4-2-2. 끓는점 오름과 어는점 내림
1. 용액의 증기 압력 내림/라울의 법칙/2. 몰랄 농도/
3. 묽은 용액의 끓는점 오름과 어는점 내림/어는점 내림/전해질/
소금물은 물과 달리 0도보다 더 낮은 온도에서 얼고
100도보다 더 높은 온도에서 끓기 시작합니다.
이 단원에서는 묽은 용액의 끓는점 오름과 어는점 내림이
용액의 농도와 어떻게 관계가 있는지를 알아봅시다.
예컨대 휘발성인 에탄올을 물에 녹인 용액의 증기 압력은
맹물의 증기 압력보다 높습니다.
왜냐구요?
그야 에탄올은 물보다 끓는점이 낮아 쉽게 증발하기 때문에
물이 증발하는 것을 방해하지 않고
자기가 더 앞장서서 기화하기 때문이죠.
그러나 비휘발성인 설탕을 물에 녹인 용액은
설탕 분자가 물이 증발하는 것을
부분적으로 방해하기 때문에
설탕물의 증기 압력은 맹물보다 더 낮아지게 됩니다.
이런 현상을 라울의 법칙이라고 합니다.
"비휘발성, 비전해질인 용질이 녹아 있는 용액의
증기 압력 내림은 용질의 몰랄 농도에 비례한다."
여러분들이 이미 배워서 알고 있는 몰 농도는
'단위 부피당 몰 수'를 뜻하는데,
이 경우 온도에 따라서 부피가 변하면 농도가 달라지므로
온도가 달라져도 농도가 변하지 않도록 하려면
새로운 농도 개념이 필요합니다.
몰랄 농도는 용매 질량 1kg당 녹아 있는 용질의 몰 수로 나타냅니다.
용매의 질량을 기준으로 삼기 때문에
온도가 변해도 농도는 변하지 않는 게 특징이지요.
몰랄 농도의 단위는 소문자 m을 사용합니다.
예를 들어 설탕 1몰을 물 1kg에 녹였으면
1몰랄 농도(m = mol/kg)입니다.
소금 2몰을 물 5kg에 녹였다면 2몰/5kg이므로
0.4m이란 것 알 수 있겠죠?
앞의 그림은 용액의 증기 압력이
용매의 증기 압력보다 낮음을 보여 줍니다.
이런 용액이 끓으려면 낮아진 증기 압력을 회복해야만 하는데
(왜냐하면 끓기 위해서는
증기 압력이 외부 압력 -대개는 대기압-과 같아야 하지만
100ㅇC 수용액의 증기 압력이 낮아졌기 때문에)
그러기 위해서는 더 많은 에너지가 필요하므로
온도를 더 높여야 끓게 됩니다.
따라서 끓는점이 올라가게 되는 거예요.
비휘발성 용질이 물 속에 녹아 있으면
물 분자가 결정화할 때 용질이 방해하기 때문에
어는점이 더욱 낮아지게 됩니다.
이것을 어는점 내림이라고 합니다.
용액의 끓는점 오름과 어는점 내림은
용액의 몰랄 농도에 비례합니다.
DTb = Kbm, DTf = Kf m
( DTb : 끓는점 오름, Kb : 몰랄 오름 상수,
DTf : 어는점 내림, Kf : 몰랄 내림 상수, m : 몰랄 농도 )
그런데, 물 1kg에 설탕 1몰을 녹인 용액과,
물 1kg에 소금 1몰을 녹인 경우를 비교하면,
소금을 녹인 경우의 끓는점이 더 높고
어는점이 더 낮음을 알 수 있는데,
이것은 소금이 전해질이어서 물 속에서
비전해질인 설탕보다 2배나 많은 입자들이 생기기 때문입니다.
소금과 같이 물 속에서 거의 100% 이온화하는 물질은
비전해질을 녹인 용액에 비하여
어는점은 더욱 낮아지고 끓는점은 더욱 높아집니다.
예를 들자면, 물 1kg에 용질 1몰을 녹인
용액의 경우는 다음 표와 같습니다.
|
설탕물 |
NaCl(aq) |
CaCl2(aq) |
Al2(SO4)3 |
끓는점 오름(0C) |
0.52 |
1.04 |
1.56 |
2.60 |
끓는점(0C) |
100.52 |
101.04 |
101.56 |
102.60 |
어는점 내림(0C) |
1.86 |
3.72 |
5.58 |
9.30 |
어는점(0C) |
-1.86 |
-3.72 |
-5.58 |
-9.30 |
설탕 1몰이 물에 녹으면 총 입자 수는 1몰이지만,
소금(NaCl) 1몰이 물에 녹으면 다음과 같이 이온화하여
|
NaCl --> |
Na+ + |
Cl- |
처음 |
1몰 |
0몰 |
0몰 |
이온화 |
-1몰 |
1몰 |
1몰 |
나중 |
0몰 |
1몰 |
1몰 |
총 입자수는 1몰(Na+) + 1몰(Cl-) = 2몰이 됩니다.
따라서 어는점 내림과 끓는점 오름이
설탕물에 비해 2 배가 되지요.
같은 이치로 염화칼슘(CaCl2 --> Ca2+ + 2Cl-)은
이온화에 의해 설탕물보다 3배 효과,
황산알루미늄(Al2(SO4)3 --> 2Al3+ + 3SO42-)은 5배 효과가
생기게 됨을 알 수 있습니다.
이제 여러분들은 바닷물이 추운 겨울에도
쉽게 얼지 않는 이유
(물론 가장 큰 이유는 파도가 치기 때문이지만)
중의 하나를 배웠습니다.
용액의 어는점 내림과 끓는점 오름은
용액 속에 있는 용질의 입자 수에 의존한다는 점 잊지 마세요!!