용해열

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1. 개요
2. 용해 과정의 단계
3. 용해 엔탈피 (ΔH)
- 3.1. 엔탈피 계산
- 3.2. 미분 및 적분 형태
4. 용액의 성질에 따른 변화
5. 다양한 화합물의 용해 엔탈피 (25°C, 물)
- 5.1. 발열 반응 (ΔH < 0)
- 5.2. 흡열 반응 (ΔH > 0)
6. 기체의 용해
참조

1. 개요

용해열은 용매에 용질이 용해되는 과정에서 발생하는 열의 변화를 의미한다. 용해는 용질-용질, 용매-용매 간의 인력 파괴와 용매-용질 간의 인력 형성의 세 단계를 거치며, 흡열 반응과 발열 반응이 모두 가능하다. 용해 엔탈피(ΔH)는 용해 과정의 엔탈피 변화를 나타내며, 용질-용매의 양비에 따라 미분 또는 적분 형태로 표현된다. 용액의 성질에 따라 용해 엔탈피가 달라지며, 이상 용액의 혼합 엔탈피는 0이다. 기체의 용해는 일반적으로 발열 반응이며, 온도가 낮을수록 용해도가 증가한다.

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용해열

2. 용해 과정의 단계

용해는 다음 세 가지 단계로 일어나는 것으로 볼 수 있다.

# 용질-용질 간의 인력 파괴 (흡열반응)

# 용매-용매 간의 인력 파괴 (흡열반응)

# 용매-용질 간의 인력 형성 (발열반응)

용매화 엔탈피 값은 이러한 개별 단계의 합이다.

질산 암모늄을 물에 용해시키는 것은 흡열 과정이다. 암모늄 이온과 질산 이온의 용매화로 방출되는 에너지는 질산 암모늄 이온 격자를 파괴하고 물 분자 간의 인력을 끊는 데 흡수되는 에너지보다 적다.^[1]

2. 1. 용질-용질 간 인력 파괴

이 단계는 흡열반응으로, 용질 입자 간의 결합을 끊는 데 에너지가 필요하다. 예를 들어, 고체 염의 경우 격자 에너지를 극복해야 한다.^[1]

2. 2. 용매-용매 간 인력 파괴

이 단계 역시 흡열반응이며, 용매 분자 간의 결합(예: 수소 결합)을 끊는 데 에너지가 소모된다.

2. 3. 용매-용질 간 인력 형성

용매화는 발열 반응으로, 용매화 과정을 통해 용매와 용질 사이에 새로운 인력이 형성되면서 에너지가 방출된다.^[1] 수산화 칼륨을 물에 용해시키는 것은 발열 반응인데, 이는 용질과 용매를 분해하는 데 사용되는 에너지보다 용매화 과정에서 더 많은 에너지가 방출되기 때문이다.^[1]

3. 용해 엔탈피 (ΔH)

용해 엔탈피(ΔH)는 용해 과정에서 발생하는 총 에너지 변화이다.

3. 1. 엔탈피 계산

용해는 다음 세 단계로 일어나는 것으로 볼 수 있다.

# 용질-용질 간의 인력 파괴(흡열반응). 예를 들어 염에서 격자 에너지에 해당한다.

# 용매-용매 간의 인력 파괴(흡열반응). 예를 들어 수소 결합이 이에 해당한다.

# 용매-용질 간의 인력 형성(발열반응). 용매화가 이에 해당한다.

용매화 엔탈피 값은 이러한 개별 단계의 합이다.

:ΔH_solv = ΔH_diss + U_latt

질산 암모늄을 물에 용해시키는 것은 흡열 과정이다. 암모늄 이온과 질산 이온의 용매화에 의해 방출되는 에너지는 질산 암모늄 이온 격자를 파괴하고 물 분자 간의 인력을 끊는 데 흡수되는 에너지보다 적다. 수산화 칼륨을 용해시키는 것은 발열 반응인데, 이는 용질과 용매를 분해하는 데 사용되는 에너지보다 용매화 과정에서 더 많은 에너지가 방출되기 때문이다.

3. 2. 미분 및 적분 형태

용해 엔탈피 변화는 용질-용매의 양비에 따라 미분 또는 적분 형태로 나타낼 수 있다.

'''몰 미분 용해 엔탈피 변화'''는 다음과 같다.

:

\Delta_\text{diss}^{d} H= \left(\frac{\partial \Delta_\text{diss} H}{\partial \Delta n_i}\right)_{T,p,n_B}

여기서

\partial \Delta n_i

는 용해 과정에서 용질의 몰수의 무한소 변화 또는 미분이다.

적분 용해열은 최종 농도를 갖는 특정 양의 용액을 얻는 과정으로 정의된다. 이 과정에서 엔탈피 변화를 용질의 몰수로 정규화한 것을 '''몰 적분 용해열'''이라고 한다. 수학적으로 몰 적분 용해열은 다음과 같이 나타낸다.

:

\Delta_\text{diss}^{i} H = \frac{\Delta_\text{diss} H}{n_B}

프라임 용해열은 무한히 희석된 용액을 얻기 위한 미분 용해열이다.

