제 7 장 용액의 물리적 성질

7.1 혼합물의 종류: 서스펜션, 콜로이드, 용액

혼합물을 입자크기에 따라 서스펜션(suspension), 콜로이드(colloid), 용액(solution)의 세가 지로 나눌 수 있음 서스펜션 > 콜로이드 > 용액

7.2 농도 단위

몰 분율 (mole fraction) : 전체 몰 수에서 그 성분이 차지하는 몰 수의 비율 성분 율 XA 는 다음과 같다.

i 의 몰 수를 ni 라 하면 성분 A의 몰 분

질량백분율 몰랄 농도 : 용매 1 kg 당 녹아있는 용질의 몰 수 , m으로 표시하며 단위는 몰랄이다.

7.3 용해도와 온도

 용해도상의 온도에 대한 차 이점들은 분별결정을 활용할 수 있음  분별결정은 화학반응의 생 성물로 부터 불순물을 분리 하는데 사용 그림 7.6 물중에서 몇가지 전형적 고체에 대한 온도함수에 대한 용해도 변화

7.4 용해도에 대한 압력의 영향

그림 7.7 액체중의 기체 용해도에 대한 압력의 영향. (a) 기체와 그 용액 사이에 평형이 존재한다. (b) 부피를 감소하면 기체의 압력이 증가하고 평형이 때진다. (c)평형은 더 많은 기체가 용해될 때 회복된다.

Henry법칙 : 기체의 용해도가 미치는 압력을 나타낸 법칙 액체용액중의 기체의 용해도는 용액위의 기체의 압력에 정비례 함 C g = k g x p g Kg는 Herry 상수라하고 온도에 의존

7.5 용액의 증기압

용액의 증기압은 용질의 존재에 의해 영향 받는 물리적 성질중의 하나이다. 만약 비휘 발성용질이 액체 용매에 용해되어 있으면 용액의 증기압은 낮아진다, 물에 녹은 전해질 처럼 용매에서 해리할 수 있는 용질을 배제시킨던 용매 증기에 의해 가해지는 평형증기압력은 용액중의 용매 몰 분율에 비레한다 → Raoult법칙 P solution = X solvent X P o solvent 그림 7.8 모든 농도의 용액이 Raoult법칙을 따른다면 용액의 증기압은 0 으로부터 순수 한 용매의 증기압까지 선형적으로 변화한다.

그림 7.9 분자의 견지에서 본 Raoult법칙 (a)순수한 용매에 대한 액체-증기평형 (b)비휘발성 용질이 존재할때 용매의 증발속 도는 더 적고 증기압은 더 작다.

7.7 어는점 내림과 끓는점 오름

용매에 용질을 첨가하면 증기압이 내려감으로 끓는점은 올라가게 된다.

실제 끓는점 오름이나 어는점 내림을 측정하여 분자량을 계산할 수도 있다.

7.8 삼투압

반투막 (semipermeable membrane): 일부 분자는 통과하지만 다른 분자는 통과할 수 없는 막용 매는 통과할 수 있지만 용질은 통과할 수 없는 반투막을 경계로 용액과 용매를 나누어 넣으면 농 도가 같아지기 위해 용매가 용액쪽으로 이동한다. 이 때 생기는 압력을 삼투압 이라고 한다.

압력 에 대해 다시 정리하면 용액의 삼투압을 측정하여 용액의 몰 농도를 구할 수 있으며 넣어준 용질의 질량과 용액 의 부피를 알면 분자량을 구할 수 있다.

7.10 에너지 보존과 열역학 1법칙

열역학 1법칙 :   물리화학적 변화에서 에너지는 창조되거나 파괴되지 않고 그것은 한 종류로 부터 다른 종류 로 변화할 수 있다. 만일 계가 궁극적으로 원래의 상태로 돌아가게 하는 어떤 일련의 변화를 수행한다면 전체 에너지 변화는 0이다 △E = E final – E initial △E = E products – E reactants △E = q + w 양의 값 q (q > 0) : 열이 계에 가한다.

양의 값 w (w > 0) ; 일이 계에 행해지고 에너지가 가해진다.

