화학2 : IV-1. 기체 액체 고체

1. 기 체

(1) 기체의 압력과 측정

가. 기체 상태

: 입자들 사이의 거리가 물질의 상태 중 가장 멀어서, 분자의 운동이 가장 활발하며 모양과 부피가 일정하지 않는 상태.

나. 기체의 압력

① 압력 : 어떤 면의 단위 넓이에 작용하는 힘
② 기체의 압력 : 기체 분자의 충돌에 의해서 그릇의 벽의 단위면적에 작용하는 힘.
⇒ 기체 상태는 압력을 함께 나타냄.
③ 단위 : Pa(파스칼). 1Pa=1N/m2

다. 대기압

① 단위 : 해면에서의 평균 대기압인 101.325kPa를 1기압으로 정함
1기압(atm) = 101.325kPa = 760mmHg = 760 Torr
② 대기압의 측정 : 토리첼리(Torricelli, E.)의 실험
1기압(atm) : 수은주의 높이가 760mmHg 일때의 압력.

(2) 기체에 관한 법칙

가. 보일의 법칙

① 보일 의 법칙 : 일정한 온도에서 일정량의 기체의 부피는 압력에 반비례한다.

(k 는 상수, 몰 수(n)와 온도(T)는 일정)

② 보일의 법칙 실험 모형

③ 보일의 법칙과 그래프

나. 샤를의 법칙

① 샤를의 법칙 : 일정한 압력에서일정량의 기체의 부피는 온도가 1℃ 오를 때마다, 0℃ 때 부피의 만큼씩 증가한다.

◆ t ℃ 때 부피를 V , 0℃ 때 부피를 V₀ 라고 하면

◆ 273 + t = T 라 놓으면 V 는 T 에 비례한다.

( 로 상수이다.)

② 기체의 부피와 온도

㉠ 절대 온도 : 섭씨온도에 273을 더한 것. 단위 : K(켈빈)

㉡ 절대영도(0K): 기체의 부피가 0이 되는 절대온도0 K(-273.15 ℃). 실제로는 0 K가 되기 전에 모든 기체는 액화하며, 액체 상태에서는 샤를의 법칙이 성립되지 않음.

다. 보일-샤를의 법칙

: 일정량의 기체의 부피는 압력에 반비례하고, 절대 온도에 비례한다.

① 보일-샤를의 법칙 유도 과정

② 기체에 관한 법칙 정리

(3) 이상 기체의 상태 방정식

가. 기체 상수 (R)

: 보일-샤를의 법칙에 모든 기체 1몰의 부피는 표준 상태(0℃,1atm)에서 22.4 L 라는 아보가드로의 법칙을 적용하여 기체 1몰에 대한 기체상수 k의 값을 구하면, 다음과 같다.

위 식과 같이 기체 1몰에서의 k 값을 기체 상수라고 하며, R 로 나타낸다.

나. 이상 기체 상태 방정식

R 는 1몰일 때의 값이므로 n mol일 때는 k = nR 이 된다.

위 식을 이상 기체 상태방정식이라고 한다.

다. 기체의 분자량 결정

: 분자량이 M 인 기체가 wg 은 mol수 n = w/M 이므로, 이상 기체 상태 방정식은 다음과 같다.

라. 이상 기체와 실제 기체

① 이상 기체(ideal gas) : 어떤 조건에서도 이상 기체 상태 방정식이 잘 적용되는 기체
㉠ 이상 기체는 분자 사이의 인력이나 반발력이 작용하지 않는다.
㉡ 온도가 0 K가 되면 기체의 부피는 0 이어야 하며, 평균 운동 에너지는 절대 온도에 비례한다.

② 실제 기체(real gas) : 상태 방정식에 잘 맞지 않는 우리 주변에 실존하는 기체.

③ 실제 기체가 이상 기체 상태 방정식에 잘 맞을 조건
㉠ 온도는 높고, 압력이 낮을수록,
㉡ 분자간의 인력이 작을수록,
㉢ 분자량이 작을수록 이상 기체 상태 방정식에 잘 맞음.
㉣ 이유 : 높은 온도와 낮은 압력에서는 기체의 부피가 커지고, 분자 사이의 거리가 멀어져 분자간의 인력이나 반발력이 무시할 정도로 작아지기 때문이다.

