삼중점위키백과 ― 우리 모두의 백과사전.삼중점(三重點, triple point)은 세 상(예:고체, 액체, 기체)이 서로 열역학적 균형을 유지하는 상태의 압력과 온도를 말한다. 목차
[편집] 삼중점의 형태
녹색 실선은 일반적인 물질의 융해/응고 곡선이고, 점선은 물의 것을 나타낸다. 물의 비정상성을 참고하라. 고압에서는 물의 다른 고체상이 있으나, 생략되었다. 삼중점은 상평형 그림에서 세 상전이 곡선이 만나는 점이다. 고체, 액체, 기체가 공존하는 삼중점에서는 융해 곡선, 증기 압력 곡선, 승화 곡선이 만나는점이 된다. [편집] 삼중점에서 물질이 나타내는 현상물질은 삼중점에 있을 때 세 상이 공존한다. 상태 변화와 유사하게, 이 상들은 상호 평형을 이룬다. 고체, 액체, 기체가 공존하는 삼중점에서 냉각할 경우 기체가 점점 액체와 고체가 되며 가열할 경우 고체와 액체가 점점 기체가 남게 된다. 또한 압력을 가하면 고체가 액체와 기체로 되며, 압력을 낮추면 액체와 기체가 고체로 변한다. 상평형을 이루는 곡선들은 대개 압력이나 온도축에 평행하지 않은 각도로 삼중점에 접하기 때문에 압력이나 온도만 변화시켜서는 곧 하나의 상만 얻을 수 있으나, 압력과 온도를 적당히 동시에 변화시킨다면 두 상에 있는 물질을 얻을 수 있다. 반대로 상태 변화 중에 있는 물질을 그에 해당하는 곡선에 따라 이동시킨다면 나머지 하나의 상이 생기는데, 삼중점에 다다른 것이다. [편집] 물의 삼중점물은 강한 수소 결합을 이루기 때문에 응고하면서 부피가 증가하며, 다른 물질들과 달리 융해 곡선이 온도-압력에 대해 음(-)의 방향으로 기울어 있다.[1] 얼음판 위에서 스케이트를 탈 수 있는 까닭이기도 하다(날에 의해 체중이 얼음에 실리면서 압력을 받았을 때 어는점이 현재 온도보다 낮아지면 표면의 얼음이 녹게 되고 스케이트 날이 미끄러진다). 물의 고체상인 얼음은 다양한 형태가 존재하여, 다른 삼중점들도 있다. 물의 고체 액체 기체가 공존하는 삼중점(273.16K)은 절대 온도의 기준으로 사용된다. 물을 구성하는 수소와 산소는 동위원소를 가지므로, 실제로는 빈 표준 평균 바닷물이라는 정해진 동위원소 비율을 가지는 물의 삼중점을 기준으로 한다. [편집] 주석
이번 2강에서는 물질의 상태와 상평형에 대해 다루고자 합니다. 화학 반응식 등의 설명은 일단 넘어가고, 1강에 추가하도록 하겠습니다. 우리가 화학에서 일반적으로 다루는 물질의 상태는 고체, 액체, 기체 세 가지입니다. 각 상태의 특성을 알아보고, 상평형과 상변화에 대해 고찰해봅니다. 1. 기체 (1) 압력 먼저 기체를 설명할 성질에 대해 알아봅시다. 기체의 경우는 1강에서 설명한 것처럼 부피라는 것이 따로 정해져 있지 않습니다. 즉 어느 용기에 담느냐에 따라 정해지는 것입니다. 만약 4 g의 수소를 10L 통에 넣으면 10 L가 되지요. 물 5 L를 10 L 통에 넣는다고 물이 10 L가 되지는 않습니다. 그 대신에 기체를 다루는 중요한 성질은 '압력'입니다. 잠시 물리적인 설명을 가지고 압력을 정의해봅시다. 압력은 어떠한 면에 작용하는 힘의 크기를 면적으로 나누어 준 것입니다. 1N의 힘이 1 m2의 면에 작용한다고 하면 압력은 1이 되죠. 이 때 압력의 단위를 Pa, 파스칼이라고 합니다. 화학에서는 파스칼 대신 기압(atm)을 사용하는데, 1 atm은 101325 Pa과 같습니다. 파스칼을 잘 사용하지 않는 이유는 1 Pa는 너무 작은 압력이기 때문입니다. 또 다른 압력의 단위로 mmHg와 torr가 있는데, 흔히 두 단위가 똑같다고 설명하지만 엄밀히 말하면 다른 단위 입니다. 여러분은 물 기둥 10m의 압력이 1 기압이라는 말을 들어보신 적이 있으실 겁니다. 수은의 경우 물보다 밀도가 훨씬 커서 단지 760 mm의 기둥으로 1 기압을 만들 수 있습니다. 