제 14장 : 용액의 물리적 성질

용액: 두 종류 이상의 물질이 균일하게 섞여 있는 혼합물 (단일 상)

용매: 용액 중 더 많이 존재하는 성분 (예외: 물은 적게 존재 해도 항상 용매)

용질: 용액 중 더 조금 존재하는 성분

혼합물의 특성이 균일하지 않으면 불균일(heterogeneous) 혼합물이다. 상이 두 개 이상.

혼합물 전체가 균일한 특성을 보이면 균일(homogeneous) 혼합물 혹은 용액이라 한다

용액의 형태

용질 용매 용액

gas O2 in a gas N2 Air

Gas CO2 in a Liquid H2O Carbonated Water

liquid H2O in a Gas Air Fog

liquid EtOH in a Liquid H2O Wine

Liquid Hg in a Solid Ag Dental-filling

Solid NaCl in a Liquid H2O 식염수

Solid Ag in a Solid Au 14 Karat gold

Like Dissolves Like

극성이 상이할 때 : 불용 극성이 유사할 때 : 가용

용해의 원리

Miscible –

두 용액이 서로 가용성

Immiscible –두용액이서로석이지않음

-용질과 용매의 분자 구조가 비슷하거나 같은원자단이 있으면 잘 용해됨 .

(예)설탕(-OH 있음),에탄올(C2H5-OH)등은 물(H-OH)에 잘 용해

-전기적 성질 (극성 및 비극성)이 비슷하면 잘 용해

용해의 원리

좌: 물(극성)-나프탈렌(비극성) : 안 섞임우: 나프탈렌(비극성)-벤젠(비극성) : 섞임

극성은 극성에 비극성은 비극성에 섞인다.

.

.

.

.

① 이온 결정은 물과 같이 극성이 큰 용매에 잘 녹는다② 나프탈렌과 같은 무극성 분자는 벤젠과 같은 무극성 용매에 잘 녹는다③ 물과 에탄올은 -OH에 의한 수소 결합 때문에 서로 잘 섞인다④ 극성 분자는 극성 용매에, 무극성 분자는 무극성 용매에 잘 녹는다.

용해의 원리

용해도 곡선고체는 온도 상승, 대부분 용해도 상승기체는 온도 상승 시 , 용해도 감소

용해도 (Solubility): 결합의 관점

물질의 용해결합력 : 용질-용매 > 용매-용매 + 용질-용질

반응의 엔탈피 변화 : DH = DH1 + DH2 + DH3

DH > 0 (흡열); DH <0 (발열)

용해도 : 열역학적 관점

NaCl의 용해의 예 (고체/액체)

용해도에 영향을 주는 인자

1. 용질 / 용매 극성 - Like dissolves like

(Inter Molecular Forces)

2. 온도 -

i) 고체/액체- 온도 증가 시 주로 증가

운동에너지 증가—충돌 (용매/용질) 증가

ii) 기체 – 온도 증가 시 감소

운동에너지 증가로 기체 탈출](기체가 용해될 때 발열 반응이 진행되기 때문에 온도가

낮을수록 기체의 용해도는 증가한다.)

3. 압력 -i) 고체/액체 – 거의 영향 없음

ii) 기체 – 압력 증가 시 용해도 증가 (헨리의 법칙

용액 속의 기체온도(Temperature) 효과 : 기체의 용해도는온도가 높아지면 감소한다 (운동 에너지 증가).

온도가 높으면 용매, 용질(기체) 모두운동에너지가높아지나 기체는액체(용매)의 인력을끊고 나갈 수 있게된다.

고온 저온

기체의 부피는 압력에 반비례하고 녹는 기체의 양은 압력과 비례(낮은 압력에서 적용)

헨리의 법칙이 잘 적용되는 기체 : H2, O2, N2, CO2 => 무극성분자헨리의 법칙이 잘 적용되지 않는 기체 : HCl, NH3, SO2 => 극성분자

심해에서 N2 의 용해도 증가와 급상승 시 N2 의부피증가로 인한 혈관 파손 병--잠수병(케숑병)

34ft 잠수마다 1기압씩 증가:

34 ft : 2기압; 68 ft : 3기압

만약 0oC 1기압에서 CO2의 용해도가 0.348g/100 ml라면, 2.5기압에서의 용해도는? 0.348g/100ml * 2.5 = 0.870g/100ml

압력(pressure) 효과 : 기체의 용해도는 압력이높아지면 증가한다 (헨리의 법칙, Henry’s law).

용액 속의 기체c = k • P

Disaster: (1700 dead) from Gas Solubility

Lake Nyos in Cameroon (아프리카), the site of a natural disaster. In 1986 a huge bubble of CO2

escaped from the lake and asphyxiated more than 1700 people.

CO2는 공기 밀도보다 높고 그때 CO2층은 20 m 이상을 덮었다.

기체의 용해도는 온도가 높아지면 감소.

불포화, 포화, 과포화 용액

• 용해(Solubility): 물질 간 분자수준에서 서로 섞이는 것.

Unsaturated Saturated supersaturated

용질을 더 녹일 수있는 용액 .

용질이 녹을 수 있는최대량을 포함한용액.

용해한계보다 더 많은 용질이녹아있는 용액

매우 불안정하여 용질의 작은결정을 넣어주면 용질이 석출됨

온도차에 의한 재결정

용액의 농도-몰농도 (Molarity, M) :

용질의 몰 수 / 용액 Liter 수(부피)

-몰랄농도 (Molality, m):

용질의 몰 수 / 용매의 Kg 수

노르말 농도 (Normality,N)

용질의 당량 / 용액의 Liter 수

-질량백분율 농도 (Mass percent (% m)):

(용질의 질량) / 용액전체 질량) * 100

몰농도 (Molarity) 계산의 예 :

D=m/v 1.84 g/mL=1840 g / 1000mL (Molarity=moles/L)

1840 g x .983=1810 g H2SO4 (at 98.3%)

1810 g H2SO4 x (1 mol H2SO4/98g)=18.5 moles

M=moles/liter= 18.5 moles/1L = 18.5 M

Conc. Sulfuric acid (진한황산,Mw = 98) is a solution

that has a density of 1.84 g/mL and contains 98.3% H2SO4

by mass. What is the molarity of this acid (M)?

