Chapter 12

용액의 성질

바닷물, 혈액, 탄산음료, 합금 — 우리 주변의 물질은 대부분 순물질이 아니라 용액이다. 용액은 녹아 있는 입자의 종류와 상관없이 개수에만 의존하는 독특한 성질을 보인다. 바닷물이 0 °C에서 얼지 않고, 겨울 도로에 소금을 뿌리며, 적혈구를 증류수에 넣으면 터지는 이유가 모두 같은 원리에서 나온다. 이 장에서는 물질이 왜 녹는지에서 출발해 농도를 표현하는 여러 방법을 익히고, 증기압 내림·끓는점 오름·어는점 내림·삼투압이라는 네 가지 총괄성을 정량적으로 다룬다. 아래에서는 소금 결정이 물속에서 녹고 있다. 모서리의 이온부터 물 분자에 붙잡혀 떨어져 나간다.

물속을 끌어 저어 주고, 결정이 다 녹으면 눌러서 새 결정을 넣는다

용해 과정을 용질–용질, 용매–용매, 용질–용매 상호작용과 엔트로피로 설명한다.
온도와 압력이 고체·기체의 용해도에 미치는 영향을 설명하고 헨리 법칙으로 기체 용해도를 계산한다.
질량 %, ppm, 몰분율, 몰농도, 몰랄농도를 정의하고 서로 환산한다.
라울 법칙으로 용액의 증기압과 증기 조성을 구하고, 이상 용액에서 벗어나는 경우를 설명한다.
끓는점 오름, 어는점 내림, 삼투압을 계산하고 이를 이용해 몰 질량을 결정한다.
반트호프 인자로 전해질 용액의 총괄성을 다루고, 콜로이드의 특징을 설명한다.

용해 과정

용액(solution)은 두 가지 이상의 물질이 분자 수준에서 고르게 섞인 균일 혼합물이다. 양이 많은 성분을 용매(solvent), 녹아 있는 성분을 용질(solute)이라 한다. 용질이 녹으려면 세 가지 일이 일어나야 한다.

용질 입자 떼어 놓기 ($\Delta H_1 > 0$): 용질–용질 인력을 끊는다. 이온 결정이면 격자 에너지만큼.
용매에 자리 만들기 ($\Delta H_2 > 0$): 용매–용매 인력(물이라면 수소 결합)을 일부 끊는다.
용질과 용매 섞기 ($\Delta H_3 < 0$): 용질–용매 인력이 생기며 에너지를 방출한다. 용매가 물이면 이 과정을 수화(hydration), 일반적으로는 용매화(solvation)라 한다.

$$\Delta H_\text{soln} = \Delta H_1 + \Delta H_2 + \Delta H_3$$

$\Delta H_\text{soln}$은 양수(흡열: 질산 암모늄 냉찜질 팩, +25.7 kJ/mol)일 수도, 음수(발열: 염화 칼슘, −82.8 kJ/mol)일 수도 있다.

염

MINI LAB왼쪽은 용해의 에너지 도표다. 이온을 떼어 내는 데 격자 에너지만큼 올라가고(ΔH₁ + ΔH₂), 수화로 내려온다(ΔH₃). 흰 손잡이로 수화 엔탈피를 끌어 바꿔 보라. 오른쪽 온도계는 이 염 10.0 g을 25 °C 물 100 g에 녹였을 때의 온도다(용액 비열 4.18 J/(g·K)으로 근사). 격자 에너지와 수화 엔탈피는 둘 다 수백–수천 kJ/mol인데, ΔH_soln은 그 작은 차이다.

용해 엔탈피를 세 단계로 나눈 헤스 경로. 끊는 인력(ΔH₁ + ΔH₂)과 새로 생기는 인력(ΔH₃)의 차이가 ΔH_soln이다. 실제 용액 속에서 이 단계가 차례로 일어나는 것은 아니지만, 상태 함수이므로 경로를 이렇게 나눠도 된다.