따라서 760mm의 수은(Hg)으로 1 기압을 만들 수 있다고 해서 760 mmHg=1 atm으로 정의하게 됩니다. 1 mmHg는 1 mm의 수은 기둥이 누르는 압력(이게 1/760 기압)으로 정의되는 것이죠. 그런데 일반적으로 물질들은 온도에 따라 부피가 변하게 되어, 온도가 변하게 되면 1 기압을 만드는데 필요한 수은 기둥의 높이도 달라지게 됩니다. 여기서 mmHg와 torr가 갈리게 되는데, 온도와 상관 없이 그냥 수은 기둥 1 mm가 누르는 압력을 사용하게 되면 mmHg가 되고, 0 ℃에서 수은 기둥 1mm가 누르는 압력을 1 torr로 정의하게 된 것입니다. 따라서 같은 1 mmHg라도 0 ℃일 때와 50 ℃일 때의 압력의 크기는 다른 셈입니다. (2) 기체 분자의 운동 라면을 끓일 때 보이는 김을 보면(김은 엄밀히 말하면 기체가 아닙니다만) 막 움직이면서 퍼져나가죠. 기체 분자들은 어느 분자든 상관 없이 빠르게 운동하고, 그 운동에너지는 온도에 따라 변하게 됩니다. 분자들의 운동 방식은 여러가지가 있습니다. 병진 운동: 분자가 위치를 바꾸는 것. 즉 말 그대로 돌아다니는 걸 말합니다. 운동 에너지를 갖습니다. 회전 운동: 분자가 돌면서 회전 운동 에너지를 갖습니다. 진동 운동: 분자가 진동을 하면서 탄성 에너지를 갖습니다. 기체 분자의 속력(v)은 온도(T)의 제곱근에 비례하고, 분자량(M)의 제곱근에 반비례하는 성질이 있습니다. (3) 보일, 샤를, 아보가드로, 이상기체 상태방정식 먼저 긴 설명이 필요없는 두 법칙부터 알아봅시다. 보일의 법칙: 온도(T)가 일정할 때 기체 분자의 압력(P)과 부피(V)는 서로 반비례한다 샤를의 법칙: 압력(P)이 일정할 때 기체의 부피(V)는 온도(T)에 비례한다 샤를의 법칙에서 부피는 온도에 비례한다고 했는데, 0 ℃에서 기체의 부피는 0이 아니죠. 따라서 이 비례관계를 따르면 진짜로 기체 부피가 0이 되는 지점을 절대 영도라 부르고 이는 -273.15 ℃입니다. 그리고 이 절대 영도를 0으로 삼는 온도 체계가 절대온도, 또는 켈빈(K)이며 섭씨(℃)에 273.15를 더하면 켈빈 온도가 됩니다. 그렇다면 저 두 공식을 조합하면 어떻게 될까요?
이렇게 됩니다. 물론 온도 T는 절대 온도입니다. 여기에 아보가드로 의 법칙을 더하게 되는데 아보가드로 법칙이란 압력이 일정할 때 기체의 몰 수(n)와 부피는 비례한다는 것입니다. 쉽게 말해, 기체가 많으니까 공간도 많이 차지 하게 된다는 것이죠. 이 법칙까지 합치면 '이상기체 상태방정식'이 등장합니다.
이 R을 기체 상수라 부르며 기체의 종류에 상관 없이 같은 값을 가지게 됩니다. 값은 단위에 따라 많이 달라지게 되는데 가장 먼저 사용하는 값은 0.08206입니다. 그런데 왜 방정식의 이름이 '이상'기체 상태방정식일까요? 왜 이상이라는 말이 들어갈까요? 실제로는 기체들의 저 방정식에 완벽하게 들어맞지 않기 때문입니다. 저 방정식을 그대로 따르는 기체는 '이상기체'라 부르고 실제 기체는 방정식이 따로 있습니다. 실제로 기체의 부피는 압력과 완벽히 비례하지 않고, 온도에 따라 정비례하지도 않으며 기체의 종류마다 차지하는 부피도 다릅니다(이건 뭐...). 이 설명은 연계 물리화학 강의에서 하도록 하겠습니다. (4) 돌턴의 부분 압력의 법칙과 몰 분율 기체의 부피는 용기의 부피로 정해진다고 했습니다. 만약에 어느 용기에 A 기체가 1 기압, 1 몰 들어있는데 1 몰의 B 기체를 넣었다고 생각합시다. 그러면 용기 안 기체의 몰 수가 2배가 되었죠. 이상기체 상태방정식에 따르면 전체 압력이 2 배가 되었습니다. 그런데 A, B 각각 1몰 존재하기 때문에 두 기체 모두 각각 1 기압을 갖는다고 볼 수 있습니다. 전체 2기압은 1+1=2라는 결과에서 나온 셈이죠. "혼합 기체의 전체 압력은 각 성분 기체의 부분 압력의 합과 같다"가 부분 압력의 법칙입니다. 몰 분율이란 말 그대로 물질의 몰 수의 비율입니다. 예를 들어 A 1 몰과 B 2 몰이 섞여 있으면 전체는 3 몰이며, A는 1/3, B는 2/3을 차지하죠. 