Transcript 제 12 장 액체와 고체

제 12 장. 액체와 고체
12-1 액체와 고체의 분자 운동
고체
(solid)
액체
(liquid)
기체
(gas)
 Definite volume and shape
분자운동에너지
 High density
<<
 Incompressible
분자간 인력에너지
 Vibrate about fixed position
 Assumes the shape of
분자운동에너지
container with definite volume

 High density
분자간 인력에너지  Slightly compressive
 Slide past one another freely
 Assumes the shape of
분자운동에너지
container with indefinite volume
 Low density
>>
분자간 인력에너지  Very compressible
 Free motion
12-2 분자간 인력과 상변화
분자간의 힘 (intermolecular interaction);
분자내의 힘 (intramolecular interaction);
 쌍극자-쌍극자 상호작용 (dipole-dipole interaction)
+
+
+
+
+
+
 이온-쌍극자 상호작용 (ion-dipole interaction)
+
+-+
+
-
-
Na+
Cl-
-
 수소결합 (hydrogen bonding)
100
H F
H2O
H F
HF
H
H
H
O
H
N
H
SbH3
NH 3
bp (oC)
H2S
SnH4
N
SiH4
H
CH 4
N
H
HBr
GeH 4
PH3
-100
HI
H2Se
AsH3
HCl
H
H
H
H
H2Te
0
-200
2
3
4
period
5
- 분자내 수소결합 (intramolecular hydrogen bonding)
O
H
O
OH
O
H
H
O
C
C
O
H
O
H
 분산력 (dispersion force)
- 유발 쌍극자 (induced dipole)
구형 전하분포, 쌍극자=0
+
양이온의 접근, 유발 쌍극자 발생
이온-쌍극자 작용
- + -
쌍극자의 접근, 유발 쌍극자 발생
쌍극자-유발 쌍극자 상호작용
+ +
- 순간 쌍극자 (instantaneous dipole)
- 편극도 (polarizability) ;
유발 및 순간 쌍극자의 양을 편극도로 나타낼 수 있으며,
이 편극도는 전자가 많을수록, 즉 분자가 클수록 크게 나타난다.
따라서 분산력은 전자수가 많고 크기가 클수록 강하다.
- 유사한 비극성 분자들의 녹는점, 끓는점 (oC)
화합물
녹는점
끓는점
화합물
녹는점
CH4
C2H6
C3H8
C4H10
C6H14
-182.5
-183.3
-188
-138
-95
-161
-88
-42
0
68
CF4
CCl4
CBr4
F2
Cl2
Br2
-150.0
-23.0
90.0
끓는점
-188
-34.6
59
- 분자간 전체 상호작용 에너지에 기여하는 인자
분자
쌍극자모멘트
(D)
Ar
CO
HCl
NH3
H2O
0
0.1
1.03
1.47
1.85
a수소결합
쌍극자-쌍
분산에너지 전체에너지
극자 에너지
0
0
3.3
13a
36a
8.5
8.7
17.8
16.3
10.9
8.5
8.7
21
29
47
몰기화열
(kJ/mol)
6.7
8.0
16.2
27.4
40.7
액체상태 (Liquid State)
12-3 점도 (viscosity)
Ostwald 점도계
화합물
점도
(cp, 10-3 N s /m2)
공기
C6H6
H2O
CH3OH
C2H5OH
Glycerol
Ethylene Glycol
0.02
0.625
1.01
0.9
1.20
14.9
15
화합물
점도
(cp, 10-3 N s /m2)
Ethyl ether
Acetone
Benzene
CCl4
Hg
Blood
0.233
0.316
0.625
0.969
1.55
4
12-4 표면장력 (surface tension)
12-5 모세관 작용 (capillary action)
물
수은
응집력 (cohesive force)
> 부착력 (adhesive force)
응집력 (cohesive force)
< 부착력 (adhesive force)
12-6 증발 (evaporation, vaporization)
분포
운동에너지
12-7 증기압 (vapor pressure)
800
34.6 oC
78.3 oC
760
100 oC
600
Vapor
pressure 400
(mmHg)
Ethanol
Diethyl
ether
Water
200
H vap
ln P   const.
RT
H vap
log P   const.
2.303RT
Hvap; 기화열 (heat of vaporization)
0
20
40
60
80
100
o
Temperature ( C)
H vap 1 1
P1
ln  (  )
P2
R T2 T1
고체상태
12-10 녹는점 (melting point, freezing point)
고체
온도
액체
Hfus; 용융열 (heat of fusion)
기체의
냉각
발열
응축
액체의
냉각
응고
고체의
냉각
용융
기체의
온도 증가
기화
액체의
온도 증가
흡열
고체의
온도 증가
가열
12-12 고체의 승화(sublimation)와 증기압
고체
기체
Hsub; 승화열 (heat of sublimation)
Hsub = Hfus + Hvap
12-13 상도표 (phase diagram)
Solid
critical
point
Liquid
fusion
freezing
Pressure
triple
point
삼중점 (triple point)
임계온도 (critical temperature)
vaporization
condensation
sublimation
deposition
Temperature
Gas
임계압력 (critical pressure)
218
atm
D
5.11
atm
C
1 atm
B
Ice
Water
vapor
A
0.0098
Z
CO2(l)
CO2(s)
Water
Pressure
4.58
mmHg
73
atm
100
374
Temperature (oC)
X
(CO2(g))
1 atm
Y
-78.5
-56.4
31.1
12-13 비결정성 고체와 결정성 고체
결정성 (crystalinity)
결정성 고체의
결정격자 (crystal lattice);
단위세포 (unit cell);
14 Bravais crystal lattices
Unit cell
Crystal lattice
Cubic
(a=b=c,
abg90o)
단순입방격자
simple cubic
crystal lattice
체심입방격자
body centered
cubic crystal 
면심입방격자
face centered
cubic crystal 
Tetragonal
(a=bc,
abg90o)
simple
tetragonal
crystal lattice
Orthorhombic
(a b c,
abg90o)
simple
orthorhomic