4. 용액의 성질에 따른 변화

이상 용액의 혼합 엔탈피는 정의상 0이지만, 비전해질 용액의 용해 엔탈피는 융해 엔탈피 또는 기화 엔탈피 값을 갖는다. 전해질의 비이상 용액의 경우, 용질의 활성도 계수 및 상대 유전율의 온도 미분과 관련이 있다.^[1]

25°C에서 물에서의 엔탈피 변화는 다음과 같다.^[2]

일부 화합물의 용해 엔탈피 변화
화합물	용해 엔탈피 변화 (kJ/mol)
염산	-74.84
질산 암모늄	+25.69
암모니아	-30.50
수산화 칼륨	-57.61
수산화 세슘	-71.55
염화 나트륨	+3.87
염소산 칼륨	+41.38
아세트산	-1.51
수산화 나트륨	-44.50

4. 1. 이상 용액

이상 용액의 혼합 엔탈피는 정의상 0이지만, 비전해질의 용해 엔탈피는 융해 엔탈피 또는 기화 엔탈피의 값을 갖는다. 전해질의 비이상 용액의 경우, 이는 용질의 활성도 계수와 다음 공식에 의해 상대 유전율의 온도 미분과 관련이 있다.^[1]

:

H_{dil} = \sum_i \nu_i RT \ln \gamma_i \left( 1 + \frac{T}{\epsilon}\frac{\partial \epsilon}{\partial T} \right)

4. 2. 비전해질 용액

이상 용액의 혼합 엔탈피는 정의상 0이지만, 비전해질 용액의 용해 엔탈피는 융해 엔탈피 또는 기화 엔탈피 값을 갖는다.^[1]

4. 3. 전해질 용액

이상 용액의 혼합 엔탈피는 정의상 0이지만, 비전해질의 용해 엔탈피는 융해 엔탈피 또는 기화 엔탈피의 값을 갖는다. 전해질의 비이상 용액의 경우, 이는 용질의 활성도 계수와 다음 공식에 의해 상대 유전율의 온도 미분과 관련이 있다:^[1]

:

25°C에서 물에서의 엔탈피 변화 Δ''H''^o (단위: kJ/mol)는 다음과 같다.^[2]

일부 화합물의 용해 엔탈피 변화
화합물	용해 엔탈피 변화 (kJ/mol)
염산	-74.84
질산 암모늄	+25.69
암모니아	-30.50
수산화 칼륨	-57.61
수산화 세슘	-71.55
염화 나트륨	+3.87
염소산 칼륨	+41.38
아세트산	-1.51
수산화 나트륨	-44.50

5. 다양한 화합물의 용해 엔탈피 (25°C, 물)

다음은 몇 가지 일반적인 화합물의 25°C 물에서의 용해 엔탈피 값 (kJ/mol)이다.^[2]

25°C에서 물에서의 엔탈피 변화 Δ''H''^o (kJ/mol)
화합물	용해 엔탈피 변화
염산	-74.84
질산 암모늄	+25.69
암모니아	-30.50
수산화 칼륨	-57.61
수산화 세슘	-71.55
염화 나트륨	+3.87
염소산 칼륨	+41.38
아세트산	-1.51
수산화 나트륨	-44.50

5. 1. 발열 반응 (ΔH < 0)

25°C에서 물에서의 엔탈피 변화 Δ''H''^o (kJ/mol)^[2]
화합물	용해 엔탈피 변화
염산	-74.84
암모니아	-30.50
수산화 칼륨	-57.61
수산화 세슘	-71.55
아세트산	-1.51
수산화 나트륨	-44.50

5. 2. 흡열 반응 (ΔH > 0)

질산 암모늄, 염화 나트륨, 염소산 칼륨은 물에 용해될 때 열을 흡수하는 흡열 반응을 보인다. 각 화합물의 용해 엔탈피 변화는 다음과 같다.^[2]

25°C에서 물에서의 용해 엔탈피 변화 (단위: kJ/mol)^[2]
화합물	용해 엔탈피 변화
질산 암모늄	+25.69
염화 나트륨	+3.87
염소산 칼륨	+41.38

각 화합물의 용해 엔탈피 변화 값은 질산 암모늄이 +25.69kJ/mol, 염화 나트륨이 +3.87kJ/mol, 염소산 칼륨이 +41.38kJ/mol이다.

6. 기체의 용해

대부분의 기체 용해는 발열 반응이다. 즉, 기체가 액체 용매에 용해될 때 열에너지 형태로 에너지가 방출되어 계(용액)와 주변 환경을 따뜻하게 한다.

용액의 온도는 결국 주변 환경의 온도와 같아진다. 기체가 별도의 상으로 존재할 때와 용액 내에 용해될 때 사이의 평형은 르 샤틀리에의 원리에 의해 온도가 감소함에 따라 기체가 용액으로 용해되는 쪽으로 이동하게 된다(온도가 감소하면 기체의 용해도가 증가한다).

기체의 포화 용액을 가열하면 용액에서 기체가 빠져나온다.

참조

_[1] 서적 Elektrolytlösungen Akademische Verlagsgesellschaft m. b. H. 1941
_[2] 웹사이트 CRC Handbook of Chemistry and Physics http://crcpress.com/[...] 2012-09-02

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