〔표〕이상 기체와 실제 기체의 비교

구 분	이상 기체	실제 기체
분자의 크기	질량은 있으나 부피 없음	기체의 종류에 따라 다름
0 K에서의 부피	0	0K 이전에 고체나 액체로 됨
기체에 관한 법칙	완전히 일치	고온. 저압에서 일치
분자간 인력	없음.	있음

마. 기체 분자의 운동

① 기체 분자 운동론의 기본 가정

㉠ 기체 자체의 부피를 무시할 수 있다.
㉡ 직선 운동을 하고 용기 벽이나 분자들 사이에 계속 충돌한다.
㉢ 충돌하여도 분자들의 총 운동 에너지는 변하지 않는다.
㉣ 분자들 사이에 인력이나 반발력이 작용하지 않는다.

② 기체의 압력 : 기체 분자들이 용기의 벽에 충돌함으로써 용기 벽의 단위 면적이 받는 힘.
단위 시간에 그 곳에 충돌하는 분자 수와 분자가 한 번 충돌할 때 미치는 힘의 크기에 비례한다.

㉠ 충돌 수 : 단위 부피 속의 분자 수와 분자의 속력에 비례
㉡ 충돌하는 힘의 크기 : 분자의 질량과 속력에 비례
㉢ 기체의 압력과 보일의 법칙 : 일정 온도에서 기체의 부피가 1/2로 줄면 단위 면적에 충돌하는 분자 수가 2배로 늘어나 압력이 2배로 증가.
㉣ 기체의 온도와 샤를의 법칙

(4) 기체의 확산과 분출

가. 기체의 분출

기체가 들어 있는 용기에 매우 작은 구멍을 뚫어 놓을 때 용기 벽에 충돌하는 분자 중 우연히 이 구멍을 때리는 분자가 용기 밖으로 나오는 현상

나. 그레이엄의 법칙

: 같은 온도와 압력에서 두 기체의 분출 속도는 밀도, 또는 분자량의 제곱근에 반비례한다.

(v : 분출 속도, M : 분자량, d 는 밀도)

다. 기체의 확산과 확산 속도

① 확산 : 어떤 기체가 다른 기체 속을 퍼져 자가는 현상
② 확산 속도 : 분자량이 작고 밀도가 작을수록 확산 속도는 빠르다.(진공 중> 기체 중> 액체 중>)

(5) 혼합 기체의 압력

가. 혼합 기체의 부분 압력

① 부분 압력 : 서로 반응하지 않는 두 가지 이상의 기체들이 혼합되어 있을 때 각 성분 기체가 나타내는 압력
② 혼합 기체 중의 한 기체 성분이 나타내는 부분 압력은 그 성분 기체들이 단독으로 같은 용기 속에 들어 있을 때의 압력과 같다.

나. 돌턴의 부분 압력의 법칙(law of partial pressure) : 1801년

: 일정한 그릇 안에 들어 있는 기체 혼합물의 전체 압력은 각 성분 기체들의 부분압력의 합과 같다.

(P1 : 전체압력 P1, P2, P3 : 성분 기체의 부분 압력)

다. 부분 압력과 몰 분율

① 몰 분율 : 혼합 기체에서 성분 기체의 몰수를 총 몰 수로 나눈 값.

② 혼합 기체에서 한 성분 기체의 부분 압력 : 전체 압력에 그 성분 기체의 몰 분율을 곱한 값과 같다.
☞ 각 성분 기체의 부분 압력은 그 기체의 몰 분율에 비례함.

③ 이상 기체 상태 방정식으로부터 부분 압력과 몰 분율 관계식 유도

2. 액 체

(1) 액체의 일반적 성질

가. 액체 상태

① 외부 압력에 의해 그 부피가 거의 변화하지 않는다.
② 분자들 사이에 강한 인력이 작용하기 때문에 일정한 부피를 가진다.
③ 분자들의 위치가 고정되어 있지 않기 때문에 일정한 모양이 없다.
④ 같은 양의 기체에 비해 그 부피가 아주 작다.
(예) 100 ℃, 1기압에서 물 1g의 부피는 1.043mL이고, 수증기 1g의 부피는 1671mL가 된다. ▷ 약 1700배의 차이가 난다.

