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과학 글쓰기, 묽은 용액의 총괄성

by 레아쌤 2022. 11. 19.
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묽은 용액의 증기압 내림, 끓는점 오름, 어는점 내림, 삼투압은 용질의 종류와 관계없이 용질의 입자수에만 비례하는데 이것을 묽은 용액의 총괄성이라고 한다. 증기압 내림 현상이란 비휘발성 용질이 녹아 있는 용액의 증기압력은 순수한 용매의 증기압력보다 낮다는 것으로, 예를 들어 순수한 물의 증기압력과 설탕물의 증기압력을 비교한다면 설탕물의 증기압력이 낮아지는 현상을 설명할 수 있다. 증기압력이란 액체의 증발속도와 기체의 응축 속도가 같은 동적 평형을 이룬 상태에서 기체 즉 증기가 나타내는 압력을 말하고, 증기압이라고 말한다. 용액의 경우 용매와 용질 분자 사이의 인력으로 표면에서 증발할 수 있는 용매 입자의 수가 감소하여 순수한 용매보다 증기압이 작아지는 현상이 나타나는데 이것을 증기압 내림이다. 예를 들어 같은 질량의 물과 설탕물의 증발속도를 비교해 보면 물이 빨리 마르는 것도 증기압 내림 현상으로 설명할 수 있고, 바다에서 수영한 후 수영복을 그대로 건조하는 것보다는 맑은 물에 헹구어 건조하는 편이 건조속도가 빠른 것도 순수한 용매의 증발 속도가 더 빠른 이유 때문이다. 증기압 내림 현상은 용액의 농도가 진할수록 더 커지는데 프랑스의 과학자 라울은 이 현상을 라울의 법칙으로 정리하였다. 비휘발성, 비전해질인 용질이 녹아 있는 묽은 용엑의 증기 압력은 용매의 몰분율에 비례하고, 증기압 내림은 용질의 몰분율에 비례한다. 예를 들어 물에 설탕을 녹이면 물이 용매, 설탕이 용질, 설탕물이 용액이 된다. 이 때 물이 0.9, 설탕 0.1몰을 혼합하였다고 가정한다면 물의 몰분율은 0.9, 설탕의 몰분율은 0.1이고 항상 전체 몰분율은1이다. 각 성분의 몰분율은 각 성분의 몰수를 전체 몰수로 나눈 값이므로 설탕의 농도가 진해질수록 설탕의 몰분율도 증가하고 반대로 물의 몰분율은 감소하게 되고 묽은 용액의 증기압은 더욱 낮아지게 된다. 반대로 설명하면 증기압 내림은 설탕이 많이 녹을수록 증가하고 이것은 정확하게 설탕 즉 용질의 몰분율에 비례한다고 설명하는 것이 라울의 법칙이다. 끓는점이란 보통 액체가 기체로 상태변화를 하는 온도라고 표현하지만 정확하게는 액체의 증기압력이 대기압과 같아져서 액체의 내부에서도 상태변화가 일어나는 온도라고 표현한다. 순수한 물은 1기압에서 100에 도달하였을 때 물의 증기압이 대기압과 같아진다는 의미이다. 그런데 물에 설탕을 넣으면 증기압이 낮아지기 때문에 100에 도달하여도 용액의 증기압이 1기압보다 작아 끓는점에 도달하지 않는다. 다시 말해 더 높은 온도에 도달해야 용액의 증기압이 1기압에 도달하게 되고 육안으로 볼 때에도 부글부글 끓는 현상을 관찰할 수 있다. 이것을 끓는점 오름이라고 표현한다. 자동차 냉각수로는 순수한 물에 에틸렌글리콜을 넣은 혼합용액을 사용하는데, 이 부동액을 넣으면 순수한 물보다 끓는점이 높아져 엔진의 열에도 잘 끓어 넘치지 않는다.  찌개나 국의 끓는 온도는 소금과 같은 용질의 존재로 실제 물보다 높아 화상의 위험이 더 크다. 자동차의 냉각수나 국의 온도가 더 높은 현상을 끓는점 오름으로 설명할 수 있다. 반대로 용질의 입자들은 어는점에 도달하였을때 용매의 어는 것을 방해하여 어는점이 낮아지는 현상이 나타나는데 이것을 어는점 내림이라고 하고, 역시 용질의 종류와 관계없이 용질의 양이 많아질수록 증가한다. 끓는점 오름과 어는점 내림은 녹아 있는 용질의 양이 증가하면 변화량이 증가하고, 이것을 용액의 농도 중 온도에 영향을 받지않는 몰랄 농도를 이용하여 수식으로 표현하기도 한다. 겨울에 간장이 물보다 잘 얼지 않는 이유도 어는점이 낮아지기 때문이고, 자동차냉각수도 에틸렌글리콜을 첨가하여 어는점을 낮추어 엔진 주변의 냉각수가 얼지 않도록 하는 원리이다. 또 눈이 쌓인 도로에 염화칼슘을 뿌리면 어는점이 낮아져서 눈이 녹고, 이 녹은 눈이 다시 잘 얼지 않는 것도 어는점 내림으로 설명할 수 있다.

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