끓는점 오름
"오늘의AI위키"의 AI를 통해 더욱 풍부하고 폭넓은 지식 경험을 누리세요.
1. 개요
끓는점 오름은 용매에 비휘발성 용질이 녹아 끓는점이 순수한 용매보다 높아지는 현상이다. 이는 용질 입자 수에 의존하는 총괄성이며, 열역학적으로 엔트로피 증가와 증기 압력 감소 또는 화학 퍼텐셜 감소로 설명된다. 묽은 용액에서 끓는점 오름은 몰랄 농도에 비례하며, 끓는점 오름 상수를 이용하여 계산할 수 있다. 끓는점 오름은 어는점 내림과 유사한 현상이며, 낮은 농도와 높은 농도, 휘발성 용질의 경우 계산 방식이 다르다.
더 읽어볼만한 페이지
- 물질량 - 기체 상수
기체 상수는 이상 기체 법칙의 비례 상수로, 기체 1몰의 온도를 1K 높이는 데 필요한 에너지로 해석되며, 볼츠만 상수나 특별 기체 상수로 표현될 수 있고, 2019년 SI 단위계 개정 이후 정확한 값을 가진다. - 물질량 - 아보가드로 수
- 화학적 성질 - 에너지 준위
에너지 준위는 양자 역학적 계에서 입자가 가질 수 있는 특정 에너지 값으로, 원자 내 전자의 양자화된 에너지 상태를 나타내며 분자에서는 전자, 진동, 회전 에너지 준위가 존재하고, 에너지 준위 간 전이는 광자의 흡수 또는 방출을 수반한다. - 화학적 성질 - 양쪽성
양쪽성은 산과 염기 모두로 작용할 수 있는 성질을 나타내며, 브뢴스테드-로우리 이론에 따라 양성자를 주고받을 수 있는 물, 아미노산 등이 대표적이며, 용액의 pH에 따라 산 또는 염기로 작용하는 산화아연 등도 존재한다. - 물리화학 - 활성화 에너지
활성화 에너지는 화학 반응이 일어나기 위해 반응물이 넘어야 하는 최소 에너지 장벽으로, 반응 속도에 직접적인 영향을 미치며 촉매에 의해 조절될 수 있고, 아레니우스 식으로 표현되며, 다양한 화학 현상 이해에 필수적인 개념이다. - 물리화학 - 전해질
전해질은 용액에서 이온으로 해리되어 전기 전도성을 갖는 물질로, 생체 내에서 세포막 전위 유지 및 신경-근육 기능 조절에 필수적이며, 농도와 해리 정도에 따라 강전해질과 약전해질로 나뉜다.
| 끓는점 오름 | |
|---|---|
| 일반 정보 | |
| 명칭 | 끓는점 오름 |
| 다른 이름 | 비등점 상승 |
| 정의 | 액체의 끓는점이 용액의 농도에 따라 상승하는 현상 |
| 원인 | 용질의 존재로 인한 용매의 증기압 감소 |
| 상세 내용 | |
| 설명 | 용액의 끓는점은 순수한 용매의 끓는점보다 높음 |
| 적용 | 어는점 내림과 함께 용액의 총괄성 성질 중 하나 |
| 총괄성 | 용액의 끓는점 오름은 용질의 종류와는 무관하며, 오직 용질의 몰랄 농도에만 비례함 |
| 라울의 법칙 | 묽은 용액에서 증기압 내림은 용질의 몰분율에 비례하며, 끓는점 오름 또한 몰랄 농도에 비례함 |
| 끓는점 오름 상수 (Kb) | 용매의 종류에 따라 결정되는 상수 |
| 계산식 | ΔTb = Kb * m (ΔTb: 끓는점 오름, Kb: 끓는점 오름 상수, m: 용질의 몰랄 농도) |
| 활용 | 분자량 측정 용액의 농도 결정 |
| 같이 보기 | |
| 관련 항목 | 총괄성 어는점 내림 증기압 내림 라울의 법칙 |
2. 설명
끓는점 오름은 용매에 용질이 녹았을 때 발생하는 총괄성의 하나로, 용질의 종류와는 관계없이 용질 입자의 개수에만 영향을 받는다.[1] 이 현상은 전해질 여부와 관계없이 모든 용질 및 용액에서 관찰되며, 이상 용액에서도 나타난다.
열역학적으로 끓는점 오름은 엔트로피에 의한 현상이며, 용매의 증기압이나 화학 퍼텐셜 변화로 설명할 수 있다. 다만, 이러한 설명은 용질이 액체 상태로 존재한다는 가정하에 성립하며, 기체 상태의 용질에는 적용하기 어렵다.
증기압 측면에서 보면, 액체는 증기압이 주변 압력과 같아질 때 끓는다. 비휘발성 용질은 용매의 증기압을 낮추므로, 끓는점에 도달하기 위해서는 더 높은 온도가 필요하다.
