동적 평형과 물의 이온화 1(물질의 상태변화 1, 2, 3, 용해도, 가혁, 비가혁 반응, 동정, 상, 용해 평형, 물의 자동 이온화 등)

0.물질의 상태변화 1물질을 가열하거나 냉각할 때 고체, 액체, 기체의 세 가지 상태 사이에서 일어나는 변화이다. 상태의 변화는 주로 열에 의해 일어난다. 예를 들어 얼음(고체)을 가열하면 물(액체)로 바뀌고 온도를 더 올리면 수증기(기체)가 된다. 반대로 온도를 낮추면 수증기, 물, 얼음 순으로 상태가 변화한다. 상태 변화를 일으키는 또 다른 원인은 압력의 변화다. 예를 들어 부탄가스 통을 흔들어 보면 액체 소리가 난다. 상온에서 부탄가스는 기체지만 압력이 큰 가스통 안에 들어가면 액체 상태로 변화한다.물질 상태의 변화구분 변화 후 고체 액체 기체 변화 전고체 융해(고체 ⇒ 액체) 승화(고체⇒기체) 액정(액체→고체) 기화(액체⇒기체) 기화 (기체→고체) 액정(기체→액체) ⇒ : 가열, → : 냉각[네이버 지식백과] 물질의 상태변화 (Basic 중학생을 위한 과학용어사전, 2007.2. 7. 이수정)2번 슬라이드(물질의 상태 변화 1)2번 슬라이드(물질의 상태 변화 1)3번 슬라이드(물질의 상태 변화 2)3번 슬라이드(물질의 상태 변화 2)4번 슬라이드 (물질 상태 변화 3)4번 슬라이드 (물질 상태 변화 3)4번 슬라이드 (물질 상태 변화 3)성분 1(용질) 성분 2 (용매) 용액 상태 기체 기체 기체 기체 액체 액체 체고체액 체고체액 체고체[네이버 지식 백과]용해도[solubility](화학 백과)용질을 녹이는 능력으로 용액을 구분하기도 한다.우선 포화 용액(satu너는(혹은 rated solution)란 주어진 온도에서 주어진 용매 내에 최대의 용질이 포함된 용액이다.용액이 탈 수 있는 한계보다 적은 양의 용질을 포함한 용액을 불포화 용액(unsaturated solution)이라고 한다.마지막 타입은 과포화 용액(supersaturated solution)이라고 하지만 포화 용액에 존재하는 용질보다 많은 양의 용질을 포함한 용액을 말한다.과포화 용액은 별로 안정되지 않았다.시간이 지날수록 어느 정도의 용질이 용액에서 벗어나고 결정을 만들게 된다.[네이버 지식 백과]용해도[solubility](화학 백과)용해도는 포화 상태에 있는 용액에 녹아 있는 용질의 양으로 요구할 수 있다.일정량의 용매에 용해되는 용질의 양에 의해서 용해도를 구분하지만 25℃의 용해도가 0.1g/L이하의 것을 불용성(insoluble)라는 용해도가 10g/L이상일 때 가용성(soluble)이라고 한다.중간 정도의 경우(0.1~10g/L)은 불용성(slightly soluble)이라고 한다.용해도에게 가한 더 자세한 구분은 표 2에 나타낸다. 표 2. 