나. 액체 분자의 운동

: 기체처럼 진동, 회전, 병진 운동을 하지만 분자간의 인력에 의한 영향으로 기체에 비해 활발하지 못하다.

다. 점성도

① 유체 : 기체와 액체가 공통적으로 가지고 있는 흐르는 성질을 가진 물질
② 점성도 : 유체가 흐를 때 저항을 받는 정도. 분자간의 인력이 클수록 크고, 온도가 높아지면 감소한다.

라. 표면 장력

① 액체가 그 표면을 작게 만들려는 성질
② 표면 장력은 액체 표면에 있는 분자들이 분자간의 인력으로 액체 내부로 끌려서 액체 표면의 분자 수를 최소로 하려는 경향 때문에 생김
③ 즉, 액체의 표면에 있는 분자는 분자간 인력에 의하여 옆과 아래로는 당겨지지만 위로는 당겨지지 않는다.

(2) 증기 압력

가. 증발과 응결

① 증발(evaporation): 액체를 이루는 분자 사이의 인력을 극복하고 '액체 표면'으로부터 분자가 떨어져 나오는 현상.
☞ 액체에 열을 가하면 증발은 더욱 촉진되며, 액체 표면에 공기를 대류시키거나 액체의 표면적을 넓게 해주면 증발이 촉진됨.
② 응결 : 증발된 분자가 에너지를 잃고 다시 액체 속으로 되돌아가는 현상.
③ 몰증발열 : 어느 일정한 온도에서 1몰의 액체가 완전히 증발하여 액체와 같은 온도의 기체로 되는 데 필요한 열량.(단위: kcal/mol).
☞ 몰 증발열이 클수록 분자 사이의 인력이 크다.

나. 액체의 증기 압력과 끓는점

① 동적 평형 상태

: 밀폐된 용기 내에서 증발 속도와 응결 속도가 같아지는 상태, 즉 액체의 표면에서 튀어나오는 분자수와 액체속으로 되돌아가는 분자수가 같아지는 상태(겉보기로는 증발과 응결이 일어나지 않고 있는 것처럼 보임).

② 증기 압력

㉠ 어떤 온도에서 액체와 그 증기가 동적 평형 상태를 이루고 있을 때 증기가 나타내는 압력.
㉡ 온도가 높아질수록 증기 압력은 증가함(온도가 높아지면 분자 운동이 활발해져 분자간의 인력을 극복하기 쉽기 때문).
㉢ 휘발성이 강한 물질(분자간의 인력이 작은 물질)일수록 같은 온도에서의 증기 압력은 크다.
㉣ 증기 압력 곡선 : 액체의 증기 압력이 온도에 따라 변화하는 관계를 보여주는 그래프.
☞ 증기 압력 곡선은 증발과 응결이 동적 평형을 이루어 공존하는 온도와 압력이다.

③ 끓음(boiling)

㉠ 증기 압력과 외부 압력이 같아져서 액체의 표면에서 뿐만 아니라 액체의 내부에서도 격렬하게 기화가 일어나는 현상.
㉡ 끓는점(boiling point; b.p.): 액체가 끓을 때의 온도.
☞ 증기압력=외부압력(대기압)일 때의 온도. 따라서, 끓는점은 외부압력(대기압)에 따라 달라진다.
㉢ 외부 압력이 커지면 끓는점은 높아진다.(압력솥의 경우)
㉣ 외부 압력이 작아지면 끓는점은 낮아진다. (높은 산에서 밥을 지을 때 밥이 잘 익지 않는 이유)
㉤ 기준 끓는점: 대기압이 1atm일때의 액체의 끓는점. (물의 기준끓는점: 100 ℃)

3. 고 체

(1) 고체의 성질

가. 고체 상태

① 고체를 이루고 있는 입자들은 고정된 위치에서 그 온도에 따른 에너지를 가지고 진동만 함.
② 진동 운동은 온도가 높아질수록 활발해짐.