화학 퍼텐셜 측면에서, 끓는점에서 액체와 기체는 같은 화학 퍼텐셜을 갖는다. 비휘발성 용질을 첨가하면 액체 상태 용매의 화학 퍼텐셜은 낮아지지만, 기체 상태는 영향을 받지 않아 평형이 더 높은 온도로 이동한다.
2. 1. 증기압
액체는 증기압이 주변 기압과 같아질 때 끓기 시작한다. 비휘발성 용질이 녹아 있는 용매는 용해로 인해 증기압이 낮아진다. 비휘발성 용질은 증기압이 0이므로, 용액의 증기압은 용매의 증기압보다 낮다.[6] 따라서 증기압과 주변 기압을 일치시키기 위해 더 높은 온도가 필요하며, 이로 인해 끓는점이 상승한다.
화학 퍼텐셜 측면에서, 끓는점에서는 액체와 기체 상태가 동일한 화학 퍼텐셜(또는 증기압)을 가지는데, 이는 두 상태가 에너지적으로 동일하다는 의미이다. 화학 퍼텐셜은 온도에 따라 변하며, 다른 온도에서는 액체나 기체 상태의 화학 퍼텐셜이 달라져 더 낮은 퍼텐셜을 가지는 상태로 되려는 경향을 보인다. 비휘발성 용질이 더해지면, 액체 상태인 용매의 화학 퍼텐셜은 용해 작용으로 낮아지는 반면, 기체 상태의 용매 화학 퍼텐셜은 변하지 않는다. 따라서 액체 상태와 기체 상태의 평형점이 다른 온도로 이동하게 되고, 끓는점 오름 현상이 발생한다.[6]
2. 2. 화학 퍼텐셜
화학 퍼텐셜 측면에서, 끓는점에서 액체와 기체 상은 동일한 화학 퍼텐셜(또는 증기압)을 갖는다. 이는 이 두 상태가 에너지적으로 동일하다는 의미이다.[6] 화학 퍼텐셜은 온도에 따라 변하며, 다른 온도에서는 액체나 기체 상태의 화학 퍼텐셜이 달라져 더 낮은 퍼텐셜을 가지는 상태로 되려는 경향을 보인다. 비휘발성 용질을 첨가하면 액체 상태에서 용매의 화학 퍼텐셜이 낮아지지만, 기체 상은 영향을 받지 않는다. 이는 상 사이의 평형을 더 높은 온도로 이동시켜 끓는점을 '''상승'''시킨다.
2. 3. 어는점 내림과의 관계
어는점 내림은 끓는점 오름과 유사하지만, 어는점 내림의 크기는 동일한 용매 및 용질 농도에서 더 크다. 이러한 현상은 용질이 존재할 때 용매의 액체 범위를 확장시킨다.
3. 낮은 농도에서의 계산식
비휘발성 용질의 끓는점 오름은 라울의 법칙과 클라우지우스-클라페롱 방정식을 통해 구할 수 있다. 묽은 이상 용액에서 끓는점 오름은 용액의 몰랄 농도에 정비례하며, 다음 식으로 나타낼 수 있다.[6]
: ''ΔT''b = ''K''b · ''b''B
여기서 끓는점 오름 ''ΔT''b은 ''T''b (용액) - ''T''b (용매)''로 정의된다.
- ''K''b''는 끓는점 오름 상수로, 용매에 따라 달라진다. 이 값은 ''K''b = ''RT''b2''M''/''ΔH''v''로 나타낼 수 있다. 여기서 ''R''은 기체 상수, ''T''b''는 순수한 용매의 끓는점(절대온도), ''M''은 용매 1몰의 질량, ''ΔH''v''는 용매 1몰을 기화시키는데 필요한 기화열이다.
- ''b''B''는 용액의 몰랄 농도로, 용질의 해리를 고려해야 한다. 반트 호프 계수 ''i''를 사용하여 ''b''B = ''b''용질 · ''i''로 나타낼 수 있는데, 여기서 ''i''는 용질 하나를 녹였을 때 용매 내부에서 생기는 입자(일반적으로 이온)의 평균 갯수를 의미한다.
몇 가지 예시는 다음과 같다.
| 물질 | 반트 호프 계수(i) | 설명 |
|---|---|---|
| 물에 녹은 설탕 | 1 | 설탕은 물에 녹아도 이온으로 해리되지 않는다. |
| 물에 녹은 염화 나트륨 | 1.9 (일반적으로 2) | NaCl은 물 속에서 Na+와 Cl−로 거의 완전히 해리된다. |
| 물에 녹은 염화 칼슘 | 2.3 (일반적으로 3) | CaCl2는 Ca2+와 2개의 Cl−로 거의 완전히 해리된다. |
정수가 아닌 ''i''값은 용액에서 이온쌍이 형성되어 용액 내의 유효 입자 개수가 줄어들기 때문이다.