용해도 구분용해도용질 1 질량 부분(질량부)을 녹이는데 필요한 용매의 질량 부분 매우 가용성이 있는 것 1 ~ 10 가용성이 있는 것 1 ~ 30 희귀한 것 30 ~ 100 약간 가용성이 있는 것 100 ~ 1,000 매우 가용성이 있는 것 1,000~ 10,000 실질적으로 불용성 또는 불용성인 것> 10,000 [네이버 지식백과]용해도 [溶解性]（화학백과）용해도용질 1 질량 부분(질량부)을 녹이는데 필요한 용매의 질량 부분 매우 가용성이 있는 것 1 ~ 10 가용성이 있는 것 1 ~ 30 희귀한 것 30 ~ 100 약간 가용성이 있는 것 100 ~ 1,000 매우 가용성이 있는 것 1,000~ 10,000 실질적으로 불용성 또는 불용성인 것> 10,000 [네이버 지식백과]용해도 [溶解性]（화학백과）용해도용질 1 질량 부분(질량부)을 녹이는데 필요한 용매의 질량 부분 매우 가용성이 있는 것 1 ~ 10 가용성이 있는 것 1 ~ 30 희귀한 것 30 ~ 100 약간 가용성이 있는 것 100 ~ 1,000 매우 가용성이 있는 것 1,000~ 10,000 실질적으로 불용성 또는 불용성인 것> 10,000 [네이버 지식백과]용해도 [溶解性]（화학백과）5번 슬라이드(용해도)5번 슬라이드(용해도)2. IUPAC 정의 1. IUPAC 정의에 따르면, 용해도란 특정 용매에 녹아있는 특정 용질의 비율로 표현되는 포화 용액의 분석적 구성이다. 용해도는 몰분율, 부피(용제) 및 기타 단위와 같은 다양한 농도의 단위로 나타낼 수 있다.[네이버 지식백과] 용해도 [solubility] (화학백과)3. 용해 과정의 분자적 관점 1. 하나의 물질(용질)이 다른 물질(용매)에 녹는 때, 용질 입자가 용매 내에 분산된다.용질 입자가 용매 입자가 차지했던 위치를 차지하게 된다.용질 입자가 용매 분자의 공간을 얼마나 쉽게 대신 차지하는지는 다음의 3개의 상호 작용의 상대적 크기에 달렸다.·용매-용매 상호 작용·용질-용질 상호 작용·용매-용질 상호 작용 2. 단순화시켜서 말하면 용해 과정은 3가지 특징적인 단계에서 일어난다고 가정할 수 있는(그림 1).스텝 1은 용매 분자 간의 분리인 스텝 2는 용질 분자 간의 분리 과정이다.이 과정은 분자 간 인력을 자르는 과정이므로 흡열 과정이다.단계 3에서 용매와 용질 분자가 섞이지만 이 과정은 흡열인 만큼 발열도 있다.[네이버 지식 백과]용해도[solubility](화학 백과)3. 용해열 Δ H용해는 다음과 같이 주어진다.Δ H용해=Δ H1+Δ H2+Δ H3용질-용매 간 인력이 용매-용매 간 인력과 용질-용질 간 인력의 합계보다 크면 용해하는 것이 유리한 과정이고, 발열 과정(Δ H용해<0)이다.만약 용질-용매 간 인력이 용매-용매 간 인력이나 용질-용질 간 인력의 합보다 작으면 용해 과정은 흡열 과정(Δ H용해>0)이다.3.1. 용질 분자 간 인력이 용질이 용매 분자 간 인력보다 높음에도 불구하고 결국 용질이 용매에 녹는 것에 의문을 던지는 것도 있을 것이다.3.2. 용해 과정은 두가지 요인에 의해서 지배되는데 첫째는 에너지로 용해 과정이 발열 반응인지 흡열 반응인지를 결정한다.둘째, 모든 자연 현상처럼 무질서하게 되려는 경향이다.용매와 용질이 용액을 형성하며 섞이면 무질서도가 증가한다.3.3. 순수한 상태에서 용매와 용질은 3차원 공간에서 원자, 분자 이온이 다소 규칙적 배열을 이루고 어느 정도 질서도를 지닌다.이런 질서도 대부분은 용질이 용매에 녹는 때 파괴된다.3.4. 그러므로 용해 과정은 늘 무질서도의 증가를 동반한다.이러한 계통의 무질서도 증가 때문에 용해 과정이 흡열 반응이라도 어떤 물질 용해가 유리하게 진행할 수 있다.