표준상태
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1. 개요
표준 상태는 열역학적 계산을 위한 기준점으로 사용되는 물질의 가상 상태를 의미한다. 기체의 경우 이상 기체 방정식을 따르는 순수한 물질 상태로 정의되며, IUPAC는 1 bar의 표준 압력을 권장한다. 액체 및 고체의 표준 상태는 1 bar의 압력을 받는 순수한 물질 상태이며, 용질의 표준 상태는 무한 희석 거동을 보이는 가상 상태로 정의된다. 생화학 및 전기화학 등 특정 분야에서는 다른 정의가 사용될 수 있다. 표준 상태를 나타내는 기호로는 플림솔 기호(⦵), 도수 기호(°), 위첨자 0(0) 등이 사용된다.
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| 표준상태 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 정의 | 물질의 성질을 나타내는 데 사용되는 기준점 (°) |
| 설명 | 다양한 조건에서 물질의 특성을 계산하는 데 사용되는 기준점 |
| 표준 상태 조건 | |
| 온도 | 298.15 K (25 °C, 77 °F) |
| 압력 | (100 kPa, 1 bar) |
| 참고 | |
| 관련 항목 | 표준 온도 압력 표준 해면 조건 |
| 외부 링크 | |
| 참고 자료 | Engineering ToolBox - 표준 상태, 엔탈피 형성, 깁스 자유 에너지 형성, 엔트로피 및 열용량 (2017) thoughtco.com - 표준 상태 조건이란 무엇입니까? - 표준 온도 및 압력 (2019년 3월 8일) IUPAC Gold Book - 표준 상태 IUPAC Gold Book - 기체의 표준 조건 IUPAC Gold Book - 표준 용액 thoughtco.com - 표준 조건 대 표준 상태 (2019년 7월 6일) |
2. 일반적인 표준 상태
대부분의 표준 상태는 비물리적인 상태이며, 종종 "가상 상태"라고 불린다. 그럼에도 불구하고, 이들의 열역학적 성질은 잘 정의되어 있으며, 일반적으로 어떤 제한 조건, 예를 들어 0 기압 또는 0 농도에서 이상 용액이나 이상 기체의 거동과 같은 이상 외삽 함수를 사용하여 지정된 조건(일반적으로 단위 농도 또는 압력)으로 외삽하거나, 또는 경험적 측정을 통해 정의된다. 엄밀히 말하면, 온도는 표준 상태의 정의에 포함되지 않는다. 그러나 대부분의 열역학적 양 표는 특정 온도, 가장 일반적으로 상온(298.15K) 또는, 다소 덜 일반적으로 물의 어는점(273.15K)에서 작성된다.[6]
기체기체의 표준 상태는 표준 압력에서 이상 기체 방정식을 따르는 순수한 물질로서의 가상 상태이다.[7][8] 어떤 실제 기체도 완벽하게 이상적인 거동을 보이지 않지만, 표준 상태의 이러한 정의를 통해 모든 서로 다른 기체에 대해 비이상성에 대한 보정을 일관되게 수행할 수 있다.
IUPAC는 105 Pa 또는 1 bar와 같은 표준 압력 ''p''⦵ 또는 P°를 사용할 것을 권장한다.[7][8]
액체 및 고체액체 및 고체의 표준 상태는 순수한 물질이 1 bar(105 Pa)의 총 압력을 받는 상태를 의미한다.[9] 대부분의 원소의 경우 Δf''H''⦵ = 0의 기준점은 가장 안정적인 원소의 동소체에 대해 정의된다. 예를 들어 탄소의 경우 흑연, 주석의 경우 β-상(백색 주석)이 이에 해당한다. 예외적으로는 인의 가장 흔한 동소체인 흰색 인이 있는데, 이는 준안정 상태임에도 불구하고 표준 상태로 정의된다.[9] 이는 열역학적으로 안정적인 흑색 동소체를 순수하게 제조하기 어렵기 때문이다.[10]
용질용액 내 물질(용질)의 표준 상태 C°는 일반적으로 표준 상태 몰랄 농도 또는 양 농도에서 무한 희석 거동(용질-용질 상호 작용은 없지만 용질-용매 상호 작용은 존재하는 상태)을 보이는 가상 상태로 선택된다.[8] 이러한 특이한 정의를 사용하는 이유는 무한 희석의 극한에서의 용질의 거동이 이상 기체의 방정식과 매우 유사한 방정식으로 설명되기 때문이다. 따라서 무한 희석 거동을 표준 상태로 간주하면 모든 용질에 대해 비이상성에 대한 보정을 일관되게 수행할 수 있다. 표준 상태 몰랄 농도는 1 mol/kg인 반면, 표준 상태 몰 농도는 1 mol/dm3이다.
