12.8: 증기압 저하

액체의 평형 증기압은 기화와 응축이 동일한 속도로 발생할 때 기체상에 의해 가해지는 압력입니다.

휘발성 액체에 비휘발성 물질을 용해시키면 액체의 증기압이 낮아집니다. 이 현상은 추가된 용질 분자가 액체의 기화 및 응축 과정에 미치는 영향을 고려하여 설명할 수 있습니다. 증발하려면 용액 표면에 용매 분자가 존재해야 합니다. 용질의 존재는 용매 분자가 사용할 수 있는 표면적을 감소시켜 용매 증발 속도를 감소시킵니다. 응축 속도는 용질의 존재에 영향을 받지 않기 때문에 최종 결과는 증기상에서 더 적은 수의 용매 분자(즉, 더 낮은 증기압에서)로 증발-응축 평형이 달성된다는 것입니다.

이 해석은 유용하지만 증기압 저하의 공동 특성에 대한 몇 가지 중요한 측면을 설명하지 못합니다. 보다 엄격한 설명은 엔트로피의 특성과 관련됩니다. 액체의 증기압 저하를 이해하기 위해서는 별도의 용매 및 용질 상과 비교하여 용액 내 물질의 분산성이 더 높기 때문에 용매 분자를 효과적으로 안정화하고 기화를 방해한다는 점을 기억하는 것이 적절합니다. 증기압이 낮아지고 끓는점이 높아집니다.

용액 성분의 증기압과 해당 성분의 농도 사이의 관계는 라울의 법칙으로 설명됩니다. 이상적인 용액의 모든 성분이 가하는 부분압은 순수한 성분의 증기압에 용액 내 해당 성분의 몰분율을 곱한 것과 같습니다.

여기서 P_A는 용액에서 성분 A에 의해 가해지는 부분압이고, P°_A는 순수한 A의 증기압이며, X_A는 용액에서 A의 몰분율입니다.

기체 혼합물의 전체 압력은 모든 구성 요소에 대한 부분압력의 합과 동일하다는 점(돌턴 부분압력 법칙)을 상기하면, i개의 구성 요소를 포함하는 용액에 의해 가해지는 전체 증기압은 다음과 같습니다.

비휘발성 물질은 증기압이 무시할 수 있는 물질(P° ≒ 0)이므로 비휘발성 용질만 포함하는 용액 위의 증기압은 용매에만 기인합니다.

이 문서는 에서 발췌되었습니다 Openstax, Chemistry 2e, Section 11.4: Colligative Properties.

용액의 일부 속성은 용질의 유형에 따라 달라집니다. 염산의 수용액은 pH 시험지를 빨간색으로 물들이고 수산화나트륨 용액은 파란색으로 물들입니다. 용액의 일부 특성은 용질의 유형보다는 용액의 농도 또는 입자 수에 따라 달라집니다.

이러한 특성을 용액의 총괄성이라고 합니다. 그러한 특성 중 하나는 용액의 증기 압력입니다. 액체의 증기 압력은 액체와 기체가 밀폐된 용기에서 동적 평형 상태에 있을 때 증발에 의해 발생하는 액체 표면 위의 기체의 압력입니다.

용액의 증기 압력은 항상 순수 용매의 증기 압력보다 낮습니다. 측정 가능한 증기 압력이 없는 비휘발성 용질을 휘발성 용매에 첨가하여 만드는 용액을 생각해 보십시오. 순수한 용매에서 전체 액체 표면은 용매 입자입니다.

이런 입자들 중 일부는 기체 상태로 넘어가 증기를 형성하지만 공기 중의 기체 분자들 중 일부는 다시 응축되여 액체 상태로 됩니다. 기화 속도가 응결 속도와 같을 경우 동적 평형에 도달합니다. 용액인 경우 액체 표면은 용질 입자와 용매 입자를 모두 가지고 있습니다.

따라서 표면에서 보다 적은 수의 용매 입자들이 증발할 수 있습니다. 응축 속도는 감소하여 감소된 기화 속도에 맞춰 동적 평형으로 재설정되며 이 때 기체 상태의 용매 입자 농도가 낮아집니다. 용액의 부분 압력은 용매의 몰분율 카이와 순수 용매의 증기 압력 P0의 곱과 같다는 것을 서술한 라울의 법칙에 의해 용액의 증기 압력을 계산할 수 있습니다.

글리세롤과 같은 비휘발성 용액 1.5 몰과 온도가 25도인 물 3.5 몰이 들어 있는 용액의 예를 봅시다. 용매의 몰 분율은 0.70이고 순수한 물의 증기 압력은 23.8 토르입니다. 라울의 법칙을 사용하여 용액의 증기 압력을 계산하면 순수 용매의 증기 압력의 70 퍼센트인 16.7토르가 됩니다.

증기 압력 강하 방정식인 델타 P도 라울의 법칙에서 도출할 수 있습니다. 용매의 몰분율은 1 빼기 용질의 몰분율과 같기 때문에 이 값을 라울의 법칙에 대입할 수 있습니다. 그런 다음 이를 사용하여 증기 압력 하강이 용질의 몰 분율에 정비례하는 방정식을 만들 수 있습니다.

앞의 예를 생각해보면 용질의 몰 분율은 1 빼기 용매의 몰분율입니다. 이 값을 연결하면 용질의 몰 분율은 0.3입니다. 순수한 물의 증기 압력이 23.8 토르인 것을 감안하면 증기 압력의 하강값은 7.14 토르로 계산됩니다.

델타 P와 용액의 증기압을 더하면 순수 용매의 증기압이 얻어집니다.