Chapter 11. 액체와 분자간 힘_Liquid & Intermolecular Forces

중/고등학교 때, 물질의 상태에 대해 배웠을 것으로 생각한다. "상태"의 대한 설명이 Chapter 11이다. 즉, 기체, 액체, 고체의 대해 배우는 것으로 각 상태에서의 에너지 및 힘의 대해 배운다고 보면 될 것으로 생각한다. 그리고, 그의 따른 상 변화의 대해 정리하고자 한다. 우리가 살면서 한번은 들어 보았던 용어이지만, 한자로 되어 있어서 이질감이 있을 수 있을 것이라 생각한다. 하지만, 어렵지 않은 내용이 용어의 대해 생각하면서 이해를 해보자.

SECTION 11.1

상온에서 기체 또는 액체 상태인 물질은 일반적으로 분자로 구성 됨.

• 기체 상태에서는 분자 간의 인력보다 운동 에너지가 훨씬 크기 때문에 분자들이 멀리 떨어져 있으며, 끊임없이 무작위적인 운동을 함.
• 액체 상태에서는 분자 간의 인력이 충분히 강하여 분자들이 가까이 있으나, 여전히 서로에 대해 자유롭게 이동할 수 있음.
• 고체 상태에서는 분자 간의 인력이 매우 강하여 분자의 운동이 제한되며, 분자들이 3차원 구조에서 특정한 위치를 차지하도록 강제 됨.

SECTION 11.2 - 분자 간 힘

중성 분자 간에는 세 가지 종류의 분자 간 힘이 존재 함.:

1. 분산력 (London Dispersion Forces)

   -. 모든 분자(원자 물질인 He, Ne, Ar 등 포함) 사이에서 작용 함.

   -. 분자의 질량이 증가할수록 분극성(polarizability) 이 커지며, 이에 따라 분산력이 강해 짐.

   -. 분자의 형태 또한 중요한 역할을 함.

1. 쌍극자-쌍극자 상호작용 (Dipole-Dipole Forces)

    -. 분자의 극성이 증가할수록 힘이 강해 짐.

1. 수소 결합 (Hydrogen Bonding)

   -. O-H, N-H, F-H 결합을 포함하는 화합물에서 발생 함.

   -. 일반적으로 쌍극자-쌍극자 힘이나 분산력보다 강한 힘.

   -. 또한, 이온-쌍극자 힘 (Ion-Dipole Forces) 은 이온 화합물이 극성 용매에 용해될 때 중요한 역할을 함.

 

SECTION 11.3 - 점성 및 표면 장력

• 분자 간 인력이 강할수록 점성(viscosity, 유체의 흐름에 대한 저항력) 이 커짐.
• 표면 장력(surface tension) 도 분자 간 인력이 강할수록 증가 함.

   -. 표면 장력은 액체가 최소한의 표면적을 유지하려는 경향을 측정하는 값.

• 모세관 현상 (Capillary Action) 과 오목한 액체 표면 (Meniscus) 은 액체와 용기 벽의 부착력(adhesion) 과 응집력(cohesion) 으로 인해 발생 함.

 

SECTION 11.4 - 상 변화(Phase Changes)

• 물질은 여러 상(Phase, 상태) 으로 존재할 수 있으며, 상 변화는 한 상태에서 다른 상태로의 변화를 의미 함.
• 흡열 과정 (Endothermic Processes):

• 융해 (Melting, 고체 → 액체)
• 기화 (Vaporization, 액체 → 기체)
• 승화 (Sublimation, 고체 → 기체)

   -. 이 과정에서는 열이 필요하므로, 융해열(Heat of Fusion), 기화열(Heat of Vaporization), 승화열(Heat of Sublimation) 은 양(+)의 값을 가짐.

• 발열 과정 (Exothermic Processes):

• 응고 (Freezing, 액체 → 고체)
• 응결 (Condensation, 기체 → 액체)
• 증착 (Deposition, 기체 → 고체)

• 임계 온도 (Critical Temperature) 이상에서는 압력을 가해도 기체가 액화되지 않음.
• 임계 압력 (Critical Pressure) 은 특정 임계 온도에서 기체를 액화하는 데 필요한 최소 압력.
• 임계 온도와 임계 압력을 초과하면 초임계 유체(Supercritical Fluid) 상태가 되어 액체와 기체를 구분할 수 없음.

 

SECTION 11.5 - 증기 압력(Vapor Pressure)과 끓는점

• 증기 압력은 액체가 증발하려는 경향을 나타내는 값으로, 액체와 증기가 동적 평형을 이루는 상태에서의 기체 압력.
• 증기 압력이 높을수록 액체가 쉽게 증발하며, 휘발성이 큼(volatile).
• 끓는점(Boiling Point) 은 증기 압력이 외부 압력과 같아질 때 발생 함.
• 정상 끓는점 (Normal Boiling Point) 은 증기 압력이 1 atm 에 도달하는 온도를 의미.

 

SECTION 11.6 - 상 평형과 상평형도 (Phase Diagram)

• 상평형도(Phase Diagram) : 특정 온도와 압력에서 물질의 상태(고체, 액체, 기체) 간의 평형 관계를 나타 냄.
• 녹는점에서의 평형선은 일반적으로 압력이 증가할수록 오른쪽으로 기울어짐.
• 삼중점 (Triple Point): 세 가지 상(고체, 액체, 기체)이 공존하는 유일한 조건.

여기까지 정리 한 것을 보면, 한번은 들어봤음직한 용어 들 아닌가? 그렇다. 결국, 과학이라는 학문은 새로운 것이 계속 발표되지만, 학교 있는 동안에는 반복적으로 학습할 수 밖에 없는 것들이 많다. 하지만, 이러한 반복적인 학습이 추후 대학원 및 사회 생활하면서 학문간 연계 뿐만아니라, 융합할 수 있는 지력을 키우는 것이라 생각한다. Chapter 11은 11.6까지 있는 것이 아니라, 11.7의 액정 부분이 있다. 이 부분을 별도로 해서 소개하려고한다. 10년전만해도 대부분의 디스플레이는 액정으로 되어 있었기 때문이다. 물론, 지금 거실에 놓여있는 텔레비젼은 아직까지 액정을 활용한 디스플레이가 많긴하다. 그만큼 삶에서 중요한 것이기 때문에 별도로 다루어 볼려고 한다.