다른 선택도 가능하다. 예를 들어, 실제 수용액에서 수소 이온의 표준 상태 농도를 10−7 mol/L로 사용하는 것은 생화학 분야에서 흔히 사용된다.[11][12] 전기화학과 같은 다른 응용 분야에서는 표준 상태를 표준 농도(종종 1 mol/dm3)에서의 실제 용액 상태로 선택하는 경우도 있다.[13] 활성도 계수는 규약에 따라 달라지므로, 용액을 설명하기 위해 표준 열역학적 특성 표를 사용하기 전에 어떤 규약이 사용되었는지 알고 이해하는 것이 매우 중요하다.
생화학 및 특수 분야용액 내 물질(용질)의 표준 상태 C°는 일반적으로 표준 상태 몰랄 농도 또는 양 농도에서 무한 희석 거동(용질-용질 상호 작용은 없지만 용질-용매 상호 작용은 존재하는 상태)을 보이는 가상 상태로 선택된다.[8] 이러한 특이한 정의를 사용하는 이유는 무한 희석의 극한에서의 용질의 거동이 이상 기체의 방정식과 매우 유사한 방정식으로 설명되기 때문이다. 따라서 무한 희석 거동을 표준 상태로 간주하면 모든 용질에 대해 비이상성에 대한 보정을 일관되게 수행할 수 있다. 표준 상태 몰랄 농도는 1 mol/kg인 반면, 표준 상태 몰 농도는 1 mol/dm3이다.
다른 선택도 가능하다. 예를 들어, 실제 수용액에서 수소 이온의 표준 상태 농도를 10−7 mol/L로 사용하는 것은 생화학 분야에서 흔히 사용된다.[11][12] 전기화학과 같은 다른 응용 분야에서는 표준 상태를 표준 농도(종종 1 mol/dm3)에서의 실제 용액 상태로 선택하는 경우도 있다.[13] 활성도 계수는 규약에 따라 달라지므로, 용액을 설명하기 위해 표준 열역학적 특성 표를 사용하기 전에 어떤 규약이 사용되었는지 알고 이해하는 것이 매우 중요하다.
2. 1. 기체
기체의 표준 상태는 표준 압력에서 이상 기체 방정식을 따르는 순수한 물질로서의 가상 상태이다.[7][8] 어떤 실제 기체도 완벽하게 이상적인 거동을 보이지 않지만, 표준 상태의 이러한 정의를 통해 모든 서로 다른 기체에 대해 비이상성에 대한 보정을 일관되게 수행할 수 있다.IUPAC는 105 Pa 또는 1 bar와 같은 표준 압력 ''p''⦵ 또는 P°를 사용할 것을 권장한다.[7][8]
2. 2. 액체 및 고체
액체 및 고체의 표준 상태는 순수한 물질이 1 bar(105 Pa)의 총 압력을 받는 상태를 의미한다.[9] 대부분의 원소의 경우 Δf''H''⦵ = 0의 기준점은 가장 안정적인 원소의 동소체에 대해 정의된다. 예를 들어 탄소의 경우 흑연, 주석의 경우 β-상(백색 주석)이 이에 해당한다. 예외적으로는 인의 가장 흔한 동소체인 흰색 인이 있는데, 이는 준안정 상태임에도 불구하고 표준 상태로 정의된다.[9] 이는 열역학적으로 안정적인 흑색 동소체를 순수하게 제조하기 어렵기 때문이다.[10]2. 3. 용질
용액 내 물질(용질)의 표준 상태 C°는 일반적으로 표준 상태 몰랄 농도 또는 양 농도에서 무한 희석 거동(용질-용질 상호 작용은 없지만 용질-용매 상호 작용은 존재하는 상태)을 보이는 가상 상태로 선택된다.[8] 이러한 특이한 정의를 사용하는 이유는 무한 희석의 극한에서의 용질의 거동이 이상 기체의 방정식과 매우 유사한 방정식으로 설명되기 때문이다. 따라서 무한 희석 거동을 표준 상태로 간주하면 모든 용질에 대해 비이상성에 대한 보정을 일관되게 수행할 수 있다. 표준 상태 몰랄 농도는 1 mol/kg인 반면, 표준 상태 몰 농도는 1 mol/dm3이다.다른 선택도 가능하다. 예를 들어, 실제 수용액에서 수소 이온의 표준 상태 농도를 10−7 mol/L로 사용하는 것은 생화학 분야에서 흔히 사용된다.[11][12] 전기화학과 같은 다른 응용 분야에서는 표준 상태를 표준 농도(종종 1 mol/dm3)에서의 실제 용액 상태로 선택하는 경우도 있다.[13] 활성도 계수는 규약에 따라 달라지므로, 용액을 설명하기 위해 표준 열역학적 특성 표를 사용하기 전에 어떤 규약이 사용되었는지 알고 이해하는 것이 매우 중요하다.
