제 11 장
액체와
상변화
1
차례
11.1
11.2
11.3
11.4
11.5
11.6
액체의 성질
증기 압력과 끓는점
고체, 액체, 기체 사이의 상변화
상전이 동안의 에너지 변화
상도표
액정
2
p438
11.1 액체의 성질
분자간 힘이 어떻게 액체의 성질에 영향을 미치는지와
에너지가 상변화에 어떻게 관련되는지를 알아본다.
점성도
▪ 액체 흐름의 저항에 대한 척도
▪ 액체 상태에서 분자 운동의 용이성, 즉 분자 간 존재하는
힘과 관련 있음.
▪ 무극성 분자는 분자 간 힘이 약하므로 상대적으로 낮은
점성도를 가지며, 극성 물질은 분자 간 힘이 강하여
점성도가 큼.
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3
11.1 액체의 성질
점성도
무극성 분자
점성도가 낮다.
극성 분자
점성도가 크다.
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11.1 액체의 성질
표면 장력(surface tension)
▪ 액체들이 넓게 퍼져 표면적이 증가하는 것에 대한 저항을 말함.
▪ 액체 표면의 분자 간 힘과 액체 내부의 분자 간 힘의 차이에 의해 형성됨.
▪ 분자간 힘이 큰 액체일수록 일반적으로 표면 장력도 큼
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5
11.1 액체의 성질
표면 장력(surface tension)
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6
p439
11.2 증기 압력과 끓는점
증기 압력과 끓는점은 분자간 힘의 세기에 영향을 받는 액체
의 성질이다.
증기 압력(vapor pressure)
▪ 일정한 온도, 평형에서 증가하던 압력이 일정한 값을 갖게
될 때의 압력을 말함.
▪ 증기가 고체 또는 액체와 동적 평형 상태에 있을 때 증기의
압력
▪ 분자간 힘이 약할수록 그리고 온도가 높을수록 증발에
필요한 충분한 운동 에너지를 갖는 분자의 분율이 증가하기
때문에 증기 압력은 높다.
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11.2 증기 압력과 끓는점
증기 압력(vapor pressure)
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11.2 증기 압력과 끓는점
분자 운동론(kinetic molecular theory)으로
증발과 증기 압력을 설명
▪ 온도가 높을수록, 그리고 물질의 끓는점이 낮을수록,
충분한 운동 에너지를 가져서 액체 표면에서 자유롭게
벗어나 증기로 날아가는 분자의 분율이 증가
▪ 액체의 증기압력은 온도와 분자 간 힘의 세기에 의존.
분자 간 힘이 약할수록 느슨하게 묶인 분자들이 더 쉽게
달아나기 때문에 증기압력이 증가.
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11.2 증기 압력과 끓는점
분자 운동론(kinetic molecular theory)으로
증발과 증기 압력을 설명
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p441
11.2 증기 압력과 끓는점
클라우시우스-클라페이론 식
▪ 액체의 증기 압력은 온도에 따라 비선형적으로 증가함.
▪ 그러나 증기 압력의 자연로그 함수 lnPvap를 절대 온도의 역수(1/T)에
대하여 선형 관계가 성립함.
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11.2 증기 압력과 끓는점
클라우시우스-클라페이론 식
▪ 서로 다른 두 온도에서 증기 압력을 측정하여 H 증발을
계산할 수 있는 형태의 클라우시우스-클라페이론 식의
두-지점 형태를 유도할 수 있다.
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11.2 증기 압력과 끓는점
클라우시우스-클라페이론 식
정상 끓는점(normal boiling point):
외부 압력이 정확히 1 atm일 때 액체의 끓는 온도
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p443
11.2 증기 압력과 끓는점
예제 11.1 클라우시우스-클라페이론 식을 이용하여 증기 압력 계산하기
34.7°C에서 에탄올의 증기 압력은 100.0 mmHg이고, 증발열은 38.6 kJ/mol
이다. 65.0°C에서 에탄올의 증기 압력은 몇 mmHg인가?
풀이
알고 있는 모든 값을 식에 대입하고, P2에 대해 풀이한다.
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p443
11.3 고체, 액체, 기체 사이의 상변화
상변화(phase change) 또는 상태 변화(change of state)
▪ 물질의 화학적 특성은 변하지 않고 물리적 형태만 변화하는
과정을 말함.
▪ 어떤 한 상태 또는 상(phase)으로 존재하는 물체는 다른
두 가지 상태 중 하나로 바뀔 수 있음.
자연적으로 일어나는 모든 과정과
마찬가지로, 모든 상 변화에는 자유
에너지 변화(free-energy change,
G)가 수반된다.
