음. • 증기 압력 곡선으로부터 (또는 클라우시우스-클라페이론 식을 이용한 계산에 의해) 365.3 K (92.2 ° C) 에서 끓는 것을 알 수 있음. • 이때 P°벤젠 = 1084 mmHg 이고 P°톨루엔 = 436 mmHg

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• 벤젠과 톨루엔의 출발 액체 혼합물은 1:1 몰 조성이지만의 조성은 1:1이 아님. • 끓는 혼합물의 전체 증기 압력 760 mmHg 중에서 542/760 = 71.3%는 벤젠 때문이고 218/760 5=28.7%는 톨루엔 때문임. • 이 증기를 응축하면 얻게 되는 액체의 조성이 바로 71.3:28.7임. • 세 번째 반복되는 끓음/응축 순환 과정은 증기 성분이 94.4% 벤젠/5.6% 톨루엔으로 되게 하고 원하는 순도에 이를 때까지 이 순환 과정을 반복함.

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• 실제에 있어서 연속적인 끓음/응축 순환 과정은 증류관 내에서 자연적으로 일어나고 정제의 중간 단계에서 액체 혼합물을 일부러 분리해 낼 필요는 없음. • 분별 증류는 비교적 단순한 공정으로서 전 세계의 정유공장 및 화학공장과 실험실에서 매일같이 사용되고 있음.