액체 그리고 분자 사이의 힘 11

11장에서 배울 내용

11.1 기체, 액체, 고체의 분자 비교

분자 관점에서 고체, 액체, 기체를 비교하면서 시

작한다. 이 비교를 통해 어떤 물질의 물리적 상태를

결정하는 데 있어서 온도와 분자간 힘이 중요한 역

할을 한다는 것을 알아본다.

11.2 분자간 힘

네 가지 형태의 분자간 힘인 분산력, 쌍극자-쌍극

자힘, 수소 결합, 이온-쌍극자 힘에 대하여 알아본다.

11.3 액체의 특별한 성질

점성도와 표면 장력과 같은 액체의 성질이 어떻게

분자간 힘에 의해 좌우되는지를 이해한다.

11.4 상변화

기체, 액체 및 고체 상태 간의 상변화와 그에 수반

되는 에너지 변화를 살펴본다.

11.5 증기 압력

액체와 그것의 기체 상태 사이에 존재하는 동적 평

형을 알아보고, 증기 압력의 개념을 도입한다.

11.6 상도표

기체상, 액체상, 고체상 사이의 평형을 그래프로 나

타낸 상도표 (phase diagram)를 보는 법을 배운다.

11.7 액정

고체와 액체의 중간 상태인 액정상 (liquid

crystalline phase)에 대해 살펴본다. 액정상은 고체

와 같은 구조적 질서를 약간 가지고 있으면서, 액체

와 같은 자유로운 움직임을 가지고 있다.

기체, 액체, 고체의 분자 비교

무엇이 차이를 만드는가?

분자 사이의 인력

분자간 힘

분자 사이의 힘 쌍극자-쌍극자 힘(dipole-dipole force) 수소결합(hydrogen bond) 분산힘( London dispersion force) van der Waals force : 쌍극자-쌍극자 힘, 분산힘

이온-쌍극자 힘(ion-dipole force) : 이온-분자 사이의 인력에 중요

분자간 힘 쌍극자-쌍극자 상호작용

Vdip-dip : 1. 공유결합 또는 이온결합의 ~1% 2. ∝1/r2

분자간 힘 수소 결합

Vdip-dip ⊃ Hydrogen bonding

H – X : X=N, O, F ∆χ is big.

short H-X distance

strong dipole-dipole attraction

분자간 힘 수소 결합

O: 원자 반지름(0.73 Å) van der Waals 반지름(1.52 Å) H: 원자 반지름(0.37 Å) van der Waals 반지름(1.20 Å)

분자간 힘 수소 결합

Hydrogen Bonding Life much depends on

Ice DNA Protein

분자간 힘 분산력

He (4K) H2 (20 K)

1

주기

VLondon: 1. 무극성 분자 사이의 인력에 중요 2. ∝ 1/r6

분자간 힘 분산력

VLondon: 3. 분자량이 증가할수록 일반적으로 증가 (모양에도 의존) 4. 모든 물질에서 발견됨

분자간 힘 이온-쌍극자 힘

NaCl의 수화(hydration)

이온-쌍극자 힘(ion-dipole force) : 이온-분자 사이의 인력에 중요

분자간 힘 분자간 힘의 비교

힘의 세기는 분산력<쌍극자-쌍극자<수소결합 이나 분자간 인력에 대한 기여도는 경우에 따라 다르다. Ex) HCl에서 분산력은 분자간 인력에 80% 정도 기여, 나머지는 쌍극자-쌍극자

액체의 특별한 성질 점성도(Viscosity)

점성(Viscosity): 액체의 흐름에 대한 저항 액체 분자들이 상대적으로 쉽게 움직일 수 있는가 하

는 것과 관련 분자 사이의 인력과 분자를 서로 묶어 줄 만한 구조에

의존 분자 사이의 인력이 클수록, 온도가 낮을수록 증가 같이 일련의 분자에 대하여 점성은 분자량에 따라 증

가

= Pa·s

액체의 특별한 성질 표면장력(Surface Tension)

표면적을 줄이려는 경향

낮은 에너지 상태

높은 에너지 상태

표면장력(surface tension) : 액체의 표면적이 늘어나는 것에 대한 저항 단위: J/m2

20°C에서 물의 표면 장력: 7.29 × 10-2 J/m2 (물의 표면적을 1m2만큼 증가시킬 때 7.29 × 10-2 J 의 에너지 필요)

액체의 특별한 성질 표면장력(Surface Tension)

모세관작용(capillary action)

표면장력

상변화

용융열 (heat of fusion) 용융엔탈피 (enthalpy of fustion): ∆Hfus 증발열 (heat of vaporization) 증발엔탈피 (enthalpy of vaporization): ∆Hvap 승화열 (heat of sublimation): ∆Hsub

상변화에 동반되는 에너지

상변화 가열 곡선

얼음(-25oC )을 밀폐된 용기에 빈 공간 없이 넣고, 움직일 수 있는 피스톤으로 덮어서 실험.

