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묽은 용액의 성질

설탕을 물에 녹였을 때, 설탕의 양이 적은 묽은 용액의 경우는 겉으로 보기에는 물과 조금도 다르지 않다. 그러나 설탕을 많이 녹이면 시럽 상태가 되어 끈적끈적해진다. 이와 같이, 용액은 묽을 때와 진할 때 그 성질이 달라진다. 묽은 용액에 대해서는 지금까지 많이 연구되어 용질의 종류가 달라도 공통적인 성질을 나타내는 것으로 알려져 있다. 그 중 대표적인 성질을 알아보기로 한다.

증기압 내림과 라울의 법칙

밀폐된 용기 속에서 일어나는 액체의 증발을 생각하여 보자. 용기 속의 액체는 처음 어느 정도 증발하다가, 일정한 온도에 이르러서는 증발이 정지되고 증기와 액체 사이에 평형이 이루어진다. 용매의 액체면에서 빠져 나가는 입자의 수와 증기로부터 액체면으로 들어오는 입자의 수가 같아졌을 때가 동적 평형 상태이고, 이때의 증기 압력이 포화 증기압이다. 이 용액에 비휘발성 용질을 녹이면 증기압이 내려간다. 용매에 비휘발성 용질이 녹아 들어가면 이 용질이 방해함으로써 용매에서 나오는 입자의 수가 감소하고, 새로운 평형에 도달했을 때는 증기의 입자가 감소하며 증기압이 내려간다. 이렇게 생각하면, 증기압이 내려가는 것은 비휘발성 용질의 입자가 많을수록 커지고 용질의 종류와는 관계가 없는 것처럼 보인다. 프랑스의 물리 화학자인 라울은 1888년에 이러한 사실을 실험적으로 얻어내고, 다음과 같은 결론을 내렸다. 1. 일정한 부피의 액체에 비휘발성 용질을 녹였을 때, 이 용질의 몰수가 같으면 용질의 종류에 관계없이 증기압 내림은 같다. 2. 두 가지 액체가 섞여 있을 경우의 각 성분의 증기 압력은 혼합물에서의 그 성분입자의 존재비율, 즉 각 성분의 몰분율과 그의 순수한 상태에서의 증기 압력에 정비례한다. 이것을 '라울의 법칙'이라고 한다.

어는점 내림

－點－ 액체의 어는점은 고체와 액체와 기체가 평형 상태를 유지하고 있는 온도이며, 액체의 증기압 곡선과 고체의 증기압 곡선이 교차하는 점이다. 그리하여 용매의 증기압보다 용액의 증기압이 낮아지면 용액의 증기압 곡선의 교차점이 낮아진다. 바닷물이 민물보다 잘 얼지 않는 것도 이와 같은 사실 때문이며 실험적으로도 용매의 어는점보다 용액의 어는점이 낮아지며, 그 관계는 끓는점 오름의 경우와 같다는 것을 알 수 있다. 1㎏의 용매에 용질 1몰을 녹였을 때의 어는점 내림을 몰 어는점 내림이라고 하는데, 이 값은 용매에 따라 결정되고 용질의 종류와는 관계가 없다. 몰 어는점 내림을 D, 1㎏의 용매에 mg의 용질을 녹였을 때의 어는점 내림을 d라고 하면 위에서 말한 끓는점 오름과 용질의 분자량 사이의 관계식과 똑같은 식이 성립되어 용질의 분자량을 구할 수 있다. 이와 같은, 관계는 용매에 비해서 용질의 양이 적은 묽은 용액, 즉 이상 용액에서 잘 성립되고 진한 용액에서는 성립되지 않는다. 또, 용질이 비전해질인 경우에는 용액 속에서 입자의 수에 변화가 없지만 전해질인 경우에는 이온으로 분리하기 때문에 입자수가 증가한다. 예를 들면, 염화나트륨(NaCI)은 나트륨 이온과 염화 이온으로 이온화하기 때문에 염화나트륨 자체는 하나이지만 이론적으로는 2가지가 된다. 이 때문에 염화나트륨 1몰이 완전히 이온화하면 용질 입자의 몰수가 2몰의 효과를 나타내게 되어 이온이 되지 않는 설탕에 비해서 끓는점 오름이나 어는점 내림은 약 2배가 된다.