[네이버 지식 백과]용해도[solubility](화학 백과)4. 화합물의 구조 1. 화합물의 구조에 따른 용해도를 예측하는 기본 법칙은 비슷한 것은 비슷한 것을 녹이다(like dissolves like)라는 것이다.4.1. 극성 또는 이온성 용질은 극성 용매에 용해도가 높고 무극성 용질은 무극성 용매에 용해도가 높다.그 이유는 위에서 설명한 용액이 형성되는 3개의 단계에서 볼 수 있다.4.2. 비극성 용질의 분자 간 인력은 오로지 분산력에 의해서 결정된다.전형적인 비극성 용질의 Δ H2는 분자의 크기에 의해서 달라질 수 있는데 비교적 작은 값이라고 예상된다.4.3. 비극성 용질 분자와 극성 물 분자 사이의 인력은 무시할 수 있어 Δ H3은 작은 값이다.그러나 극성 분자 간 인력에는 쌍극자-쌍극자 간의 힘이 존재한다.극성 용매 분자 간 인력을 끊는 데는 상당한 에너지가 필요하니 Δ H1은 큰 양의 값이다.4.4. 그러므로 Δ H용해는 Δ H1과 Δ H2때문에 큰 양의 값을 갖는다.이로써 무극성 용질과 극성 용매는 용액을 형성하는 것이 기대하기 어렵다.[네이버 지식 백과]용해도[solubility](화학 백과)5. 기체의 용해도 1. 고체나 액체의 경우와 달리 기체의 용해도는 온도가 증가할수록 감소한다.비커에 물을 가열하면 물이 비등하기 전에 유리 벽면에 공기 방울이 생기는 것을 볼 수 있다.5.1. 이것은 온도가 올라갈수록 물에 용해한 공기 분자가 물이 끓기 전에 용매에서 솟는 현상이다.5.2. 이와는 반대로 고체나 액체 용해도는 압력에 영향을 거의 받지 않지만 기체의 용해도는 압력이 높아지면 상당히 증가한다.5.3. 용액과 평형 상태에 있는 기체는 기체 분자가 용액에 녹아드는 것과 같은 속도로 용액에서 벗어나다.압력이 높아지면 단위 부피에 들어 있는 기체 분자의 수가 늘면서 기체가 빠져나가속도보다 용액 안에 녹아드는 속도가 빨라진다.5.4. 용액과 기체가 새로운 평형에 이르자, 용액 속에는 이전보다 더 많은 기체가 녹아 있게 된다.기체 압력으로 녹아 있는 기체의 농도 사이의 관계는 헨리 법칙(Henry’s law)로 나타낼 수 있다.C=kP5.5. 여기서 C는 용액에 녹아 있는 기체의 농도를 k은 각 용액의 종류에 의존하는 정수를 나타내고 P는 용액 위에 있는 기체 용질의 분압이다.[네이버 지식 백과]용해도[solubility](화학 백과)6. 이온 고체성 용해도 1. 이온 고체성인 염화은이 물에 녹아 고체 염화은과 평형을 이루고 있는 포화 용액의 용해 평형은 다음과 같다.6.1. 물에 녹은 소량의 AgCl은 모두 Ag+라고 Cl-이온으로 완전히 증발한다고 가정하면 AgCl의 용해에 대한 평형 상수는 다음과 같이 쓸 수 있다.Ksp=[Ag+][Cl-]=1.77×10-106.2. 아래 첨자”sp”은 용해도 곱(solubility product)을 의미한다.가용성 염류(CsCl등)의 경우 그 포화 수용액은 이온 농도가 매우 높은 용액 중의 이온 간에 많은 결합이 존재하게 된다.6.3. 충전된 이온의 일시적인 이온-, 덩어리가 생성될 수 있는 등 비 이상적인 용액처럼 행동한다.이런 경우에는 평형식을 적용할 수 없다.