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물리화학

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오스트발트 희석률 (Ostwald dilution law) 오스트발트 희석률 | Ostwald dilution law 0. 들어가기 오스트발트 희석률은 독일의 화학자 빌헬름 오스트발트(Friedrich Wilhelm Ostwald, 1853-1932)가 1888년 제안한 것으로 약산의 이온화 상수(Ka)와 약산의 이온화도 사이 관계를 나타낸 법칙을 말한다. (사실, 산-염기에만 국한된 것이 아닌, 수용액에서 해리되는 전해질들의 해리 상수 Kd 와 초기 농도 c0 , 전해질의 해리도(해리 분율) α 사이 관계에 대한 것이다.) 1. 유도하기 약산(약전해질)은 수용액에서 일부 해리되어 다음과 같은 평형 상태에 도달한다. 약산의 초기 농도를 c0, 약산의 이온화도를 α 라고 한다면, 약산은 이온화도의 비율만큼 해리되며, 해리된 약산의 농도는 c0*α 로 나타낼 수 있..
오비탈의 침투 효과 (Penetration Effect of Orbitals) 오비탈의 침투 효과 Penetration effect of Orbitals 1. 거리에 따른 전자의 에너지 쿨롱 법칙(Coulomb's Law)은 서로 다른 두 전하의 상호작용을 설명한다. '전하 간 거리(r )'와 '전하량 곱(q1*q2)'에 따라 그 크기가 달라지는데, 거리가 가깝고 전하량 곱이 커질수록 강하게 상호작용한다. 물질을 이루는 원자는 양전하(+)의 핵과 음전하(-)의 전자로 구성된다. 서로 다른 종류의 두 입자가 하나의 원자 안에 공존한다. 우리는 쿨롱 법칙을 통해 핵과 전자 사이 상호작용을 설명할 수 있다. 만약, 핵으로부터 떨어진 거리(r )가 각기 다른 두 전자 1과 2가 있다면, 이들의 에너지는 어떤 차이가 있을까? 단순하게 쿨롱 법칙만으로 예상해본다면, 핵에서 가까운 전자가 그렇..
용액의 증기압은 왜 용매보다 낮아지는가? 긴 글 주의 용액의 증기압은 왜 용매보다 낮아지는가? "용액의 증기압 내림 설명" 1. 용액의 증기압 가. 액체의 증기 압력 진공 상태의 밀폐 용기에 물(H2O)을 반쯤 채우면, 물은 금세 증발하여 나머지 공간을 수증기로 가득 채운다. 이 수증기는 용기 벽면과 물 표면에 수없이 부딪치며, 압력을 가한다. 이를 물의 증기압, 증기 압력(vapor pressure)이라 한다. 증기 압력 : 닫힌계의 액체와 그 증기가 동적 평형 상태를 이루고 있을 때, 해당 증기가 가하는 압력 주위 온도가 높아지면, 물은 더 많이 증발한다. 벽면에 부딪치는 수증기 입자 수가 이전보다 많아지고 자연스레 증기 압력도 커진다. 온도가 높아지면, 처럼 증기 압력은 급격히 커진다. 20 ℃, 물(H2O)의 증기 압력은 0.023 [b..
분자 궤도함수 이론 (Molecular Orbital Theory, MOT) [알림] * 원자가 결합 이론(VBT)과 분자 궤도함수 이론(MOT)의 차이에 대한 일반화학 수준의 글입니다. Schrodinger 파동 방정식을 분자에 어떻게 적용했는지에 주목하여 작성한 글이며, 구체적인 분자의 파동 방정식 풀이, LCAO 분자 궤도함수, 이원자 분자의 MO 도표 등에 관한 내용은 포함되어있지 않습니다. * 이전 글 : 원자가 결합 이론(169) 원자가 결합 이론 (Valence Bond Theory, VBT) 원자가 결합 이론 (Valence Bond Theory, VBT) "하이틀러-런던의 접근법을 바탕으로 설명하는 원자가 결합 이론" 1. 역사 미국의 화학자 길버트 루이스(Gilbert N. Lewis, 1875-1946)는 1916 년, 《The Atom and T.. stac..
