총괄성

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총괄성[colligative property, 總括性]이란 용액에 녹아있는 용질의 종류가 아닌 용질의 입자수에 의해서만 결정되는 용액의 성질을 말한다. 예로 같은 부피의 물이 담긴 비커 2개에 소금(NaCl) 1몰과 염산(HCl) 1몰을 넣을 경우 두 용액의 총괄성은 소금과 염산 모두 2개의 용질로 이온화가 되기 때문에 두 이상용액의 총괄성은 같게 된다. 총괄성의 대표적인 예로는 삼투압, 끓는점 오름, 어는점 내림, 증기 압력 내림이 있다. 또 이러한 총괄성을 이용하면 용질의 몰질량을 측정하기 유용하기도 하다.

전해질 용액의 총괄성[편집]

위의 설명과 같이 총괄성은 용액 속에 있는 입자의 총 몰수의 영향을 받는다. 예로 소금의 경우는 1몰이 물에 녹을 경우 2몰의 용질 입자가 생성이 된다. 또, 염화칼슘의 경우는 물에 녹을 경우 3몰의 용질 입자가 생성이 되는데, 이때 두 용액의 삼투압을 증류수로 비교해보면 염화칼슘의 경우가 입자의 수가 더 많기 때문에 삼투압이 더욱 크다. 이처럼 전해질 용액의 총괄성은 용액에 녹은 이온의 총 몰수에 영향을 받으며, 이러한 용질의 몰수와 입자의 몰수의 관계는 반트 호프 계수인 i로 나타내는 것이 가능하다.

i=용액 속에 있는 입자의 총 몰수/용질의 몰수

이러한 반트 호프 계수는 항상 맞는 것이 아니다. 실험에 의하면 이러한 값은 예측값과 약간 차이가 나게되는데, 이 이유는 용액 속에서 용질이 순간적으로 이온쌍을 형성하기 때문이다. 이때문에 진한 용액에서는 이온 사이의 거리가 가깝기 때문에 i의 측정값이 예상값과 크게 다르며, 또한 이온화된 이온의 전하량이 클 경우도 이러한 결과가 나타난다.

삼투압[편집]

서로 다른 농도의 용액을 반투막 사이에 두면 삼투 현상이 발생하게 되는데, 이때 반투막에 발생하는 압력을 삼투압이라고 한다. 전해질 용액의 삼투압은 실험에 의하여 다음 식으로 정리되었다.

Π=iMRT

M은 몰농도이고 R은 기체상수, T는 절대온도 그리고 i는 반트 호프 계수이다.

끓는점 오름과 어는점 내림[편집]

또한 용질이 용액에 녹아있을 경우 증기압이 낮아지기 때문에 상태변화에 있어서 여러 변화가 나타나게 된다. 대표적인 것이 비휘발성 용질이 용액에 녹았을 경우 끓는점이 올라가는 것과 어는점이 내려가는 것이 있다. 끓는점의 경우는 액체의 증기압이 1기압을 넘어갈 때의 온도를 끓는점이라고 하는데, 용질이 첨가될 경우 증기압이 낮아져 1기압을 넘어갈 때까지 걸리는 시간이 더 길어지며, 이에 끓는점은 더 높다. 어는점도 이와 비슷하며, 이러한 전해질 용액에서의 끓는점 오름과 어는점 내림은 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다.

ΔT=imk

이때 i는 반트 호프 계수이며, k는 몰랄 어는점 내림 상수 또는 몰랄 끓는점 오름 상수, 그리고m은 용질의 몰랄농도이다.

예시[편집]

25도의 온도에서 0.10 M Fe(NH4)2(SO4)2 용액의 삼투압이 10.8 atm으로 관찰되었을 때, i의 예상값을 구하면 Fe(NH4)2(SO4)2는 Fe2+, 2NH4+, 2SO42-로 이온화되므로 i의 예상값은 5라고 할 수 있다. 또한 위의 삼투압 공식을 이용하면 i의 실험값을 구할 수 있는데, Π=iMRT이고 Π는 10.8 atm, M은 0.10 mol/L, T는 298 K 이므로 이를 대입하면 i의 실험값은 4.4가 나온다. i의 실험값이 예상값보다 작은 이유는 이온쌍이 형성되었기 때문이라고 해석할 수 있다.[1]

각주[편집]

  1. Steven S. Zumdahl, Susan A. Zumdahl, 줌달의 일반화학 (2011년 3월 1일). 《예제 11.13》. 사이플러스.