11.8: 증기압

밀폐된 용기에서 액체가 기화하면 기체 분자가 빠져나올 수 없습니다. 이러한 기체상 분자는 무작위로 움직이기 때문에 때때로 응축상의 표면과 충돌하며 어떤 경우에는 이러한 충돌로 인해 분자가 응축상으로 다시 들어가게 됩니다. 기체상에서 액체로의 변화를 응축이라고 합니다. 응축률과 기화률이 같아지면 용기 안의 액체량이나 증기량은 변하지 않습니다. 그러면 용기 안의 증기가 액체와 평형을 이룬다고 합니다. 응축된 상태와 기체 상태 사이에서 분자가 지속적으로 교환되므로 이는 정적 상황이 아니라는 점을 명심하세요. 이는 상호 프로세스(예: 기화 및 응축)가 동일한 속도로 발생하는 시스템 상태인 동적 평형의 예입니다.

주어진 온도에서 닫힌 용기에 있는 액체와 평형을 이루고 있는 증기에 의해 가해지는 압력을 액체의 증기압(또는 평형 증기압)이라고 합니다. 증기와 접촉하는 액체 표면의 면적과 용기의 크기는 증기압에 영향을 미치지 않지만 평형에 도달하는 데 필요한 시간에는 영향을 미칩니다. 액체에 있는 분자의 화학적 특성에 따라 가능한 분자간 인력의 유형(및 강도)이 결정됩니다. 결과적으로, 서로 다른 물질은 서로 다른 평형 증기압을 나타냅니다. 상대적으로 강한 분자간 인력은 기화를 방해할 뿐만 아니라 액체 표면과 충돌할 때 기상 분자의 "재포착"을 촉진하여 상대적으로 낮은 증기압을 초래합니다. 약한 분자간 인력은 증발에 대한 장벽이 적고 가스 재포집 가능성이 감소하여 상대적으로 높은 증기압을 생성합니다.

네 가지 화합물, 즉 에탄올(CH_3CH_2OH), 에틸렌 글리콜(C_2H_6O_2), 디에틸 에테르(C_4H_10O) 및 물(H_2O)을 생각해 보세요.

디에틸 에테르는 매우 작은 쌍극자를 가지며, 분자간 인력의 대부분은 런던 분산력입니다. 이 분자는 고려 중인 4가지 분자 중 가장 크지만 IMF는 가장 약하므로 결과적으로 분자가 액체에서 가장 쉽게 빠져나갑니다. 또한 증기압도 가장 높습니다. 에탄올은 크기가 작기 때문에 디에틸 에테르보다 분산력이 약합니다. 그러나 에탄올은 수소 결합이 가능하므로 전반적인 IMF가 더 강합니다. 이는 주어진 온도에서 액체에서 더 적은 분자가 빠져나가므로 에탄올이 디에틸 에테르보다 증기압이 낮다는 것을 의미합니다. 물은 이전 물질보다 훨씬 작고 분산력도 약하지만, 물의 광범위한 수소 결합은 더 강한 분자간 인력을 제공하고, 액체에서 빠져나가는 분자 수가 적으며, 디에틸 에테르나 에탄올보다 더 낮은 증기압을 제공합니다. 에틸렌 글리콜은 두 개의 -OH 그룹을 가지고 있어 물과 마찬가지로 광범위한 수소 결합을 나타냅니다. 그것은 물보다 훨씬 크기 때문에 더 큰 런던 힘을 경험합니다. 전체 IMF는 이 네 가지 물질 중 가장 크며, 이는 증발 속도가 가장 느리고 결과적으로 증기압이 가장 낮다는 것을 의미합니다.

온도가 증가함에 따라 액체 분자의 평균 KE가 증가하여 액체의 증기압도 증가합니다. 주어진 온도에서 물질의 분자는 다양한 운동 에너지를 경험하며, 분자의 특정 부분은 IMF를 극복하고 액체를 탈출(기화)하기에 충분한 에너지를 가지고 있음을 기억하세요. 온도가 높을수록 더 많은 양의 분자가 액체에서 빠져나올 만큼 충분한 에너지를 갖게 됩니다. 단위 시간당 더 많은 분자가 탈출하고 탈출하는 분자의 평균 속도가 더 높을수록 증기압이 높아집니다.

증기압이 외부 대기압과 같아질 만큼 증가하면 액체는 끓는점에 도달합니다. 액체의 끓는점은 평형 증기압이 주변 기체에 의해 액체에 가해지는 압력과 같아지는 온도입니다. 개방된 용기에 담긴 액체의 경우 이 압력은 지구 대기로 인한 것입니다. 액체의 정상 끓는점은 주변 압력이 1atm(101.3kPa)일 때의 끓는점으로 정의됩니다. 1atm보다 큰 압력에서 액체의 끓는점은 정상적인 끓는점보다 높습니다.

이 문서는 에서 발췌되었습니다  Openstax, Chemistry 2e, Section 10.3: Phase Transitions.

증기 액체 평형을 이룬 닫힌계에서 응축과 기화는 동일한 비율로 발생하며 두 상의 질량에는 아무런 변화도 없습니다. 액체와 동적인 평형 상태에 있는 기체에 의한 부분적인 압력을 증기 압력이라고 합니다. 증기 상에 더 많은 분자가 있을수록 증기 압력은 더 높아질 것입니다.

따라서 증기 압력은 액체 분자가 주어진 온도에서 증기 상으로 넘어가는 경향을 반영합니다. 그것은 분자간 힘에 의해 지배되는 측정 가능한 양입니다. 휘발성은 동일한 조건에서 유지되는 액체의 증기 압력을 바탕으로 이러한 경향을 정성적으로 설명합니다.

예를 들어 헥산과 동일한 온도로 유지되는 물을 비교해봅시다. 헥산은 약한 분산력을 보이고 물은 강한 수소 결합을 보이기 때문에 헥산은 물보다 더 쉽게 증발합니다 평형상태에 있는 닫힌계에서 헥산의 증기 압력은 물보다 높습니다. 헥산은 휘발성이지만 물은 비휘발성이기 때문이죠.

액체 상태에서 열에너지 분포는 온도의 함수입니다 액체를 가열하면 온도가 상승하여 분자의 열에너지가 더 높아지며 이는 더 높은 기화율과 더 높은 증기압으로 이어집니다. 증기압이 외부의 압력과 같을 때 액체는 끓기 시작하고 이 현상이 일어나는 온도를 액체의 끓는점이라고 합니다. 정상적인 액체의 끓는점은 액체의 증기압이 1 기압과 같은 때의 온도입니다.

하지만 외부 압력이 서로 다를 때 액체는 정상적인 끓는점과 다른 온도에서 끓을 것입니다. 예를 들어 대기압이 1 기압인 표준 해수면에서는 물은 섭씨 100도에서 끓습니다. 대기압이 1 기압 미만인 고고도에서 증기 상은 더 적은 분자를 가지고도 낮은 외부 압력과 같게 할 수 있습니다.

이를 통해 물이 더 낮은 온도에서 끓게 되는 이유를 설명할 수 있습니다. 압력솥에서는 외부 압력이 높을수록 더 많은 증기 상태 분자가 필요하기 때문에 물은 더 높은 온도에서 끓게 됩니다.