반트 호프 식 (van't Hoff equation) - 묽은 용액의 삼투압 반트 호프 식 (van't Hoff equation) "묽은 용액의 삼투압" 1. 삼투압 순수한 용매와 용액이 반투막을 사이에 두고 분리되어 있을 때, 순수한 용매가 용액 속으로 이동하려는 자발적인 경향을 삼투 현상(osmosis)이라 한다. 이러한 용매의 유입을 완전히 막기 위해서는 용액 쪽에 별도의 압력을 가해주어야 하는데, 이때 필요한 최소 압력을 삼투압(osmotic pressure, Π )으로 정의한다. 묽은 용액의 삼투압은 용액 내 포함된 용질의 몰농도에 의존하며, 다음과 같은 반트 호프 식(van't Hoff equation)으로 나타낼 수 있다. (CB = nB/V = 용액의 (용질) 몰농도) 2. 반트 호프식의 증명 용액에 가해진 삼투압의 크기를 구하기 위해서는 서로 다른 압력(p vs ..
삼투와 삼투압, 그리고 농도 평형 [ 긴 글 주의 ] 삼투와 삼투압, 그리고 농도 평형 "그래서 언제까지 일어나는 건데?" 0. 들어가기 고등학교 화학2, 용액 단원에서 총괄성(colligative property)에 대해 다룬다. 학생들은 증기압 내림, 끓는점 오름, 어는점 내림, 삼투압을 차례로 배운다. 교육과정에서는 이 네 가지 개념을 두 가지 성취 기준으로 구분하여 제시한다. 과학과 교육과정(제2015-74호) [12화학Ⅱ01-09] 묽은 용액의 증기압 내림, 끓는점 오름, 어는점 내림을 이해하고, 일상생활의 예를 들 수 있다. [12화학Ⅱ01-10] 삼투 현상을 관찰하고, 삼투압을 설명할 수 있다. 화학2가 배추를 소금에 절이는 것과 같은 실생활 삼투 현상을 소개하고 체험하는 정도에 머무르는 교과목이라면, 위의 성취 기준을 가볍..
두 종류의 반응물로 이루어진 2차 반응 두 종류의 반응물로 이루어진 2차 반응 A + B → P 반응의 적분 속도식 두 종류의 반응물 A와 B가 생성물 P를 만들어내는 화학반응식은 다음과 같다. 이 반응이 A와 B에 대해 각각 1차 반응이라면, 전체 반응 차수는 2차가 된다. 이런 반응은 우리가 일반적으로 다루는 A → P 의 2차 반응보다는 다소 복잡하다. 그래서 보통은 혼합된 2차 반응, 복잡한 2차 반응이라고 불린다. 하지만, 실제로 두 종류의 반응물이 관여하는 반응은 수없이 많고, 흔하게 일어난다. 따라서 이러한 반응식을 접할 일은 매우 잦다. 이 반응에 대한 속도식을 나타내면 다음과 같다.(1) 위 반응의 속도는 반응물 A와 B의 농도에 각각 의존한다. 시간이 지남에 따라 A와 B의 농도는 함께 감소하는데 초기 농도에 따라 제각각 다..
원자가 결합 이론 (Valence Bond Theory, VBT) 원자가 결합 이론 (Valence Bond Theory, VBT) "하이틀러-런던의 접근법을 바탕으로 설명하는 원자가 결합 이론" 1. 역사 미국의 화학자 길버트 루이스(Gilbert N. Lewis, 1875-1946)는 1916년, 《The Atom and The Molecule》을 통해 결합 이론을 발표했다. 각 원자의 바깥 껍질에 존재하는 홀전자들이 서로 쌍을 이루며 결합한다는 내용이었으며, 전자쌍 결합을 설명하기 위해 점 구조식(electron-dot structure)을 제안했다. 이것이 원자가 결합 이론(Valence Bond Theory, VBT)의 시작이다. 루이스의 이론은 어빙 랭뮤어(Irving Langmuir, 1881-1957)에 의해 옥텟 규칙으로 발전했다. 또한, 1927년, ..