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11.3 고체, 액체, 기체 사이의 상변화
자유 에너지 변화(ΔG)
ΔG = ΔH -TΔS
▪ ΔH (엔탈피): 분자간 인력을 형성하거나 끊을 때 수반되는 열의 흐름
▪ ΔS (엔트로피): 분자의 무질서도 차이와 관련 있음
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11.3 고체, 액체, 기체 사이의 상변화
고체 얼음이 액체 물로 변화되는 것과 액체 물이 수증기로
변화되는 것을 통해 상변화가 일어나는 동안 에너지 상관
관계
▪ 고체→액체 변화가 일어날 때보다 액체→기체 변화가
일어날 때 ΔH와 ΔS는 더 크다(각 상변화에 따른 분자간
인력 변화, 엔트로피 변화를 고려).
▪ 상변화가 반대 방향으로 일어나는 경우, 관련된 열화학적
변화량은 숫자의 절댓값은 같고 부호는 반대임.
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11.3 고체, 액체, 기체 사이의 상변화
고체 얼음이 액체 물로 변화되는 것과 액체 물이 수증기로
변화되는 것을 통해 상변화가 일어나는 동안 에너지 상관
관계
H2O(s)
H2O(l)
H2O(l)
H2O(g)
H2O(s)
H2O(l)
H2O(l)
H2O(g)
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11.3 고체, 액체, 기체 사이의 상변화
자유 에너지 변화(ΔG)
ΔG = ΔH -TΔS
ΔG < 0 : 음의 값, 자발적 반응
ΔG > 0 : 양의 값, 비자발적 반응
ΔG = 0 : 평형상태
평형상태에서,
ΔG = ΔH –TΔS = 0
(평형 온도 혹은 교차 온도)
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11.3 고체, 액체, 기체 사이의 상변화
자유 에너지 변화(ΔG)
예를 들어, 얼음의 용융 과정에서
H2O(s)
H2O(l)
즉, 1 atm에서 얼음의 녹는점은 273 K (0C)이다.
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p445
11.3 고체, 액체, 기체 사이의 상변화
예제 11.2 증발 엔트로피의 계산
끓는점은 100°C이고, 물이 수증기로 변할 때 엔탈피 변화 H증발 = 40.67
kJ/mol이다. 증발할 때의 엔트로피 변화 S증발은 몇 J/(K·mol)인가?
풀이
끓는점에서 상변화는 평형을 이룬다.
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p446
11.4 상전이 동안의 에너지 변화
온도 변화와 상전이를 나타낸 H2O(1 mol)의 가열 곡선
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11.4 상전이 동안의 에너지 변화
온도 변화와 상전이를 나타낸 H2O(1 mol)의 가열 곡선
(1) 고체 H2O의 가열
▪ 온도 변화 : -25.0°C에서 0°C → T = 25.0°C
▪ 얼음의 몰 열용량(molar heat capacity)= 36.57 J/(mol ∙ °C)
▪ 필요한 에너지 = 몰열용량  몰수  T
= {36.57 J/(mol ∙ °C)}(1 mol)(25.0°C)
= 914 J/mol
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11.4 상전이 동안의 에너지 변화
온도 변화와 상전이를 나타낸 H2O(1 mol)의 가열 곡선
(2) 고체 H2O의 녹음(용융)
▪ 온도 변화는 없고 상변화만 일어나는 구간
(0°C에서 평평한 부분).
▪ 이 녹는점에서 고체와 액체는 평형을 이루면서 공존함.
▪ 얼음의 용융열 ΔH용융 = +6.01 kJ/mol
(상변화에 필요한 에너지)
▪ 필요한 에너지 = ΔH용융  몰수 = (6.01 kJ/mol)(1 mol)
= 6.01 kJ
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11.4 상전이 동안의 에너지 변화
온도 변화와 상전이를 나타낸 H2O(1 mol)의 가열 곡선
(3) 액체 H2O의 가열
▪ 온도 변화 : 0°C에서 100°C → T = 100°C
▪ 액체 물의 몰 열용량 (molar heat capacity)= 75.4 J/(mol ∙ °C)
▪ 필요한 에너지 = 몰열용량  몰수  T
= {75.4 J/(mol ∙ °C)}(1 mol)(100°C)
= 7.54  103 J/mol
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11.4 상전이 동안의 에너지 변화
온도 변화와 상전이를 나타낸 H2O(1 mol)의 가열 곡선
(4) 액체 H2O의 증발
▪ 온도 변화는 없고 상변화만 일어나는 구간
(끓는점 100°C에서 평평한 부분).
▪ 에너지는 분자간 인력(수소 결합)을 끊는 데 쓰임.