이것이 몰 분율입니다. 흔히 X로 나타냅니다. 2. 액체 (1) 기본 성질 액체는 기체에 비해 다룰 내용이 많지 않습니다. 물 분자는 굽어 있는 구조이기 때문에 극성을 가지고, 수소 결합을 할 수 있어 끓는점이 분자량에 비해 매우 높습니다. 물 분자에서 수소는 산소에 전자를 빼앗겨 부분적으로 (+) 전하를 띠고, 산소는 (-) 전하를 띠는데 이 때문에 수소가 다른 물 분자의 산소에 접근해 인력이 생길 수 있습니다. 이 인력이 상당히 강해서, 실제로 결합이 아닌데도 수소 결합이라는 용어를 쓰게 되었습니다. 그 외에 물은 표면장력이 강한 액체에 속하는데, 이것 또한 물의 극성이 강하기 때문입니다. (2) 증발과 증기 압력 일정한 온도에서 밀폐된 용기에 들어있는 액체와 그 액체의 증기가 평형을 이루게 되면(변하지 않게 되면), 이 때 증기의 압력을 증기 압력이라고 합니다. 증기 압력이 높다는 것은 그 만큼 기체가 많다는 것, 즉 액체가 증발과 끓음을 잘한다는 것을 말합니다. 물의 경우 극성이 강해 분자 간 인력이 세서 잘 증발하지 않죠. 따라서 증기 압력이 낮은 편에 속합니다. 반면에 아세톤은 손에 뭍히기만 하면 바로 없어지는데 이러한 경우엔 증기압력이 높습니다. 또한 증기 압력은 온도가 올라감에 따라 커지는데, 온도가 올라가면 분자의 운동이 활발해져 분자간 인력을 끊기 쉬워 증발이 잘 일어나기 때문입니다. 이 증기 압력이 대기압과 같아지면 증발이 격하게 일어나는데, 이게 액체가 끓는다고 표현하는 것입니다. 3. 고체 (그림이 많이 필요하여 차후 작성) 4. 상평형 고체, 액체, 기체 등의 물질의 상태를 간단하게 상(phase)라고 하며, 한 물질의 여러 상이 평형을 이루게 되면 이를 상평형이라고 합니다. 산에 가면 물이 빨리 끓는 것처럼 상평형도 온도와 압력에 의해 달라지게 되고, 이러한 변화를 나타낸 그림을 상평형도(phase diagram)이라고 합니다. 다음은 물과 이산화탄소의 상평형도입니다, 물의 상평형도입니다. 각 위치에 얼음, 물, 수증기로 표시가 되어있고 세 개의 선이 구분을 해줍니다. 물(액체)와 얼음(고체) 사이의 곡선을 용융 곡선, 물과 수증기(기체) 사이는 증기압 곡선, 그리고 얼음과 수증기 사이는 승화 곡선이라고 합니다. 그래프의 점선을 보면 100 ℃에서 증기압 곡선은 1기압을 나타내네요. 즉 100 ℃에서 물이 끓는다는 것을 알려줍니다. 또한 용융 곡선을 살펴보면 압력이 높아지면 얼음의 녹는점이 낮아진 다는 것을 알 수 있습니다. 즉 얼음에 압력을 가하면 얼음이 녹는다는 얘기인데, 일반적으로는 액체에 압력을 가하면 고체가 됩니다. 물이 특이한 경우죠. 이산화탄소의 상평형도입니다. 용융곡선을 보면 압력이 올라가면 녹는점이 높아지고, 이게 일반적인 경우입니다. 그래프를 보면 세 곡선이 동시에 만나는 점이 있는데 이를 삼중점(Triple point)라 하며 이 상태에서는 고체, 액체, 기체가 모두 존재하게 됩니다. 그리고 증기압 곡선의 끝에 임계점(critical point)라는 표시가 있고 그 너머에는 초임계 유체(supercritical fluid)라고 되어 있는데, 초임계 유체란 액체와 기체가 더 이상 구분되지 않는 것입니다. 아래 영상을 참조해주세요. 혹시 저 세 그래프를 수식으로 표현할 수 있을까 하는 궁금증이 드시나요? 네, 가능합니다. 연계 강의에서 보여드립니다. ※ 연계 강의 실제 기체를 나타내는 법칙 -> 물리화학 강의 제 1강 초임계 유체와 임계점의 성질 -> 물리화학 강의 제 1강 이상기체 방정식의 유도 -> 물리화학 강의 제 2강 상평형 그래프를 나타내는 식 -> 물리화학 강의 제 ?강 |
물과 이산화탄소 상 평형 차이점 - mulgwa isanhwatanso sang pyeonghyeong chaijeom
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