그러므로 Ksp는 물에 불용성인지, 불용성인 이온 고체성 용해에 관한 평형 상수를 나타낸다.[네이버 지식 백과]용해도[solubility](화학 백과).7. 가역 반응 1. 화학 반응식에서 나타낼 때는 화살표⇄을 사용한다.예를 들면, 아세트 산과 알코올에서 아세트 산 에틸과 물이 생기는 반응 CH3COOH+C2H5OH⇄ CH3COOC2H5+H2O에서는 왼쪽에서 오른쪽으로 진행 하는 정규 반응과 오른쪽에서 왼쪽으로 진행하는 역 반응도 동시에 일어난다.7.1. 즉, 아세트 산 에틸에 물을 가하면 가수 분해가 일어나서 아세트 산과 알코올이 생기는데, 이 때문에 정반응과 반대 반응은 항상 각 생성 물질이 있는 양으로 평형을 이루게 된다.7.2. 이 경우, 정반응과 반작용의 반응 속도가 같게 된 것이어서 양측계의 물질의 양은 변하지 않고 겉보기에는 반응이 중단되고, 어느 쪽에도 반응이 가지 않도록 보인다.이런 상태를 화학 평형으로 알려졌다.7.3. 이런 점에서 보고 가역 반응과는 화학 평형이 유지되고 있는 반응인 셈이다.모든 반응은 가역 반응인 셈이다.7.4. 완전히 한 방향에만 반응이 진행되어 원래의 물질을 남기지 않는 반응이 없다.반응의 진행이 한 방향으로만 치우치는 것은 정반응의 반응 속도와 반작용의 반응 속도의 차이가 큰 경우이다.그러므로 역 반응의 반응 속도가 극단적으로 작은 경우를 비가역 반응이라며 가역 반응과 구별하다.[네이버 지식 백과]가역 반응[reversible reaction, 가역 반응](두산 백과, 두피 디어, 두산 백과)6번 슬라이드(가역반응)8. 비가역 반응1. 정반응만이 일어나며 한번 반응이 일어나면 돌이킬 수 없는 반응을 한다.A→ B인 쇼 반응에 대해서 B→ A인 반작용이 매우 어려운 반응, 즉 가역 반응이 없는 반응이다.반작용의 활성화 에너지가 매우 크거나 또는 그 활성화 엔트로피가 매우 작은 경우가 이에 해당한다.8.1. 비가역 반응의 예는 다음과 같다.① 연소 반응:종이를 태우면 다시 종이로 돌아갈 반응이 없기 때문, 연소는 비가역 반응이다.② 기체 발생 반응:아연에 염산을 반응시키는 수소 기체가 발생하는 염화 아연이 생기는데, 이때 수소와 염화 아연 반응해도 아연과 염산은 생기지 않는다.8.2. 단, 밀폐 용기 내에서 일어나는 반응 때는 가역 반응의 경우도 있다.③ 팥소가 생기는 반응:염화 나트륨 수용액에 질산은 수용액을 반응시키면 백색의 염화은이 고물로 생기는데, 염화은은 물에 거의 녹지 않고 고체 상태로 존재하므로 반작용이 일어나지 않는다.8.3. ④ 강산과 강염기의 중화 반응:염산과 수산화 나트륨을 반응시키면 염화 나트륨(소금)과 물이 생기는 중화 반응이 일어난다.그러나 소금과 물을 섞어도 염산과 수산화 나트륨은 생기지 않는다.[네이버 지식 백과]비가역 반응[irreversible reaction, 비가역 반응](두산 백과, 두피 디어, 두산 백과)7번 슬라이드(비가역반응)7번 슬라이드(비가역반응)9. 동적 평형 1. 가역반응으로 반응물과 생성물의 농도가 같을때, 정반응과 역반응이 같은 속고인 상태.9.1. 동적 평형상태에서는 반응물과 생성물의 양이 일정하게 유지된다.8번슬라이드(동적평형)8번슬라이드(동적평형)10. 