액체-기체 평형 구간
▪ 물의 증발열 ΔH증발 = +40.67 kJ/mol
(상변화에 필요한 에너지)
▪ 필요한 에너지 = ΔH증발  몰수 = (40.67 kJ/mol )(1 mol)
= 40.67 kJ
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11.4 상전이 동안의 에너지 변화
온도 변화와 상전이를 나타낸 H2O(1 mol)의 가열 곡선
(5) 기체 H2O의 가열
▪ 온도 변화 : 100.0°C에서 125°C → T = 25.0°C
▪ 수증기의 몰 열용량(molar heat capacity)= 33.6 J/(mol ∙ °C)
▪ 필요한 에너지 = 몰열용량  몰수  T
= {33.6 J/(mol ∙ °C)}(1 mol)(25.0°C)
= 840 J/mol
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11.4 상전이 동안의 에너지 변화
온도 변화와 상전이를 나타낸 H2O(1 mol)의 가열 곡선
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11.4 상전이 동안의 에너지 변화
온도 변화와 상전이를 나타낸 H2O(1 mol)의 가열 곡선
▪ -25°C의 고체 얼음을 125°C의 기체 수증기로 변화시키기
위해 필요한 에너지 55.97 kJ/mol 중에서 대부분(40.67
kJ/mol)이 증발에 사용됨.
▪ 고체에서 액체로 전환될 때는 상대적으로 적은 수의 수소
결합을 끊어야 하지만, 액체에서 기체로 전환되기 위해서
는 모든 수소 결합을 끊어야 하기 때문에 물의 증발열이
용융열보다 큼.
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11.4 상전이 동안의 에너지 변화
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p448
11.4 상전이 동안의 에너지 변화
예제 11.3 온도 변화에 따른 열량 계산
25°C 물 50.0 g을 150°C 수증기로 바꾸는 데 필요한 열은 얼마나 되는가?
물의 끓는점은 100°C 이고, Cm[H2O(l)] = 75.4 J/(molC), H증발 = 40.67
kJ/mol, Cm[H2O(g)] = 33.6 J/(molC)이다.
풀이
먼저 물의 몰수를 계산한다.
필요한 열량 = 끓는점까지 물의 가열
+ 끓는점에서 물이 증발
+ 수증기의 가열
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11.4 상전이 동안의 에너지 변화
풀이
필요한 열량 =
+
+
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p448
11.5 상도표
상도표(phase diagram)
▪ 공기가 없는 닫힌 계에서 순수한 물질의 압력과 온도
의존성을 나타내는 간편한 방법
▪ 상도표를 이용하여 압력과 온도가 달라질 때 안정한 상이
무엇인지를 알 수 있음.
▪ 온도나 압력을 바꾸어 상과 상 사이의 경계선을 지나갈 때
상변화가 일어남.
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11.5 상도표
상도표(phase diagram)
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11.5 상도표
상도표(phase diagram)
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11.5 상도표
상도표(phase diagram)
삼중점(triple point)
▪ 세 선의 교차점은 세 개의 상이 평형을 이루며 공존하는 점.
▪ 물질마다 고유한 압력과 온도의 조합이 정해져 있음.
▪ 물의 삼중점 온도(Tt)는 0.0098°C이고, 삼중점 압력(Pt)은
6.0 × 10-3 atm.
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11.5 상도표
상도표(phase diagram)
임계점(critical point)
▪ 액체/기체 경계선을 따라가면 선이 갑자기 끝나는 점
▪ 임계 온도 Tc는 아무리 압력을 높여도 기체가 액화될
수 없는 온도
▪ 임계 압력 Pc는 아무리 온도를 높여도 액체가 증발될
수 없는 압력
▪ 물에 대한 임계 온도 Tc = 374.4°C이고,
임계 압력 Pc = 217.7 atm
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11.5 상도표
상도표(phase diagram)
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p450
11.5 상도표
예제 11.4 상도표 해석
냉동건조식품은 음식을 얼려 낮은 압력에서 얼음을 승화시켜 수분을 제
거하여 만든다. 그림 11.7에 나타낸 물의 상도표를 살펴볼 때 얼음과 수
증기가 평형을 이루는 최고 압력은 몇 mmHg인가?
풀이
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p451
11.6 액정
액정(liquid crystal)
▪ 고체와 액체의 중간상임.
▪ 고체처럼 질서정연한 배열을 하며 액체처럼 흐름.
◊라이니처(Friedrich Reinitzer, 1857~1927)
▪ 식물학자이자 화학자이며 액정에 대해 최초로 기술한 과학자
▪ 화합물 벤조산 콜레스테릴을 가열할 때 두 개의 확연히 다른 녹는점을 발견
→ 145.5°C에서 고체가 녹으면서 혼탁한(뿌옇고 불투명한)
액체로 됨.
→ 178.5°C에서 맑은 액체로 변함.
▪ 결정 고체 상태와 액체 상태 사이에 상태인 새로운 물질의 상태를 액정으로
기술함.
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40
11.6 액정
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41
11.6 액정
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11.6 액정
액정의 구조
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End
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