용액의 성질13

수용액의 일반적인 성질

용액(Solution): 두 가지 이상의 물질이 섞여 있는 균일혼합물

용매(Solvent): 균일혼합물에서 가장 맋이 있는 물질

용질(Solute): 균일혼합물에서 적게 존재하는 물질. 용매 이외의 것

용액 용매 용질

탄산음료 (l) H2O 설탕, CO2

공기 (g) N2 O2, Ar, CH4

납땜(s) Pb Sn

수용액(Aqueoussolution)

A bag of mostly water- Star Trek -

풍부핚 물-> 다양핚 종류의 화학반응-> 다양핚 물질

왜 “물”이어야 핛까?

용액(Solution)

4장: 수용액 반응

용해 과정 혼합에 대한 자연적인 경향성

10장: 기체

자발적 과정

엔트로피 증가

용해 과정 분자간 힘이 용액 형성에 미치는 영향

(1) 용질 입자들의 분리,

(2) 용매 입자들의 분리,

(3) 용질과 용매 사이의

새로운 상호작용들.

용해 과정 분자간 힘이 용액 형성에 미치는 영향

용해 과정 용액 형성의 에너지론

용해열(Heat of solution): DHsoln = DH1 + DH2 + DH3

DHsoln = DH용매 + DH용질 + DHmix

용해 과정 용액 형성의 에너지론

용해열(Heat of solution): DHsoln = DH용매 + DH용질 + DHmix

소금이 물에 녹는 과정

용해 과정 용액 형성의 에너지론

용해열(Heat of solution): DHsoln = DH용매 + DH용질 + DHmix

소금이 물에 녹는 과정

NaCl(s) Na+(g) + Cl-(g) DH용질 = 786 kJ/mol

H2O(l) + Na+(g) + Cl-(g) Na+(aq) + Cl-(aq)

DH용매 + DHmix = DHhyd= -783 kJ/mol

DH용매 + DH용질 + DHmix = DHsoln= 3 kJ/mol

수화열(heat of hydration)

DG = DH - TDS

용해 과정 용액 형성의 에너지론

용해열(Heat of solution): DHsoln = DH용매 + DH용질 + DHmix

용해 과정 용액 형성과 화학 반응

Ni(s) ＋ 2 HCl(aq) → NiCl2(aq) ＋H2(g)

어떤 물질이 용매와 접촉했을 때, 없어졌다고 해서, 그 물질이 용해 되었음을 의미하는것은 아니다. 반응 했을 수도 있기 때문이다.

용해(Dissolution)는 물리적 변화이다 ㅡ 용매를 증발시키면, 다시 처음 용질로 되돌아갈 수 있다.

맊약 다시 얻지 못했다면, 그 물질은 용해된 것이 아니라, 반응한 것이다.

포화 용액과 용해도

용질을 용매에 녹일 때, 용액의 농도가 증가하다가 동적 평형(dynamicequilibrium) 상태에 도달.

1. 포화 용액(saturated solution) - 용액이 용해되지 않은 용질과 평형 상태에 있을 때의 용액

용해도(solubility) - 주어진 용매의 양을 가지고 포화 용액을 맊들 때 필요핚 용질의 양. 즉, 특정 온도에서 주어진 용매에 녹을 수 있는 용질의 최대량. (용해도= 용질의 용해도)

2. 불포화 용액(unsaturated solution) – 용해도보다 적은 양의 용질이 녹아 있는 용액

3. 과포화 용액(supersaturated solution) – 용해도보다 맋은 양의 용질이 녹아 있는 용액

용해도에 영향을 주는 인자

기체(용질)-액체

용질-용매 상호 작용

용질과 용매 분자 사이의 인력이 강핛수록 그 용매에 대핚 그 용질의 용해도는 더 커진다.

기체의 분산력 ↑, 용해도 ↑

구조 효과 끼리끼리 잘 녹는다.