프랭크-콘돈 원리 (Franck-Condon Principle) 프랭크-콘돈 원리 (Franck-Condon Principle) '싸늘하다. 가슴에 비수가 날아와 꽂힌다. 하지만 걱정하지 마라. 전자는 핵보다 빠르니까.' 프랭크-콘돈 원리(Franck-Condon Principle)는 '분광학'과 '양자 화학'에서 분자 전자 전이 스펙트럼의 미세 진동 구조를 설명한다. 물리 화학 서적에는 프랭크-콘돈 원리를 다음과 같이 설명하고 있다. "핵은 전자에 비해서 대단히 큰 질량을 갖기 때문에 전자 전이는 핵이 미처 감응하기 전에 빠르게 일어난다." 전자 전이에 의해서 분자 안의 새로운 영역에 급격하게 전하 밀도가 형성되고, 다른 곳에서는 없어지며, 이 때문에 본래 정지하고 있던 핵들이 급격하게 새로운 힘의 장에 노출된다. 핵들은 이 새로운 힘 때문에 처음 위치, 즉 급속한..
아레니우스에 대한 모든 것 아레니우스에 대한 모든 것 0. 들어가기 화학 공부를 하다보면, 아레니우스(Arrhenius)라는 이름을 한 번 쯤은 듣게 된다. 고등학교 화학1 산과 염기 단원 도입 부에서 다양한 산과 염기의 정의와 함께 처음 접하는 것이 일반적이다. 산-염기 화학에서 아레니우스의 산-염기 정의가 '브뢴스테드-로우리(Brønsted-Lowry)'나 '루이스(Lewis)'의 정의에 비해 설명 가능 사례가 적어 그의 업적을 가볍게 여길 수도 있지만, 생각보다 엄청난 인물이다. 현재 우리가 당연시 여기는 이온성 해리(ionic dissociation) 개념이 아레니우스 머리에서 나왔다. * 이온성 해리란, NaCl 이 물에 녹으면, 외부에서 어떤 전기적 힘을 가하지 않아도 Na+와 Cl-의 이온 형태로 나누어지는 현상을 말..
지레 규칙 (Lever Rule) 2성분 혼합물의 상평형 그림 : 지레 규칙 (Lever Rule) 이전 글(122)을 통해 휘발성 액체로 구성된 2성분 혼합물의 경우 용액과 증기가 평형 상태에 있을지라도 두 상의 조성은 같지 않다는 사실을 알아보았다. 조성 차이가 발생하는 이유는 휘발성이 큰 성분이 나머지 성분에 비해 빨리 증발하기 때문이다. 이 때의 용액 조성선과 증기 조성선을 하나의 상평형 그림에 나타내면, 과 같다. 의 용액 조성선(직선)과 증기 조성선(곡선)에 의해 가둬진 영역(F =1)에서 용액과 혼합 증기가 평형을 이루고 있으며, 두 상이 공존한다. 용액과 증기가 공존하는 영역에 위치한 점 들(●)은 우리에게 두 가지 정보를 제공한다. 첫 번째, 평형을 이루는 용액상의 조성(X)과 증기상의 조성(Y) 두 번째, 평형을 이루는..
불변 끓음 혼합물 (azeotrope) 분별 끓음 혼합물 (azeotrope) 이번 글을 통해서는 불변 끓음 혼합물(azeotrope)에 대해 알아보고자 한다. 불변 끓음 혼합물을 한자로 나타내면 공비(共沸) 혼합물(함께 공, 끓을 비)인데, 풀어쓰면 '함께 끓는 혼합물(constant boiling mixture)'이다. 고등학교 화학2 용액 단원에서는 총괄성만 주구장창 다루다가 대학교 일반화학 용액 단원에서 갑자기 분별 끓음 혼합물을 맞이한다. 보통의 경우, 관련 내용은 깊이 다뤄지지 않고, 소개 정도에 머무르는 것이 대부분이기에 학생들은 개념을 정확하게 형성하기에 어려움이 있다. 대부분의 물리화학 교재에 비교적 상세히 기술되어 있지만, 이마저도 혼자 공부하는 상황이라면 머릿속에 명확하게 그려지지 않는 경우가 많다. 이 글 역시 마찬가지일..

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