22. 이상용액

열역학

PART 22. 이상용액 Ideal Solution

이상용액이 반드시 액체에만 적용되는 것 X 기체혼합물에도 적용가능

이상기체는 분자 크기, 분자 상호간 힘 X

이상용액은 분자의 크기가 같고, 분자 상호 간희 힘이 분자의 종류에 관계없이 동일하다.

용액(Solution)은 액체만을 지칭하는 것이 X

용액이란 여러 성분이 섞여 있는 '혼합물'이란 뜻(dissolve), 그 혼합물이 액체이건 기체이건 용액이라 부른다.

예를 들어, 기체 혼합물이 분자 크기가 같고, 분자 상호 간 힘이 동일하다면

기체 혼합물은 이상용액

모든 혼합용액은 이상용액은 아니지만,

벤젠-톨루엔의 혼합물과 같이 분자구조가 비슷한 성분의 혼합물은 이상용액에 가까움

이상용액의 가장 큰 특징은 서로 다른 분자 간에 미치는 상호작용이 분자의 종류에 관계 없이 모두 동일하다는 것이다.

이 사실에 근거해 이상용액을 이루는 혼합물 중 한 성분의 조성과 그 물질의 잠재에너지의 관계를 쓰면 다음과 같다.

깁스에너지 식에서 유도

는 이상용액 중 한 성분의 잠재에너지

는 그 성분이 순수상태 중 잠재에너지

는 혼합물 중 i 성분의 몰분율

성분이 순수한 상태이면, 가 되며,

이상용액 혼합물 중 물질의 잠재에너지는 부분 깁스에너지와 같으므로 

따라서, 식은 이상용액 중에 있는

특정 성분의 물질의 잠재에너지가 그 성분의 조성에 따라 어떻게 변화하는가를 나타낸다.

는 0~1 값을 가짐

(순수상태), 순수 성분의 잠재에너지 는 1몰당의 깁스 에너지와 같다.

,가 성립

즉, '성분이 순수상태 잠재에너지 < 다른 성분 혼합된 상태 잠재에너지'

가 감소할수록,  값도 감소

가 0에 가까워질수록, 값은 급격히 감소

결론적으로, 물질의 잠재에너지

즉, 깁스에너지는 순수상태로 있을 때 보다 다른 성분과 혼합됨으로써 감소하게 된다.

그러므로, 혼합되는 현상은 깁스에너지가 감소되는 과정으로 이해할 수 있다.

이상용액의 개념은 상평형을 설명하는 활동도의 개념을 정립

두 개의 서로 다른 상이 인접해있고 제 3의 성분이 두 상 사이를 이동 할 수 있는 경우

EX)

물-벤젠(서로 섞이지 X)

두 성분 모두  용해 될 수 있는 에탄올이 두 상 사이에서 이동하는 경우

(에탄올이 녹은 물-벤젠 상 모두 이상용액을 가정, 두 상이 평형)

두 상이 평형하다는 것은 두 상 사이에 에탄올의 이동 X

PART 22에서 설명했듯이, 두 상이 평형 할 때, 물상(w)과 벤젠상(b)에 존재하는 에탄올(i)의 잠재에너지는 동일하다.

위 식과 에 의하여, 두 상에 존재하는 에탄올의 잠재에너지가 같다는 사실은,

두 상에서 에탄올의 농도가 같음을 의미한다.

위 식을 합치면, 

순수한 상태 에탄올 잠재에너지 는 상에 상관 없이 같은 값을 갖기 때문에 위 식의 등호가 성립 하기 위해서는

두 상의 에탄올 농도가 같아야 된다는 것이다.

즉, 

이상용액을 이루는 두 개의 상이 인접, 제 3의 성분이 두 상 사이를 이동할 수 있을때,

두 상이 평형이란 것은 두 상에서 그 성분의 잠재에너지가 동일

결국, 두 상에서 그 성분의 농도가 동일하다.

즉, 물질이 이동한다는 것은 농도의 구배가 있다는 것을 의미

두 상에서 물질의 농도가 같으면 당연히 이동하지 X

중요한 것은 두 상이 이상용액을 이룰 때만 위 사실이 성립한다.

실제용액에서 두 상에서의 에탄올 농도는 같지 X

즉, 각 상에서 단위 부피에 포함되어 있는 에탄올의 몰 수가 다르다.

그러면 농도가 같지 않는데 왜 에탄올이 이동하지 않을까?

그것은 에탄올이 '물→벤젠 경향' = '벤젠→물 경향'이 동일하기 때문

이런 경향이 같아 질 수 있는 것은, 두 상에서 에탄올 분자가 활동하는 정도가 같아지기 때문이다.

에탄올 분자가 얼마나 잘 움직일 수 있는가 하는 정도는 에탄올 분자 주위의 다른 분자와의 상호작용에 영향을 받는다.

'에탄올 분자가 물에 녹아 있을 때 에너지 ≠ 에탄올이 벤젠에 녹아 있을 때 에너지'

따라서, 농도가 달라도 떠나려는 경향이 같아 질 수 있다.

결국, 두 상에서 활동하는 정도가 같아지고, 이때가 평형상태고, 두 상에서 에탄올의 활동도가 같다.

그리고, 이때 각 상에서 도달하는 에탄올의 농도를 평형농도라고 부름

결론적으로, 이상용액에서는 농도가 평형을 // 실제용액에서는 활동도가 평형을 결정한다.

이상을 정리하면 다음과 같다.

인접한 두 개의 상이 평형상태이면, 이상용액이건 실제용액이건 잠재에너지는 두 상에서 같다.

이상용액일 경우 농도가, 실제용액일 경우 활동도가 동일하다.

이 사실에 근거 물질의 잠재에너지에 대한 식은

(이상용액)

(실제용액)

EX)

에탄올 포함한 실제용액인 물상과 벤젠상이 평형상태에 있는 경우

이 등호가 성립한다는 것은 

라는 것이다