body centered
tetragonal 
body centered
orthorhomic 
face centered
orthorhomobic
end centered
orthorhomobic
Unit cell
Crystal
lattice
Rhombohedral
(a=b=c,
abg 90o)
Monoclinic
(a bc,
ag90o,
b  90o)
Triclinic
(a b c,
a b g 90o)
rhombohedral
crystal lattice
Hexagonal
(a= b c,
ab90o,
g 120o)
육방결정 격자
Hexagonal
crystal lattice
simple
monoclinic
crystal lattice
triclinic
crystal lattice
end centered
monoclinic
crystal lattice
 채우기 효율 (packing efficiency)
-단순입방격자 (scc)
1
4

1
단위 세포당 원자수 =
4
4 3 4 a 3  3
한 구의 부피 = r  ( )  a
3
3 2
6
단위 세포의 부피 = a3

1 a 3
6 100%  52%
(최대) 채우기 비율 =
a3
a  2r
-체심입방격자 (fcc)
1
단위 세포당 원자수 = 4   1  2
4
4 3 4
3a 3
3 3
) 
a
한 구의 부피 = r  (
3
3
4
16
단위 세포의 부피 = a3
(최대) 채우기 비율 =
2
3 3
a
16
100%  68%
3
a
3a  4r
-면심입방격자 (fcc)
1
1
단위 세포당 원자수 = 4   6   4
4
2
4 3 4
2a 3
2 3
) 
a
한 구의 부피 = r  (
3
3
4
24
단위 세포의 부피 = a3
(최대) 채우기 비율 =
4
2 3
a
24
100%  74%
3
a
2a  4r
최근접 거리
예제 12-7.
Ag는 fcc 구조, a = 4.086 Å
o
o
b 1
2

2a 
(4.086 A ) = 2.889 A
2 2
2
a) 근접 원자간의 거리,
o
o
b) 원자반지름 = 2.889 A /2 = 1.444 A
c) 인접원자의 갯 수 =
 최조밀 쌓기 (close packing)
ABA형
ABC형
close packing에는
cubic close packing (ccp)와 hexagonal close packing (hcp)
 금속 고체
- 주로 bcc, fcc, hcp 구조를 가진다.
- 자유전자의 delocalization에 의한 결합
- 전도성이 우수하다.
- Li, K Ca, Cu, Cr, Ni 등
 이온 고체
- 양이온과 음이온의 정전기적 인력에 의한 결합
- 고체상태에서는 부도체
- 용융 또는 수용액에서 도체
- 녹는점이 높다.
- 딱딱하나 부서지기 쉽다.
- NaCl, CaBr2, K2SO4 등
 분자 고체
-분자간 수소결합, 쌍극자-쌍극자, 분산력 등에 의한 결합
- 결정성이 매우 약하다
- soft, 녹는점이 낮다.
-전기전도도, 열전도도가 낮다.
-얼음, 설탕(C12H22O11), 드라이아이스(CO2), I2, P4, S8 등
 공유결합 고체
-원자간의 공유결합에 의해 결정 형성
-매우 단단, 녹는점이 매우 높다.
-전기전도도, 열전도도가 낮다.
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
Diamond
Graphite
SiO2