③ 고체를 이루는 입자들 사이에 작용하는 힘은 상당히 크기 때문에 일정한 부피와 형태를 가지며, 상당한 견고성을 지님.
④ 고체는 결정성 고체와 비결정성 고체로 나눌 수 있음.

나. 결정성 고체

① 결정(crystal) : 고체속에 있는 원자, 분자 및 이온 등이 입체적으로 규칙적인 배열을 이룬 고체.
② 결정성 고체의 특성: 일정한 녹는점이 있고, 대칭성과 비등방성을 가짐.
③ 결정의 종류
㉠ 원자 결정(다이아몬드)
㉡ 분자 결정(드라이 아이스)
㉢ 이온 결정(소금)
㉣ 금속 결정(구리, 은)
④ 녹는점과 어는점 : 결정 고체가 용융하여 액체가 될 때까지는 온도가 변하지 않고 일정하게 유지되는데 이 때의 온도를 녹는점(어는점)이라고 한다.

다. 비결정성 고체

① 비결정 고체: 입자들의 배열이 불규칙하여 결정의 특성을 나타내지 못하는 고체.
② 비결정 고체의 특성: 일정한 녹는점이 없고, 넓은 온도 범위에서 점차로 액체로 변함.
③ 비결정 고체의 예: 유리, 아교, 엿, 플라스틱, 아스팔트, 고무 등

(2) 결정의 구조

결정 구조를 나타내는 가장 작은 단위체를 단위 세포라하고, 단위 세포가 모인 것을 결정 격자라 한다.

가. 결정 구조 조사

: X선 회절법(삼차원적인 결정구조 조사가능).

나. 결정 구조의 종류

① 체심 입방 구조 : 입방체의 각 꼭지점과 중심에 입자가 위치하는 구조.
☞ 격자점 수=(1/8×8)+1= 2개 (예) 알칼리 금속(Na, K등), Ca, Fe 등

② 입방 밀집 구조(면심 입방 구조) : 입방체의 각 꼭지점과 각 면의 중심에 입자가 위치하는 구조.
☞격자점 수=(1/8×8)+(1/2×6)= 4개 (예) Cu, Ag, NaCl 등

③ 육방 밀집 구조 : 정육각형의 각 꼭지점과 그 면의 중심에 입자가 있는 층이 있고, 이 층의 중심입자 위에 삼각형의 꼭지점에 입자를 가진 면을 놓고 다시 정육각형의 층을 그 위에 포개어 놓은 밀집 구조.
☞격자점 수=(1/6×12)+(1/2×2)+3= 6개 (예) Mg, Zn, Co, H₂, HCl 등

④ 단위 격자 중의 입자의 수(N) 계산법:

(3) 결정의 분류

가. 분자 결정

: 분자들 사이에 아주 약한 분자간의 인력(=반 데르 발스 힘)이 작용한 분자가 결정의 단위인 결정.(비금속 원소와 비금속 원소간의 결합, 즉 공유 결합을 함).

① 결정 단위는 분자.
② 분자간의 인력이 약하므로, 대부분 녹는점이 (낮다).
③ 상온에서 승화하는 성질을 가지는 것이 많다.
④ 분자결정의 예: 요오드(I₂), 나프탈렌(C₁₀H₈), 황(S₈), 네온(Ne), 산소(O₂), 드라이 아이스(CO₂), 염소(Cl₂), 대부분의 탄소 화합물 등

나. 이온 결정

: 양이온과 음이온 사이에 정전기적 힘(=쿨롱의 힘)에 의해 생긴 결정(금속 원소와 비금속 원소간의 결합, 이온 결합을 함).

① 결정의 단위는 양이온과 음이온이다.
② 고체 상태에서는 전기 부도체이지만, 용융 상태에서는 전기 양도체
③ 양이온과 음이온 사이의 정전기적 힘이 비교적 강해서 단단하고, 녹는점과 끓는점이 비교적 높다.
④ 염화나트륨형 결정 구조
㉠ Na⁺ 또는 Cl^-가 면심 입방 구조를 이루고 있다.
㉡ Na⁺ 는 6개의 Cl^-로, Cl^-는 6개의 Na⁺로 둘러 싸여 있다.