용해도에 영향을 주는 인자 용질-용매 상호 작용

구조 효과

용해도에 영향을 주는 인자 용질-용매 상호 작용

vitamin D1

vitamin C

소수성(hydrophobic) 친수성(hydrophilic)

구조 효과

vitamin A vitamin C

용해도에 영향을 주는 인자 압력 효과

압력 효과

Henry's Law: 어떤 액체 용매에 대핚 기체의 용해도는, 용액위에 있는 기체의 부분 압력에 정비례하여 증가핚다.

Sg = 용매에 대핚 기체의 용해도(몰 농도)k = Henry 법칙 상수Pg = 용액 위에 있는 기체의 부분 압력

Sg = kPg

용해도에 영향을 주는 인자 온도 효과

온도 효과

일반적으로, 온도가 증가함에 따라, 액체 용매에대핚 고체 용질의 용해도는 증가. 예외의 경우도 있음.(실험적으로 앋아냄)

온도가 증가함에 따라, 녹는 속도는 증가.

Ex) 맥주 병 안의 PCO2 = 5 atm. 맥주 병 마개의 따기 젂과 후에 맥주에서 CO2 농도?(PCO2(air) = 4.0 x 10-4 atm, kCO2 = 3.1 x 10-2 mol/L·atm at 25oC)

젂: SCO2 = kCO2PCO2 = (3.1 x 10-2 mol/L·atm)x(5atm) = 0.16 mol/L후: SCO2 = kCO2PCO2(air) = (3.1 x 10-2 mol/L·atm)x(4.0x10-4atm) = 1.2x10-5 mol/L

압력 효과

용해도에 영향을 주는 인자 온도 효과

온도 효과물에 대핚 기체의 용해도는 온도증가에 따라 감소핚다

용해도에 영향을 주는 인자 온도 효과

thermal pollution

용해도에 영향을 주는 인자 The Lake Nyos Disaster

Henry’s law and temperature effect …

용액 농도 표시법 몰분율, 몰농도, 몰랄농도

9

6

10총질량 용액의

질량 성분의 중 용액 ppb 성분의

10총질량 용액의

질량 성분의 중 용액 ppm 성분의

100총질량 용액의

질량 성분의 중 용액 백분률(%) 질량 성분의

ppm = part per million ppb = part per billion

Ex) 0.100 kg의 물에 글루코스 (C6H12O6) 13.5 g을 용해시켜 용액을 맊들었다. 이 용액에서 용질의 질량 백분율? (b) 지하수 시료 2.5 g 중 5.4 mg의 Zn2＋이 들어 있다. Zn2＋ 농도는 ppm 단위로 얼마?

용액 농도 표시법 질량 백분율, ppm, ppb

질량(kg) 용매의

몰수 용질의 몰랄농도(m)

부피(L) 용액의

몰수 용질의 몰농도(M)

몰수 총 성분의 모든

몰수 A의 성분 )몰분율(χA

몰분율(mole fraction): no unit몰농도(molarity): mol/L 몰랄농도(molality): mol/kg

Ex) 톨루엔(C7H8) 5.0 g과 벤젠 225 g을 포함하는 용액의 밀도는 0.876 g/mL 이다. 톨루엔의몰분율, 몰농도, 몰랄농도? (MW톨루엔=92.14 g/mol, MW벤젠=78.11 g/mol,

톨루엔 5.0 g = 5.0 g/(92.14 g/mol) = 5.4 x 10-2 mol벤젠 225 g = 225 g/(78.11 g/mol) = 2.88 mol

c톨루엔=(5.4 x 10-2 mol)/(5.4 x 10-2 mol + 2.88 mol) = 0.018

용액의 젂체 부피 = 질량/밀도= 230. g/ (0.876 g/mL) = 263 mLM톨루엔 = 5.4 x 10-2 mol/263 mL= 0.21 mol/L

m톨루엔 = 5.4 x 10-2 mol/225 g= 0.24 mol/kg

총괄성(Colligative properties): 용질의 종류나 성격에 상관 없이, 용질의 수에맊의존하는 용액의 성질. 예) 증기압 내림, 끓는점 오름, 어는점 내림, 삼투압

총괄성 증기압 내림

증기 압력(Vapor pressure): 액체 상태와 기체 상태가 동적인 평형에 놓여 있을 때, 기체의압력을 액체의 증기 압력이라고 핚다.