노르말 농도 (당량)

• 당량 : 산 혹은 염기가 1 몰의 하전(H+, OH-)을 줄 수있는 능력

• 예 HCl : 1mol HCl = 1eq H+

• H2SO4: 1 mol H2SO4 = 2 eq H+

• H3SO4: 1 mol H3PO4 = 3 eq H+

• NaOH: 1 mol NaOH = 1 eq OH-

• 5.0 M HCl = 5mol HCl /L = 5.0 N HCl

• 5.0 M H2SO4 = 5mol /L H2SO4 • 2 eq/1 mol

= 10 eq / L = 10 N

몰랄 농도(molality ,m) 예:

mol CoCl2 = 3.5 g CoCl2 • mol CoCl2

129.93 g

= 0.0269 m = 0.027 m

mass H2O = (100ml • 1 g) - 3.5 g

1 mL

= 96.5 g

m = 3.5 g CoCl2 • mol CoCl2 • 1

1 129.93 g .0965kg

= 0.279 m = 0.28 molality (m)

•3.5 g of CoCl2 (Mw = 129.3) is dissolved in 100mL

solution. Assume the density of the solution is 1.0 g/mL,

what is concentration of the solution in molality(m) ?

용액의 묽힘

M1 x V1 = M2 x V2 ( M:용액의몰농도, V: 용액의부피)

진한 염산(농 도 = 12M) 50 ml를 2.50L로 희석 시 최종 용액의 농도는?

M1 x V1 = M2 x V2 에서12 M x 0.05L = M2 x 2.5 L

M2 = (12 M x 0.05 L) / 2.5 L

= 0.24 M HCl

용액 중에 녹아 있는 용질의 농도에 의해 용액의 물성이 달라지는 정도를결정하는 성질을 말함. 이것은 용질의 종류에 관계없이 용액에 녹아 있는용질의 분자 수에 비례하는 성질이다. (보통 분자간 상호 인력을 무시할 수있을 정도의 낮은 농도의 용액에 적용된다.)

1. Vapor pressure (증기압)Pv = x_solvent * Po

2. Freezing point depression (어는점 내림)ΔTf = Kf * Σmi

mi: 몰랄농도

3. Boiling point elevation (끓는점 오름)ΔTb = Kb * Σmi

4. Osmotic pressure (π)π = (nRT)/V

총괄성질 (colligative properties) :

Colligative properties (총괄성질)

• Vapour pressure is always lower

• Boiling point is always higher

• Freezing point is always lower

• Osmotic pressure drives solvent from lower

concentration to higher concentration

비휘발성 용질과 Raoult의 법칙

• The vapor pressure of the solvent in a solution containing a non-volatile solute is always lower than the vapor pressure of pure solvent at the same temperature

– The solute molecules occupy volume reducing the number of solvent molecules at the surface

– The rate of evaporation decreases and so the vapor pressure above the solution must decrease to recover the equilibrium

Vapor pressure: Raoult’s law

solution of a nonvolatile (pvap 0) solute in a solvent:

solvent A solvent A + nonvolatile solute B

pAº pA = XA·pAº

(A: 용매)

Raoult’s law

묽은 용액에서 그 증기압력 내림의 크기는 용액 중의 용질의 몰분율에 비례한다는 관계.(용매의 증기압은 용매의 몰분율에 비례)

Freezing point depression?

• The well known phenomena of freezing

point depression and boiling point elevation

are both consequences of vapor pressure

lowering

freezing point depression and boiling point elevation

(빙점강하 & 비점상승)

Nonvolatile solutes (비휘발성 용질): raise the boiling point and lower the freezing point

for H2O:

DTb = Kb·msolute boiling point elevation Kb = 0.51ºC/m

DTf = Kf·msolute freezing point depression Kf = 1.86ºC/m

e.g., We saw that a 50/50 (v/v) solution of ethylene glycol in water

had a molality of 18.0 m. What are its freezing and boiling points?

18*0.51 ~ 9.18 109.18oC

18*1.86 ~33.48 -33.48oC

Osmotic pressure

• The solvent passes into the solution increasing its volume

• The passage of the solvent can be prevented by application of a pressure

• The pressure to prevent transport is the osmotic pressure

Osmotic pressure (삼투압)

equilibrium

semipermeable membrane

(반투막)-allows solvent molecules

to pass, but not solute

tries to equalize

concentration,

creates pressure

osmotic

pressure,

P

Find: P = mRT

In dilute solution, m M P = MRT(similar to ideal gas equation:

P = (n/V)RT or PV = nRT)

solvent solution solvent solution

(몰랄농도 ~ 몰농도)(n/V)

Determining molar mass

• A solution contains 20.0 mg insulin in 5.00 ml develops an

osmotic pressure of 12.5 mm Hg at 300 K. 인슐린의 분자량은?

RTM

P M

KKmol

atmL

mmHgmmHg

M 41068.6

3000821.0

76015.12

moles insulin = M (6.68*10-4M) x V (5.0*10-3L) (M=mole/V)*(V) =mole

= 3.34x10-6 mol

Molar mass = mass of insulin/moles of insulin (mole = mass/Mw)

= 0.0200 g/3.34x10-6 mol

= 5990 g/mol

atm