흡열 용해도 저절로 일어나는 이유는 무엇일까? 섞이면 입자가 배열될 수 있는 방법의 수, 즉 엔트로피(entropy)가 커지기 때문이다(17장). 자연은 에너지를 낮추는 방향과 무질서도를 높이는 방향을 함께 따르고, 이상 기체 두 가지가 $\Delta H = 0$으로도 저절로 섞이는 것은 순수하게 엔트로피 덕분이다. 반대로 $\Delta H_\text{soln}$이 아주 크게 양수이면 엔트로피 증가로도 보상하지 못해 녹지 않는다. 기름과 물이 그렇다. 물의 수소 결합을 끊는 데 드는 에너지($\Delta H_2$)를 기름 분자와의 약한 분산력($\Delta H_3$)이 갚아 주지 못한다.

수화된 이온. 이온–쌍극자 힘(11장)으로 물 분자가 이온을 둘러싸 껍질을 만든다. 이 수화 엔탈피(ΔH₃에 해당)가 격자 에너지를 거의 상쇄하기 때문에 NaCl의 ΔH_soln은 +3.9 kJ/mol에 불과하다.

결정 표면, 특히 모서리와 꼭짓점의 이온은 이웃 이온이 적어 덜 단단히 붙들려 있다. 물 분자는 끊임없이 표면에 부딪힌다.
물 분자가 방향을 잡는다: Na⁺에는 O(δ−) 쪽을, Cl⁻에는 H(δ+) 쪽을 들이댄다(이온–쌍극자 힘).
물 분자 여러 개의 인력이 결정 속 인력을 이기면 이온이 떨어져 나오며 물 껍질을 두른다.
완전히 수화된 Na⁺(aq), Cl⁻(aq)이 용액 속으로 퍼진다. 결정은 같은 과정을 되풀이하며 작아진다.

이온 결정이 녹는 과정. 장 머리의 애니메이션이 같은 과정을 연속으로 보여 준다.

끼리끼리 녹는다

"Like dissolves like" — 분자 간 힘의 종류가 비슷한 물질끼리 잘 섞인다. 극성·수소 결합 물질(에탄올, 설탕, 아세트산)은 물에, 무극성 물질(헥세인, 아이오딘, 기름)은 무극성 용매에 녹는다. 알코올 CₙH₂ₙ₊₁OH에서 탄소 사슬이 길어질수록(무극성 부분이 커질수록) 물에 대한 용해도가 급격히 줄어든다: 메탄올·에탄올·프로판올은 무한히 섞이지만 헥산올은 0.6 g/100 g에 불과하다. 서로 어떤 비율로든 섞이는 두 액체를 완전 혼화성(miscible)이라 한다.

포화, 용해도, 헨리 법칙

고체 용질을 계속 넣으면 어느 순간 더 녹지 않는다. 녹는 속도와 석출되는 속도가 같아진 이 동적 평형 상태를 포화 용액(saturated solution), 그때의 농도를 용해도(solubility)라 한다. 용해도보다 적게 녹아 있으면 불포화, 뜨거운 포화 용액을 조심스럽게 식혀 용해도보다 많이 녹아 있으면 과포화(supersaturated)다. 과포화 용액은 불안정해 작은 결정 하나만 넣어도 초과분이 한꺼번에 석출된다(손난로의 아세트산 소듐).

몇 가지 염의 용해도 곡선(근삿값). 대부분 고체는 온도가 오르면 더 많이 녹지만(KNO₃가 극적이다), NaCl은 거의 변하지 않고 Li₂SO₄는 오히려 줄어든다. 곡선 위의 점은 포화, 아래는 불포화 상태다. 60 °C 포화 KNO₃ 용액을 20 °C로 식히면 물 100 g당 약 78 g이 결정으로 석출된다 — 재결정법의 원리다.

