용액의 총괄성 (colligative properties) - 증기압 내림 (vapor pressure lowering)

 용질 입자가 녹아있는 용액의 물리적 성질은 순수한 용매와 다르다.
하지만 용액의 중요한 네 가지 성질들의 차이를 나타내는 것은 용질 입자의 화학적 성질이 아닌.
입자의 수이다.
 총괄성(colligative properties)이라 부르는 성질은 증기압 내림, 끓는점 오름, 어는점 내림, 삼투압이다.

먼저 가장 간단한 경우인, 이온으로 해리하지 않고 증기압이 없는 용질. 즉, 비휘발성 비전해질인 용질에 대해서 알아보자

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증기압 내림(vapor pressure lowering)
 비휘발성 비전해질 용액의 증기압은 순수한 용매의 증기압보다 항상 낮다.
 증기압 내림(ΔP)을 증발 속도와 응축 속도로 설명하면, 순수한 용매의 일정 온도 평형 상태에서의 두 속도는 같다. 비휘발성 용질을 가하면 표면에 존재하는 용매 분자 수가 감소하여 증발 속도가 감소한다. 평형에 도달하기 위해서는 응축 속도도 감소해야 하며, 그러기 위해서 증기압이 낮아져야 한다. 증기압이 낮아지는 정도를 라울의 법칙(Raoult's law)로 알 수 있다.

 
[식 1. 라울의 법칙]

라울의 법칙은 용매의 증기압( )은 순수한 용매의 증기압()에 용매의 몰분율()을 곱한 것과 같다.

몰분율(mole fraction, X)이란
총 몰수에 대한 용질의 몰수의 비이다.
몰 백분율은 몰분율에 백을 곱한 것이다.

몰분율 = 용질의 양(몰수) / [용질의 양(몰수)+용매의 양(몰수)]

몰백분율(mol %) = 몰분율 Ｘ 100

용액에서의 는 항상 1보다 작으므로 는 보다 항상 작다. 이 라울의 법칙을 따르는 용액을 이상 용액(ideal solution)이라 한다. 그러나 대부분 이상성에 벗어난다. 실제로 라울의 법칙은 묽은 용액에 대해 근사일 뿐이며, 무한히 묽은 용액에서는 정확하게 맞는다.

 용질의 양이 증기압 내림, ΔP의 크기에 어떤 영향을 미치는지 알아보자. 용액은 용매와 용질로 이루어져 있으므로 몰분율의 합은 1이다.

  이므로,

그리고 라울의 법칙에 의해

 

우변을 곱하면

 

식을 정리하고 ΔP를 넣으면

 

따라서 ΔP의 크기는 순수한 용매의 증기압에 용질의 몰분율을 곱한 것과 같다.

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용어 설명
solvent : 용매
solute : 용질