음의 값 q (q <0) ; 열이 계에 의하여 방출된다(계로부터 제거된다) 음의 값 w (w <0) : 일이 계에 의하여 행해지고 에너지가 제거된다.

계에 가하여진 열, 일, 에너지를 +, 계에서 주위로 방출된 일, 열, 에너지를 -로 계산한다.

물리화학적 계의 일

팽창 혹은 압축과 관계가 있는 일의 양은 계가 수행하는 부피변화와 마찬가지로 계에 가해 지는 압력과 관계 있다. 일은 어떤힘으로 어떤 거리를 움직일 때 나타낸다.

일 = 힘 X 거리 P= F / A (A; 단면적, h; 높이) V = Ah 기체가 팽창하여 피스폰 밖으로 밀어낼 때 단면적 A는 변하지 않으나 h는 변한다 압력과 부피변화를 곱하면 △V = Vf-Vi = Ahf – Ahi = A(hf-hi) = A(△h) P△V = F / A (△h) = F△h 사실상 P△V는 계가 팽창할때 계가 주위에 행한 일의 양이 같으므로 W surrounding = P△V

7.12 결합에너지와 반응열

결합에너지 : 전기적 중성소각으로 만들기 위해 화학결합을 끊는데 필요한 에너지 H 2 (g)→2H(g) 복잡한 분자에서 모든 결합을 끊는데 필요한 에너지와 기체분자의 전체를 중성조각 으로 만드는데 필요한 에너지를 원자화에너지(atomization energy)라함 (△Hatom)----분자내의 모든 결합에너지의 합 엔탈피 변화(Enthalpy Change) : 일정 압력하에서 PV이외의 일이 없을 때 생기는 열, 상태함수이다.

생성 엔탈피(Enthalpy of Formation) : 표준상태의원소물질로부터 어떤 물질이 생성될 때 필요 한 엔탈피 예: 2 H2( g ) + O2( g ) → 2 H2O( l ) 이 반응의 엔탈피가 물의 생성엔탈피이다.

Hess의 법칙 여러 화학반응식을 합하여 원하는 화학반응식을 얻는 경우 각 반응의 엔탈피 합 이 원하는 반응의 엔탈피이다

7.13 에너지, 엔트로피, 그리고 물리화학적 변화의 자발성

에너지 변화와 자발성  열역학에서 상압하에 일어나는 반응의 퍼텐셜에너지 감소와 관련있는 것은 △H이고 발열반응은 △H<0이다.  연료의 연소와 같이 음의 엔탈피 변화를 갖는 반응은 자발적 반응이다 무질서도의 경향 Page 286 그림 7. 26 엔트로피  계는 확률이 커지는 반향으로 자발적으로 변화하므로 엔트로피가 커지는 방향으 로 자발적으로 변화하는 경향이 있음  만일 어떤 변화에서 엔트로피가 증가하면 그변화는 자발적 반응이 일어남  엔트로피의 변화를 △S = S final – S initial 이라하고 △S 가 양일때(△S >0) 자발적 반응이 일어남

S

solid

< S

liquid

<< S

gas

7.14 열역학 제 2법칙

 열역학 제2법칙에 의하면 모든 자발적 반응에서 우주의 엔트로피는 항상 증가한다 .

자유에너지와 자발성 열역학 제2법칙은 엔탈피와 엔트로피변화로 부터 Gibbs 자유에너지(G)을 유도 G = H -TS 상온과 상압반응에서 △G = △H - T△S 계에서 일어나는 모든 자발적 반응들은 자유에너지를 낮추어야 하고 △G는 음의 값이 되어야함(△G<0) 그러므로 Gibbs의 자유에너지 변화(△G)는 자발성에 기여하는 두 가지 요소의 △H 와 △S를 제시해줌

7.16 표준에트로피와 자유에너지

열역학 제3법칙: 절대영도에서 순수한 모든 결정체들의 엔트로피는 0이다.

△S o = (생성물의 S o 합계) – (반응물의 S o 합계) 표준생성열과 표준엔트로피로부터 표준생성자유에너지(standard free energy of formation)를 계산 △G 0 f = △H 0 f - T△S 0 f △G 0 = (생성물의 △G 0 f 합계)-(반응물의 △G 0 f 합계)