SIMULATOR

용해도 곡선 위의 점: 포화·불포화·과포화와 재결정 도전

흰 점을 끌어 온도와 녹아 있는 양을 정한다

염

상태—

용해도 (이 온도)—

석출된 결정—

도전 목표—

물 100 g 기준. 점이 곡선 아래면 불포화, 곡선 위면 과포화다(조용히 식히면 곡선을 넘어서도 결정이 생기지 않을 수 있다). ‘씨결정 넣기’를 누르면 초과분이 곧바로 석출되어 점이 곡선으로 떨어진다. 해볼 것: ① 60 °C 포화 KNO₃(곡선 위의 점)를 20 °C까지 ‘천천히 식히기’한 뒤 씨결정을 넣어 약 78 g이 석출되는지 보라. ② NaCl로 같은 일을 하면 거의 석출되지 않는다 — NaCl은 재결정보다 증발로 얻는다. ③ ‘재결정 도전’: 목표 질량(±3 g)만큼 결정을 얻어라.

기체의 용해도와 헨리 법칙

기체는 반대로 온도가 오르면 덜 녹는다. 기체가 녹는 과정은 거의 언제나 발열이고, 녹은 분자가 열운동으로 빠져나가기 쉬워지기 때문이다. 따뜻한 탄산음료가 김이 빨리 빠지고, 발전소의 온배수가 강물의 산소를 줄여 물고기를 위협하는 이유다.

온도

MINI LAB밀봉한 병 속 CO₂ 분압은 약 3 atm이다. 뚜껑을 열면 분압이 떨어져 녹을 수 있는 양(헨리 법칙)이 갑자기 줄고, 녹아 있던 CO₂(점)가 과포화 상태가 되어 거품으로 빠져나온다. 따뜻할수록, 흔들수록 거품이 빨리 생긴다. 뚜껑을 다시 닫으면 머리 공간에 기체가 쌓이며 새 평형으로 간다.

압력은 고체·액체의 용해도에는 거의 영향이 없지만 기체의 용해도는 그 기체의 분압에 정비례한다. 용액 위 기체 분자가 많을수록 액면에 부딪혀 녹아드는 분자도 많기 때문이다.

헨리 법칙 $$S_g = k_H\,P_g$$

$S_g$: 기체의 용해도(보통 mol/L), $P_g$: 용액 위 그 기체의 분압, $k_H$: 헨리 법칙 상수(Henry's law constant)로 기체·용매·온도에 따라 다르다. 25 °C 물에서 CO₂ 3.4×10⁻², O₂ 1.3×10⁻³, N₂ 6.4×10⁻⁴ mol/(L·atm).

잠수부가 수심 30에 있으면 전체 압력은 약 (바닷물 10 m마다 약 1 atm), 공기 속 N₂(몰분율 0.78)의 분압은 다. 혈액(물로 근사, $k_H = 6.4\times10^{-4}$ mol/(L·atm))에는 N₂가 녹는다 — 수면의 배다. 갑자기 수면으로 올라오면 혈액 1 L마다 남는 N₂가 37 °C, 1 atm에서 의 기체가 된다.

병 속 CO₂ 분압을 2 atm에서 4 atm으로 두 배 올리면(온도 일정) 녹아 있는 CO₂의 농도는?

헨리 법칙 $S = k_HP$: 액면에 부딪히는 기체 분자 수가 분압에 비례하므로 녹아드는 속도도 비례하고, 평형 농도도 비례한다. 아래 그래프의 점을 끌어 직선을 따라 움직여 보라.

SIMULATOR

헨리 법칙: 탄산음료 속 CO₂

오른쪽 그래프의 흰 점을 끌어 분압을 바꾼다

기체

기체 분압 P 온도 T

k_H(T)—

용해도 S—

질량 농도—

공기와 평형일 때—

$k_H$의 온도 의존성은 $k_H(T) = k_H(298)\exp[C(1/T - 1/298.15)]$로 근사했다($C$: CO₂ 2400 K, O₂ 1500 K, N₂ 1600 K). 해볼 것: ① 압력을 두 배로 하면 용해도가 정확히 두 배가 되는가? ② 25 °C와 5 °C의 $k_H$를 비교하라 — 차가운 콜라가 왜 더 톡 쏘는가? ③ ‘뚜껑 열기’를 누르면 분압이 대기 중 CO₂ 분압(약 4×10⁻⁴ atm)으로 떨어진다. 녹아 있던 CO₂의 몇 %가 결국 빠져나가야 하는가?

