액체와고체 Liquids and Solids - Yonsei · 2017-11-13 · Gas vs. Solid & Liquid...

연세대학교 공학기초화학 강의노트 제9장 9.1

Chapter 9

액체와 고체Liquids and Solids

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Gas vs. Solid & Liquid

Particles(molecule) : constant, rapid, and random motion : depends on Tempt.

Gas : no interactionLiquid & Solid : attractive forces

• ion-ion• molecule-ion• molecule-molecule

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Intermolecular forces

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9.1 액체-증기 평형

증기압(Vapor Pressure)

밀폐된 용기에 액체를 넣고 충분히

시간을 두면 액체는 그 위의 증기와

평형(dynamic equilibrium)을 이루게 된다:

액체 증기

이 평형에서의 기체의 압력 = 그 액체의 증기압

“Characteristic property”

→←

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증기압 (계속)

증기압의 용기의 부피와 무관함:25°C 에서 1.00 L 플라스크에 0.0100몰의 액체 벤젠 (benzene의증기압 92 mm Hg) 을 가하면 얼마나 증기가 생길까?

nvapor = = = 0.0050 mol

nliquid = 0.0100 - 0.0050 = 0.0050 mol

증기압 : “Characteristic property”온도와 압력에 의존

(92/760 atm )(1.00 L)(0.0821 L⋅atm/mol⋅K)(298 K)

PVRT

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온도 의존도

ln = ∆Hvap ( - ) / R

∆Hvap : Enthalpy of vaporization(몰증발열: J/mol)

R (기체상수) = 8.31 J/mol⋅K

1T1

1T2

P2P1

Ex1 ) benzene 의 ∆Hvap = 30.8 kJ/mol, 25°C 에서의 증기압 = 92 mm Hg 라면, 50°C에서의 증기압은?

ln = 30,800 ( - ) / 8.31 = 0.963

= 2.62; P2 = 2.62 (92 mm Hg) = 241 mm Hg

1298

1323

P2

P1

P2

P1

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끓는점(Boiling Point)

압력에 따라 변함:예) 물의 끓는점P = 760 mm Hg, 100°CP = 1075 mm Hg, 110°CP = 5 mm Hg, 0°C

P1

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Bp of alkanes

CH4 → C2H6 → C3H8 →C2H5(CH3) →C4H10→C5H12→C6H14-161°C → -89°C→ -45°C → -45°C →0°C → 36°C →69°C 16g/mol →30g/mol→ 44g/mol → 44g/mol →58g/mol→72g/mol→86g/mol

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임계온도(Critical Temperature)

그 이상에서는 더 이상 액체로 존재할 수 없는 온도

임계압력(Critical pressure) = 임계온도에서의 증기압

산소의 임계온도는 -119°C이므로 상온에서 압력이 변해도액체산소는 존재하지 않음.

프로페인의 임계온도는 97°C; 프로페인은 상온에서 압력을높이면 액체로 보관가능

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9.2 상평형 그림(Phase Diagrams)액체, 고체, 기체 상으로 존재하는

온도와 압력을 나타내는 그래프

AB = vp curve (liquid)

AC = vp curve (solid)

AD = melting point curve

(끓는점곡선)

A = triple point(삼중점)

–삼중점 (물은 0°C, 5 mm Hg ; 요오드는115°C, 90 mm Hg) 이하의

고체는 직접 기체로 승화

D

A

B

C

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고체의 녹는점에 대한 압력의 영향

–AD 선이 P 축을 향해 기울어져 있으면, P 가 증가함에 따라 녹는점 감소. 이러한 현상은 물처럼 액체가 더 밀도가 클 경우 관측됨. 대부분은 AD 선이 P축에서 멀어지는 쪽으로 기울어진 경우로, 압력이 증가함에 따라 녹는점도 증가

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9.3 분자물질

일반적 특성

분자간 힘Dispersion ForcesDipole ForcesHydrogen Bonds

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일반적 특성

• 전기의 부도체

• 물에 잘 녹지 않음

• 녹는점과 끓는점이 낮음

• 분자간 힘이 약해서 서로 분리하기가 상대적으로 쉬움

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분산력(Dispersion Forces)

• 이웃한 분자간에 일시적으로 형성된 쌍극자에 기인

• 전자가 얼마나 잘 분산되는가에 따라 세기가 결정됨

• 분자의 크기와 분자량이 클수록 증가

• 끓는점이 분자량이 증가할 수록 증가하는 이유를 설명

( F2 < Cl2 < Br2 < I2 )

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쌍극자 힘(Dipole forces)

극성인 분자의 양극(+ end)과 그 이웃 분자의 음극(- end) 사이의

정전기적 인력

예) NO (bp = -151°C) >> N2 (bp = -196°C) O2 (bp = -183°C)

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ICl 결정의 쌍극자 힘

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수소결합(Hydrogen Bonds)

• 특별히 강한 쌍극자 힘 : 높은 bp

• 주로 O-H, N-H, F-H bonds : H 원자는 매우

작고 F, O, N 들과의 전기음성도 차가 큼.

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The structure of ice

물은 끓는점이 높은 것외에도 특이한 점이 많음수소결합에 의해 생긴얼음의 열린육방무늬는얼음이 밀도가 낮게 하는요인

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DNA 의 이중나선구조

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9.4 고체구조

그물구조 공유성(Network covalent)

이온성(Ionic)

금속성(Metallic)

그밖에 : molecular, amophous…..

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그물구조 공유성(Network Covalent)

· C, Si, SiC, SiO2

· 녹는점이 높음 (공유결합이 깨져야만 하므로). · 부도체· 물이나 다른 보통의 용매에 불용성· 다이아몬드와 흑연의 구조와 특성이 대조적인 원인

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이온성(Ionic)

· NaCl, KNO3

· 녹는점이 높음 (반대전하 상이의 강한 정전기적 인력)· 고체는 부도체 녹으면 도체· 대부분 물에 용해· 용해도는 이온성 분자간의 인력과 물과 이온성분자사이의 인력의균형에 의존

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금속성(Metals)

· “전자바다(Electron-sea)” 모델 – 전자들의 바다를 떠다니는 양이온

· 전기도체

· 연성과 전성(ductility, malleability)

· 녹는점의 범위가 넓다(원자가 전자의 수에 의존)

· 물에 불용성

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Molecular solid Amorphous solid

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Silicate minerals

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9.5 결정구조 : 금속의 단위세포(Unit Cell)

단위세포(Unit cell) = 결정을 만드는 반복되는 가장 적은

단위

Unit cell → Lattice → Crystalline solid

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Three types of unit cells

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단순입방세포(Simple Cubic:SC)

단위세포는 입방체의 꼭지점에 있는 8개의 원자로

이루어짐

2r = s단위세포당 1개의 원자

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면심입방세포(Face-Centered Cubic:FCC)

입방체의 각 꼭지점과 각 면의 중심에 원자위치

면의 대각선을 따라 원자들이 접촉

4r = s(2)1/2

단위세포당 4 원자

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체심입방세포(Body-Centered Cubic:BCC)입방체의 꼭지점과 입방체 중심에 원자위치

입체의 대각선을 따라 원자 접촉

4r = s(3)1/2

단위세포당 2 원자

예) 나트륨은 BCC 구조의 결정이다. 단위세포의 길이가 0.429 nm라면 원자반경은?

r = s(3)1/2 / 4 = 0.186 nm

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r 과 s의 관계