2. 3. 1. 생화학 및 특수 분야
용액 내 물질(용질)의 표준 상태 는 일반적으로 표준 상태 몰랄 농도 또는 양 농도에서 무한 희석 거동(용질-용질 상호 작용은 없지만 용질-용매 상호 작용은 존재하는 상태)을 보이는 가상 상태로 선택된다.[8] 이러한 특이한 정의를 사용하는 이유는 무한 희석의 극한에서의 용질의 거동이 이상 기체의 방정식과 매우 유사한 방정식으로 설명되기 때문이다. 따라서 무한 희석 거동을 표준 상태로 간주하면 모든 용질에 대해 비이상성에 대한 보정을 일관되게 수행할 수 있다. 표준 상태 몰랄 농도는 1 mol/kg인 반면, 표준 상태 몰 농도는 1 mol/dm3이다.다른 선택도 가능하다. 예를 들어, 실제 수용액에서 수소 이온의 표준 상태 농도를 10−7 mol/L로 사용하는 것은 생화학 분야에서 흔히 사용된다.[11][12] 전기화학과 같은 다른 응용 분야에서는 표준 상태를 표준 농도(종종 1 mol/dm3)에서의 실제 용액 상태로 선택하는 경우도 있다.[13] 활성도 계수는 규약에 따라 달라지므로, 용액을 설명하기 위해 표준 열역학적 특성 표를 사용하기 전에 어떤 규약이 사용되었는지 알고 이해하는 것이 매우 중요하다.
3. 흡착물의 표준 상태
표면에 흡착된 분자의 경우 가상 표준 상태를 기반으로 다양한 규칙이 제안되어 왔다. 특정 부위에서 발생하는 흡착(랑뮈어 흡착 등온선)의 경우, 가장 일반적인 표준 상태는 상대적인 피복률 ''θ''° = 0.5인데, 이 선택은 배치 엔트로피 항을 상쇄시키고 표준 상태를 포함시키지 않는 것과 일치하기 때문이다(이는 흔한 오류이다).[14]
''θ''° = 0.5를 사용하는 이점은 배치 항이 상쇄되어 열역학적 분석에서 추출한 엔트로피가 기체 또는 액체와 같은 벌크 상과 흡착된 상태 사이의 분자 내 변화를 반영한다는 것이다. 상대적 피복률 기반 표준 상태와 추가 열의 절대 피복률 기반 표준 상태를 모두 기반으로 값을 표로 정리하는 것이 좋을 수 있다. 2차원 기체 상태의 경우 이산 상태의 복잡성이 발생하지 않으며 3차원 기체 상과 유사한 절대 밀도 기반 표준 상태가 제안되었다.[14]
4. 표준 상태 표기법
표준 상태를 나타내기 위해 19세기에 개발 당시, 위첨자 플림솔 기호(⦵)가 채택되었다.[15] IUPAC는 ''물리 화학의 양, 단위 및 기호'' 제3판에서 플림솔 기호를 대체하는 기호로 도수 기호(°)를 권장한다. 같은 출판물에서 플림솔 기호는 가로선과 도수 기호를 결합하여 구성된 것으로 보인다.[16] 문헌에서는 이와 유사한 다양한 기호가 사용된다. 가로선이 그어진 소문자 O (o),[17] 위첨자 0 (0)[18] 또는 가로선이 원의 경계를 넘어 확장되거나 원 안에 포함되어 원을 반으로 나누는 원 안의 가로선이 있는 원 과 같은 기호가 있다.[19][20] 1800년대 텍스트에서 사용된 플림솔 기호와 비교했을 때, U+29B5 글리프는 너무 크고 가로선이 원의 경계를 충분히 벗어나지 않는다. 이 기호는 그리스 문자 세타(Θ 또는 θ)와 쉽게 혼동될 수 있다. 2024년 현재, 유니코드에 Medium small white circle with horizontal bar 문자가 제안되었다.[21] 이 기호는 표준 상태를 나타낼 때 위첨자 형태로 사용하도록 고안된 정규 크기의 유니코드 기호로, 이 목적으로 U+29B5를 대체할 수 있다.[22][23]
''물리 화학의 양, 단위 및 기호'' 개정 작업에 참여했던 이안 M. 밀스(Ian M. Mills)는 위첨자 0 ()이 "표준 상태"를 나타내는 동등한 대안이라고 제안했지만, 동일한 문서에서는 도수 기호 (°)가 사용되었다.[20] 도수 기호는 최근 몇 년 동안 일반, 무기 및 물리 화학 교과서에서 널리 사용되고 있다.[24][25][26] 소리 내어 읽을 때, 이 기호는 "노트(naught)"라고 발음한다.
참조
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