Transcript 분자간의 인력 수소결합

제 6 장 기체의 물리적 성질
6.5 분자운동과 기체 법칙
기체 분자 운동론을 설명하기 위한 가설
① 기체는 끊임없이 무질서 운동을 하는 작은 분자로 이루어진다.
② 기체분자의 자체 부피는 기체가 차지하는 전체 부피에 비해 무시할 수 있을 정도로 작다.
(즉, 기체분자는 공간에서 크기가 없는 점(point)으로 가정한다.)
③ 분자들 사이의 힘(인력, 척력)은 서로 충돌할 때를 제외하고는 무시한다.
④ 분자들 사이의 충돌은 완전 탄성 충돌이다. 즉, 충돌시 에너지의 손실이 없다.
⑤ 기체 분자들의 평균 운동에너지는 기체의 절대온도에 비례한다.
 실제 기체는 부피가 작거나 압력이 높아지면(결국 같은 조건) 이상기체법칙에
서 벗어난다. 이는 공간이 좁아지면 기체 분자의 크기나 인력을 무시할 수 없기
때문에 위의 가정 ②, ③이 성립할 수 없기 때문이다.
기체 분자들의 평균운동에너지가 기체의 종류에 관계없이 기체의 절대온도에만
비례하면 결국
이므로 질량이 작은 것이 빨리 움직인다. 이로부터
확산의 법칙 등을 이해할 수 있다.
6.7 실제기체
반데르발스 상태 방정식
∙Johannes van der Waals, 1873
∙분자간 인력, 반발력을 고려, 보정한 식
∙van der Waals const : a, b는 기체 종류에 따라 다르며 실측값이다.
∙ 부피에 대한 보정항 : b, excluded volume
①1mol 분자 자신들이 가지고 있는 부피, 단위 : ℓ/mol
② Vreal < V ideal
③반발력과 관계됨
④액체의 몰부피와 거의 동일하다.
⑤분자의 실제 부피는 아니고 반발력에 의해 다른 분자가 접근 불가능한 부피이다.
∙ 압력에 대한 보정항 : a, 분자간 인력
①인력을 압력으로 바꾸는 역할을 하며 기체마다 다름
②서로 모이기 때문에 용기벽을 덜 때리게됨 → Preal < Pideal
③분자간 인력이 압력에 미치는 영향은(단위부피당 몰수)2=기체 분자의 밀도에 비례
∵2개의 조합이 가능한 개수이므로 제곱에 비례
6.7 실제기체
반데르 발스 방정식
n2a
( P +
) X ( V – nb ) = nRT
V2
6.8 분자간 인력의 형태
분자간의 인력
* 물질의 물리적 성질: 분자간의 인력의 크기에 따라 좌우
분자간의 인력 << 분자내 원자간 인력(화학결합) → H-Cl
분자내: 공유결합, 화학적 성질,
분자간: 물리적 성질
쌍극자-쌍극자 인력 (dipole-dipole attraction)
* HCl 분자: 극성분자
→ 쌍극자 반대 끝이 가깝게 놓임
→ but, 열에너지(분자운동 에너지)에 의해 충돌 → 배열이 완전하지 못함
그림 6.15 쌍극자사이의 정전기적 인력
* 공유결합 세기의 약 1% 정도
* 쌍극자-쌍극자 인력이 약한 이유
ⓐ 쌍극자 전하는 부분전하
ⓑ 상온에서 분자간 충돌에 의하여 쌍극자의 배열이 약간 어긋나게 됨
→ ∴ 효율적인 인력 감소
6.8 분자간 인력의 형태
수소결합
* H - F, O, N(작고, 전기음성도가 큰 원자) : 수소결합(hydrogen bond)
* 큰 쌍극자-쌍극자 인력
㉠ 큰 전기음성도 차이 : 매우 큰 극성 → 큰 부분전하,
㉡ 원자의 크기가 매우 작음 → 전하 밀집(큰 전하밀도)
→ 양전하와 음전하 사이의 인력 증가
㉢ 수소원자핵의 노출
* 쌍극자-쌍극자 인력보다 약 5∼10배
* 단백질 및 핵산: N-H, O-H → 전체구조와 생물학적 기능
물에서의 수소결합
* 물 → 센 수소결합
그림 6.17 물에서의 수소결합
* 액체 물: 수소결합이 깨어지고 재생
얼음: 수소결합 고정 → 공간이 많이 생김 → 밀도가 작음
6.8 분자간 인력의 형태
London 힘
* 영족기체 및 비극성 분자(Cl2와 CH4 등)사이의 인력
* 온도가 낮아지면: 액체(응축) → 고체
* 1930년 Fritz London
그림 6.19 순간 쌍극자 사이에 순간의 인력을
증가시켜줌으로서 전자밀도가
인접한 두 원자에 어떻게 변동하는가에 대한 순간 장면
→ 순간쌍극자(instantaneous dipole)-유발쌍극자(induced dipole)
→ 수명이 짧음 → but, 다른 순간에는 다른 쌍극자가 생김
→ ∴ 전체적으로 알짜 인력
→ 순간쌍극자-유발쌍극자 인력: London 힘(force)
* London 힘은 모든 분자와 이온들 사이에 존재
ⓐ 비극성 분자: 단지 London 힘