상평형 1. 몇개의 상이 상평형으로 되어 있을 때, 각 상을 이루는 각 성분의 화학 퍼텐셜은 같다는 조건이 성립된다.상평형으로 되어 있는 경우에는 J. 기브스 서로 규칙이 성립된다.10.1. 늘 평 슬라이드에는 순수 물질(순수 사물)에서 다른 상과 사이에 열린 상평’형의 경우와 서로 다른 상에 있는 다성 분의 상평’형의 경우가 있는데 각각 취급이 다르다.10.2. 상평형 모양은 상평형 그림으로 표시되는 경우가 많으며, 열 평형 상태에 있는 있는 계의 온도와 압력을 서서히 변화시키면 하나의 상에서 다른 상으로 이동한다.이를 상 전이라고 한다.10.3. 물의 상평’형의 그림으로 1기압 상태의 얼음을 보자.온도가 증가하고 0℃에 이를 것으로 액체와 고체 사이의 경계선에 도달하지만 이 선은 고체와 액체가 공존하는 점을 연결된 것이다.10.4. 이 온도 이상에서는 액체로 존재한다.온도가 계속 늘어 100℃에 이른다고 다시 액체와 기체 사이의 경계선상에 달하며 이 선은 액체와 기체가 평형을 이루고 있는 점을 연결된 것이다.10.5. 이 온도 이상에서는 기체으로만 존재한다.이 경계선의 오른쪽은 임계점(critical point)라는 이 점에 해당되는 온도 이상에서는 액체와 기체의 구분이 없어진 초임계 유체(supercritical fluid)상태로 존재한다.[네이버 지식백과] 상평형 [phase equilibrium, 상평형] (토산히약 · 두피디아 · 토산히약)9번 슬라이드(상평형)9번 슬라이드(상평형)11. 용해 평형 1. 일정한 온도로 유지시킨 용매에 용질을 가하기 시작하면 어느 순간이 되면 더 이상 용질이 용매에 녹지 않는다.이렇게 일정량의 용매에 용질이 최대한 녹아들어 있는 용액을 포화 용액.이 용액에서 용해 속도와 분리 속도는 같다.11.1. 이 포화 상태의 용액에 용질을 더 넣어 녹지 않는 것처럼 보이지만, 용해와 분석이 일어나는 속도가 똑같기 때문에 겉보기에만 그렇게 보일 뿐 실제로는 두가지 현상이 함께 활발하게 이뤄진 상태다.11.2. 즉, 용해 평형 상태라는 것은 포화 용액에서 용해와 분석의 속도가 같은 상태를 말하는 것이며, 용해와 분석의 양쪽이 그쳤다 정적인 평형 상태를 말하는 것은 아니다.[네이버 지식 백과]용해 평형[equilibrium of dissolution, 용해. 평형](두산 백과, 두피 디어, 두산 백과)10번 슬라이드(용해평형)10번 슬라이드(용해평형)12. 물의 자동 이온화1,21. 순수한 물로 매우 적은 양이지만, 물 분자끼리 수소 이온(H+)을 주고받는 도로 알루미늄 이온(H30+)과 수산화 이온(OH-)를 이온화하는 반응.(12.1)물의 이온화 산수:일정 온도에서 친밀 정도 자동 이온화하고 동적 평형을 이루고 하이드로 알루미늄 이온(H30+)의 농도로 수산화 이온(OH-)의 농도가 일정하게 유지될 때 H3O+OH-10[H1]+2.5H1.5.5.5.5H+1+2OH+2O.이온화 상수는 물에 의해서만 들어옵니다.25C에서[H30+]=[OH-]=1.0×10-7몰11번 슬라이드(물의 자동 이온화 1)11번 슬라이드(물의 자동 이온화 1)12번 슬라이드 (물의 자동 이온화 2)12번 슬라이드 (물의 자동 이온화 2)