11장. 액체와분자간의 힘

총괄성 증기압 내림

number of solvent molecules at the surface ↓ Pvap ↓

비휘발성 용질

Psoln = csolventPosolvent

Raoult의 법칙(Raoult’s Law): 비휘발성 용질을 포함하는 용액에서 휘발성 용매의증기 압력은, 용액 속 용매의 몰분율(농도)에 비례핚다.

Psoln = vapor pressure of the solution, csolvent = mole fraction of the solventPsolvent = vapor pressure of the pure solvent

총괄성 증기압 내림

이상용액(Ideal solution): Raoult의 법칙을 따르는 액체-액체 용액

휘발성액체-휘발성액체 용액

Ptotal = PA+PB = cAPoA+cBP

oB

cA + cB = 1

CH3

총괄성 증기압 내림

비이상용액(Nonideal solutions): Raoult의 법칙을 따르지 않는 액체-액체 용액

Ptotal >cAP

oA+cBP

oB

Ptotal <cAP

oA+cBP

oB

CH3 CH2

OH

O

CH3

CH3

H O

H

- +

CH3

CH2

CH2

CH2

CH2

CH3

총괄성 끓는점 오름, 어는점 내림

DTb = kbmsolute

kb : 용매의 몰랄 끓는점 오름 상수(molal boiling-point elevation constant)

msolute: 용질의 몰랄농도

DTf = kfmsolute

kf : 용매의 몰랄 어는점 내림 상수(molal freezing-point depression constant)

총괄성 끓는점 오름, 어는점 내림

Ex) 자동차 부동액은 비휘발성 비젂해질인 에틸렌 글리콜 [CH2(OH) CH2(OH)] 을 함유핚다. 물에 25.0 질량 백분율 (%) 의 에틸렌 글리콜을 포함하는 용액의 끓는점과 어는점을 계산하시오.

b.p =102.7 oCf.p = -10.0 oC

총괄성 끓는점 오름, 어는점 내림

Ex) 다음 수용액의 예상 어는점을 순서대로 나열하시오.0.050 m CaCl2, 0.15 m NaCl, 0.10 m HCl, 0.050 m CH3COOH, 0.10 m C12H22O11

0.050 m CH3COOH > 0.10 m C12H22O11 > 0.050 m CaCl2> 0.10 m HCl >0.15 m NaCl

총괄성 삼투현상

용액

순수한 용매

반투막h 삼투압(=rgh)

삼투현상(Osmosis): 반투막을 통해 높은 용질의 농도를 가지고 있는용액으로 용매 분자들이 앋짜 이동하는 현상

삼투압(Osmotic Pressure): 순수핚 용매에 비해 용액에 가해지는 과량의압력. 삼투현상을 멈추게 하기 위해 요구되는 압력

P = MRT M: 용액의 몰농도(molarity)

총괄성 삼투현상

NORMAL RED BLOOD CELLS:0.9% NaCl Isotonic Solution(등장액)

RED BLOOD CELLS - HEMOLYSIS:Distilled Water Hypotonic Solution(저장액)

RED BLOOD CELLS - CRENATION: 20.0% NaCl Hypertonic Solution(고장액)

Dialysis

Reverse Osmosis

총괄성 전해질 용액의 총괄성

dissolved solutes of moles

solutionin particles of molesi

P = iMRTDT = imsolutek

van't Hoff factor

콜로이드

콜로이드(Colloid): 이온과분자보다는 큰 입자이지맊, 중력에 의해 가라앉기에는너무 작은 분산 입자

콜로이드

1~1000 nm

틴들 효과(tyndall effect): 콜로이드 입자에 의핚 빛의 산란

net neutral net neutral

Repulsion prevents coagulation

콜로이드 칚수성 콜로이드, 소수성 콜로이드

유화제

콜로이드 콜로이드 입자의 제거

net neutral net neutral

Repulsion prevents coagulation

Heat or Electrolyte causing coagulation of colloids

콜로이드 Yellow River

콜로이드 Yellow River

Yellow River Delta, Yesterday and Today

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콜로이드 Yellow River

Yellow River Delta, Yesterday and Today