물의 가열 곡선 (물 1 mol, 1 기압. -25oC 125oC )

Ex) 왼쪽 그림에서 단계별 엔탈피 변화량? 얼음, 액체 물, 수증기의 비열은 각각 2.03 J/g.K, 4.18 J/g.K, 1.84 J/g.K. 물의 ∆Hfus ＝ 6.01 kJ/mol, ∆Hvap ＝ 40.67 kJ/mol

AB: ∆H = (1.00 mol)(18.0 g/mol)(2.03 J/g-K)(25 K) = 914 J = 0.91 kJ

CD: ∆H = (1.00 mol)(18.0 g/mol)(4.18 J/g-K)(100 K) = 7520 J = 7.52 kJ DE: ∆H = (1.00 mol)(40.67 kJ/mol) = 40.7 kJ EF: ∆H = (1.00 mol)(18.0 g/mol)(1.84 J/g-K)(25 K) = 830 J = 0.83 kJ

BC: ∆H = (1.00 mol)(6.01 kJ/mol) = 6.01 kJ

증기 압력

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

증기 압력 휘발성, 증기 압력, 온도

액체 방울

증기압의 측정

증기압 < < 분자간 힘 > >

휘발성 < <

증기 압력 휘발성, 증기 압력, 온도, 끓는점

끓는점(boiling point): 액체 표면에 작용하는 외부 압력과 증기 압력이 같을 때의 온도

정상 끓는점(normal boiling point): 증기 압력이 760 torr가 되는 온도

증기 압력 휘발성, 증기 압력, 온도, 끓는점

증기압과 온도와의 관계 (Clausius-Clapeyron Eq)

상평형그림

상평형그림(phase diagram): 온도와 압력에 따른 물질의 상태와 상 사이의 평형을 나타낸 그림

삼중점(triple point): 기체, 액체, 고체가 평형 상태에 있는 온도, 압력

액체의 증기압 곡선

고체의 증기압 곡선

압력에 따른 녹는점

상평형그림 임계온도, 임계압력

임계점(critical point): 임계온도, 임계압력 (for water, Tc = 374°C and 218 atm).

임계온도(critical temperature): 액화 가능한 최고의 온도. 더 높은 온도에서는 아무리 압력을 가해도 액화가 일어나지 않는다.

임계압력(critical pressure): 임계온도에서 액화시키는 데 필요한 압력

초임계 유체 (supercritical fluid): 액체와 기체 상태를 서로 구별할 수 없는 상. 임계온도 이상, 임계 압력 이상에서 형성. Universal solvent와 비슷한 성질을 가짐 초임계 유체 추출 (supercritical fluid extraction)

상평형그림 H2O, CO2의 상평형그림

H2O CO2

상평형그림 H2O, CO2의 상평형그림

H2O

Surface melting

액정(Liquid Crystal)

벤조산 콜레스테릴(cholesteryl benzoate) Frederick Reinitzer (1888)

어떤 물질은 고체 액정 액체 상변화

액정은 고체, 액체의 중간 성질을 갖는다.

액정(Liquid Crystal) 액정의 종류

네마틱 액정 (nematic liquid crystal): 분자가 1 차원적으로 정렬 스메틱 액정 (smectic liquid crystal): 분자가 2 차원적으로 정렬

액정(Liquid Crystal) 액정의 종류

콜레스테릭 액정 (cholesteric liquid crystal): 각 층은 네마틱 액정과 비슷하게 배열되어 있으나, 층의 배열 사이에 각도를 가지고 있음

액정(Liquid Crystal) 액정의 종류

액정 상태에서 분자간 힘은 온도, 압력, 전기장에 민감하게 영향을 받음

꼬인 네마틱 액정 디스플레이 (LCD)

이온성 액체(Ionic Liquid)

이온 결합 화합물의 녹는점은 이온 전하량이 너무 크지 않거나, 양이온-음이온 거리가 충분히 멀어지게 되면

낮아질 수 있다.

이온성 액체의 가지 유용한 성질을 가진다.

① 비휘발성

② 비인화성

③ 약 400℃ 온도에서도 액체 상태로 존재한다.

④ 많은 물질의 좋은 용매이기 때문에, 다양한 반응과 분리에 사용될 수 있다.