ⓑ 극성 분자: 쌍극자-쌍극자 인력 > London 힘
ⓒ 이온결합성 화합물: 이온간의 인력 >> London 힘
6.8 분자간 인력의 형태
표면장력(surface tension)
* 액체가 최소의 표면적의 형태로 되려는 성질 → 구형
→ ⓐ 빗방울, ⓑ 유리관의 끝이 불에 의해 둥글게 될 때, ⓒ 물 컵 가장자리 위의 물
→ 내부 분자가 표면 분자와 위치를 바꿀 때
퍼텐셜에너지: 내부 분자 < 표면 분자
* 액체에서 퍼텐셜에너지와 표면장력과의 관계
→ 표면적 감소 → 표면에 존재하는 분자수 감소 → 퍼텐셜에너지 감소
→ 안정한 상태 → 구형
* 액체의 표면장력: 액체의 표면적을 확장시키는데 필요한 에너지에 비례
* 센 분자간의 인력 → 내부 분자와 표면 분자사이의 퍼텐셜에너지 차이가 큼
→ 표면 분자의 수 감소 → ∴ 표면장력 증가
물(수소결합) > 가솔린(비극성 탄화수소, London 힘) 약 3배
6.8 분자간 인력의 형태
증발(evaporation)과 승화(sublimation)
* 증발: 액체에서 기체로의 상태변화 → 소낙비로 젖은 거리가 마를 때
승화: 고체에서 기체로의 상태변화 → 드라이아이스, 나프탈렌
* 액체와 고체: 기체와 마찬가지의 운동에너지 분포(그림 6.1)
→ 일부는 낮은 운동에너지, 또 다른 일부는 큰 운동에너지
→ 큰 운동에너지 → 빠른 속도 → 표면분자는 증기 속으로 달아남
→ 증발 또는 승화
6.9 증발열
몰증발열(증발열) : 일정한 압력에서 액에 1몰이 증발하는데 필요한 에너지량
Δhvap = Hgas – Hliquid
몰증발열은 기체의 엔탈피와 액체의 엔팔피간의 차로 정의
증발열과 증기압력
* Clausius-Clapeyron식: 증기압력, 증발열(ΔH증발) 및 온도
ln P = (-ΔH증발/R)(1/T) + C
ln (P1/P2) = (ΔH증발/R){(1/T2) - (1/T1)} + C
6.10 액체와 고체의 증기압
* 증기압력(vapor pressure)
→ 액체가 증발할 때 증기상태인 분자가 나타내는 압력
→ 밀폐된 용기내의 평형증기압력: 액체의 평형 증기압력
그림 6.22 액체의 증기압 측정. 액체의 적은양이 기얍계 위로 올라갔을때 액체의 증발은
관밖으로 수은을 밀어내는 압력(액체의 증기압)을 생기게 한다. (a)수은위로 액체 없음 (b)
물, (ㅊ) 에틸알코올), (d) 디에틸에테르
6.10 액체와 고체의 증기압
증기압력에 영향을 미치지 않는 인자들
→ 단위 표면적 당 증발속도에 영향을 미치지 않음
* 평형상태에서 약간의 액체라도 남아있으면, 증기압력의 크기는
ⓐ 플라스크 안에 있는 액체의 양
→ 표면에서만 증발되기 때문
ⓑ 플라스크의 공간부피
→ 공간부피가 증가하면 증발속도 변함없고, 응축속도 감소 → ∴ 평형도달 속도 느림
→ 공간부피가 감소하면 증발속도 변함없고, 응축속도 증가 → ∴ 평형도달 속도 빠름
ⓒ 액체의 전체 표면적
→ 증발속도와 응축속도 함께 증가
6.11 Le Chaterlier의 원리
동적 평형: 밀폐된 용기에서 액체와 증기사이에 존재하는 평형
→ 온도 증가: 증기 분자 증가 → 평형이 깨어짐 → 새로운 평형에 도달
Le Chatelier의 원리: 어떤 계의 동적 평형이 교란에 의해서 깨어질 때,
그 계는 그 교란을 없애고, 가능한 한 평형을 회복하려는 방향으로 반응
열 + 액체 = 증기
6.12 끓는점과 어는점
* 순수한 액체는 끓는 동안 일정한 온도 유지 → 끓는점(boiling point)
* 끓는점 : 대기압에 의존
→ 기포: 액체의 성분기체 포함 → 대기압에 의해 찌부러짐
→ 증기압력 증가 → 기포 성장 → 대기압과 같아질 때까지
→ 끓는점: 액체의 증기압력이 우세한 대기압력과 같아지는 온도
* 액체의 정상 끓는점: 표준압력으로 1기압에서의 액체의 끓는점
→ 분자간의 인력에 의존
그림 11.21 주기율표에서 ⅣA, ⅤA, ⅥA, ⅦA족 원소의 수소화합물의 끓는점
→ 물: 수소결합: bp 100℃ 수소결합이 없으면: bp -80℃
실온인 25℃에서 액체 → 생명체 존재
6.14 상변화 그림
A를 삼중점이라 하며 고체, 액체, 기체가
평형을 이루는 점임
AB 곡선을 증기 압력 곡선이라 하며
액체와 기체가 평형을 이루고 있음
AC 곡선은 승화 곡선이라 하며 고체와 기
체가 평형을 이루고 있음
AD 곡선이 융해 곡선으로서 고체와 액체
가 평형을 이루고 있음