따라서 반트호프 계수를 고려한 끓는점 오름 식은 다음과 같다.
: ''ΔT''b = ''K''b · ''b''solute · ''i''
농도가 높은 용액의 경우 용액을 이상용액으로 간주할 수 없기 때문에 위 식을 사용할 수 없다. 또한 휘발성이 있는 용질의 경우, 용액의 비휘발성이 유지되지 않으므로 위 식을 사용할 수 없다. 휘발성이 있는 용질이 첨가된 경우의 끓는점 오름은 상평형 그림으로만 결정할 수 있으며, 혼합물은 순수한 용매보다 더 낮은 끓는점을 가질 수도 있다. 가장 낮은 끓는점은 혼합물이 불변 끓음 혼합물 상태에 있을 때 관찰할 수 있다.[2][3]
4. 높은 농도와 휘발성 용질
위 공식은 용액의 비이상성으로 인해 '''높은 농도'''에서 정확도가 떨어진다. 용질이 휘발성인 경우, 공식을 유도하는 데 사용된 주요 가정 중 하나가 사실이 아니며, 유도된 방정식은 휘발성 용매 내 비휘발성 용질의 용액에 대한 것이다. 휘발성 용질의 경우, 이 방정식은 휘발성 화합물의 혼합물을 더 정확하게 나타낼 수 있으며, 끓는점에 대한 용질의 영향은 혼합물의 상 그림에서 결정해야 한다. 이러한 경우, 혼합물은 때때로 순수 성분 중 하나보다 더 낮은 끓는점을 가질 수 있으며, 최소 끓는점을 갖는 혼합물은 공비 혼합물의 한 유형이다.
5. 끓는점 오름 상수
일부 끓는점 오름 상수 ''K''b의 값은 다음과 같다.[7]
| 화합물 | 끓는점 (°C) | 끓는점 오름 상수 Kb (°C·kg/mol) |
|---|---|---|
| 아세트산 | 118.1 | 3.07 |
| 벤젠 | 80.1 | 2.53 |
| 이황화 탄소 | 46.2 | 2.37 |
| 사염화 탄소 | 76.8 | 4.95 |
| 나프탈렌 | 217.9 | 5.8 |
| 페놀 | 181.75 | 3.04 |
| 물 | 100 | 0.512 |
6. 용례
위의 식을 가지고 끓는점 오름을 통해 용질 1몰당 해리도를 구할 수 있다. 이러한 방법을 끓는점 상승법(Ebulioscopy영어, 그리스어로 "끓음 관찰"을 의미)이라고 한다. 과열현상 때문에 ''ΔT''b를 정확히 측정하기는 어렵지만[6] 베크만 온도계의 발명으로 인해 이를 일부 극복할 수 있게 되었다. 첨언하자면, 어는점 내림을 결정하는 어는점 내림 상수는 끓는점 오름 상수보다 더 큰 값을 가지기 때문에 측정이 더 쉽다.
끓는점 오름과 관계된 도시전설들이 있는데, 파스타를 요리할 때 물이 끓기 시작한 후에 소금을 넣어야 한다는 이야기가 대표적이다. 소금의 농도를 물 1리터에 10g으로 생각했을 때 물의 온도가 0.17°C밖에 오르지 않으므로 소금물이 높은 온도에서 끓기 때문에 조리가 빠르게 될 것이라는 생각은 오해다.
참조
[1]
간행물
Colligative Properties
https://link.springe[...]
Springer Nature Switzerland
2023
[2]
서적
Physical Chemistry
Oxford University Press
1994
[3]
웹사이트
Colligative Properties and Molality - UBC Wiki
https://wiki.ubc.ca/[...]
[4]
서적
Physical Chemistry
[5]
서적
キーノート化学シリーズ 物理化学キーノート
シュプリンガー・フェアラーク東京
[6]
서적
Physical Chemistry
Oxford University Press
1994
[7]
서적
Physical Chemistry
본 사이트는 AI가 위키백과와 뉴스 기사,정부 간행물,학술 논문등을 바탕으로 정보를 가공하여 제공하는 백과사전형 서비스입니다.
모든 문서는 AI에 의해 자동 생성되며, CC BY-SA 4.0 라이선스에 따라 이용할 수 있습니다.
하지만, 위키백과나 뉴스 기사 자체에 오류, 부정확한 정보, 또는 가짜 뉴스가 포함될 수 있으며, AI는 이러한 내용을 완벽하게 걸러내지 못할 수 있습니다.
따라서 제공되는 정보에 일부 오류나 편향이 있을 수 있으므로, 중요한 정보는 반드시 다른 출처를 통해 교차 검증하시기 바랍니다.
문의하기 : help@durumis.com