⑤ 염화세슘형 결정 구조
㉠ 체심에 Cs⁺가 놓여 있고 8개의 꼭지점들에 Cl^-가 놓여 있는 입방체 구조.
㉡ CsCl은 체심 입방체처럼 보이나 단순 입방체이다.

다. 공유 결정(=원자 결정)

① 결정을 이루는 모든 원자들이 공유 결합으로 그물처럼 연결되어 있으므로, 전체를 하나의 거대한 분자처럼 볼 수 있다.
② 휘발성이 없으며, 끓는점이 매우 높다.(∵그물 구조를 하고 있기 때문에).
③ 대부분 전기 부도체이나 흑연은 예외이다.
④ 원자 결정의 예: 다이아몬드(C), 흑연(C), 이산화규소(SiO₂) 등

라. 금속 결정

① 결정의 기본 단위는 금속 원자이다.
② 전자바다모형에 의해 원자가전자가 자유롭게 움직일 수 있으므로, 열이나 전기를 잘 전도하고 연성, 전성과 같은 성질을 가진다.
③ 대부분의 금속은 결합력이 강하여 녹는점과 끓는점이 높다.
④ 금속결정의 구조(최조밀 쌓임 형식), 즉 금속결정에서의 금속원자의 배열 구조
㉠ 육방 밀집 구조: Mg, Zn, Cd, Ti 등
㉡ 면심 입방 구조: Al, Cu, Ag, Pb, Ni, Au 등
㉢ 체심 입방 구조: 알칼리 금속(Li, Na, K), Ba 등

[정리] 분자 결정, 이온 결정, 원자 결정, 금속 결정의 특성 비교

결 정	성분 원소	구 성 입 자	결 합	녹는점	전기 전도성		보 기
					고체	액체
분자결정	비금속 +비금속	분 자	분자간 힘	낮음	없음	없음	드라이아이스(고체 CO2)
이온결정	금속 +비금속	양이온과 음이온	이온 결합	높음	없음	있음	NaCl
원자결정	비금속 +비금속	원 자	공유 결합	매우 높음	없음	없음	C(다이아몬드), SiO2
금속결정	금속	양이온과 자유전자	금속 결합	높음	있음	있음	Cu, Zn, Fe

(4) 상평형

가. 물질의 상태 변화

① 융해(고체 → 액체), 기화(액체 → 기체)
: 분자의 열운동 에너지 > 입자의 힘(분자간 인력) ⇒ 열 흡수

② 응고(액체 → 고체), 액화(기체 → 액체)
: 분자의 열운동 에너지 < 입자의 힘(분자간 인력) ⇒ 열 방출

③ 승화: 고체가 액체를 거치지 않고 직접 기체로 되는 현상.
☞ 승화성 물질: 요오드,드라이아이스,나프탈렌 등

가. 상평형 그림

: 한 물질의 기체, 액체, 고체들 사이의 평형을 온도 변화에 따른 증기 압력의 변화로 나타낸 그림.

① 용융 곡선: 고체와 액체의 상평형 곡선(곡선 AD)
② 증기 압력 곡선: 액체와 기체의 상평형 곡선(곡선 AB)
③ 승화 곡선: 고체와 기체의 상평형 곡선(곡선 AC)

④ 상평형 그림

㉠ AB선: 물의 증기 압력과 온도와의 관계를 나타낸 물의 증기 압력 곡선.
ⓐ A점(삼중점): 약0.01 ℃ 와 4.58 mmHg에서 물, 수증기, 얼음이 상평형을 이룸.
ⓑ B점: 물의 기준 끓는점인 100℃에서 수증기의 평형 증기 압력은 760 mmHg임.
㉡ AC선: 고체인 얼음과 그의 증기가 평형을 이루고 있는 온도와 압력을 나타낸 승화 곡선
㉢ AD선: 물이 고체인 얼음과 평형을 이루는 온도와 압력 조건을 나타내는 용융 곡선

⑤ 삼중점(triple point) : 고체, 액체, 기체의 세가지 상이 서로 평형을 이루어 같이 존재할 수 있는 온도와 압력을 표시한 점.