25 °C에서 CO₂ 분압 3.0 atm으로 밀봉한 탄산음료 속 CO₂의 농도는? 병을 열어 대기 중 CO₂ 분압(4.0×10⁻⁴ atm)과 평형에 이르면 농도는 얼마가 되는가? $k_H = 3.4\times10^{-2}$ mol/(L·atm).

풀이 보기

전략 헨리 법칙 $S = k_HP$를 두 압력에 각각 적용한다.

풀이 밀봉: $S = (3.4\times10^{-2})(3.0) = 0.10$ mol/L. 개봉 후: $S = (3.4\times10^{-2})(4.0\times10^{-4}) = 1.4\times10^{-5}$ mol/L.

밀봉 0.10 M, 개봉 후 평형 1.4 × 10⁻⁵ M

검토 분압이 7500배 줄었으니 농도도 7500배 준다. 녹아 있던 CO₂의 99.99%가 결국 빠져나간다 — 김빠진 콜라. 잠수부의 감압병도 같은 원리로, 깊은 물속 고압에서 혈액에 녹은 N₂가 급히 올라오면 거품이 된다.

농도 단위

4장에서는 몰농도만 썼다. 그러나 몰농도는 온도에 따라 용액 부피가 변하면 값이 바뀐다. 총괄성처럼 온도를 바꾸는 실험에는 질량만으로 정의된 단위가 필요하다.

단위	정의	특징 · 쓰임
질량 백분율 (질량 %)	$\dfrac{\text{용질 질량}}{\text{용액 질량}}\times100$	상업·일상 표기(생리 식염수 0.9%)
ppm, ppb	$\dfrac{\text{용질 질량}}{\text{용액 질량}}\times10^{6}\ (10^{9})$	미량 성분. 묽은 수용액에서 1 ppm ≈ 1 mg/L
몰분율 $x_A$	$\dfrac{n_A}{n_\text{전체}}$	단위 없음, 합 = 1. 라울 법칙·기체 혼합물
몰농도 $M$	$\dfrac{\text{용질 mol}}{\text{용액 L}}$	부피로 재기 편함. 온도에 따라 변함. 삼투압
몰랄농도 $m$	$\dfrac{\text{용질 mol}}{\text{용매 kg}}$	온도와 무관. 끓는점 오름·어는점 내림

몰농도와 몰랄농도를 혼동하지 말 것

분모가 몰농도는 용액의 부피(L), 몰랄농도는 용매의 질량(kg)이다. 둘 사이를 바꾸려면 용액의 밀도가 필요하다. 묽은 수용액에서는 용액 1 L ≈ 물 1 kg이라 두 값이 거의 같지만, 진한 용액에서는 크게 다르다.

환산 요령: 기준량을 정하라

세기 성질인 농도는 양에 무관하므로 계산하기 쉬운 양을 가정한다. 질량 %가 주어지면 용액 100 g, 몰랄농도면 용매 1 kg, 몰농도면 용액 1 L, 몰분율이면 전체 1 mol. 그다음 용질·용매의 질량과 몰수를 모두 채운 뒤 원하는 정의에 대입한다.

에틸렌 글라이콜(C₂H₆O₂, 62.07 g/mol) 25.0 질량 % 수용액의 밀도는 1.031 g/mL이다. 이 용액의 몰랄농도, 에틸렌 글라이콜의 몰분율, 몰농도를 구하라.

풀이 보기

전략 용액 100.0 g을 기준으로 잡는다: 용질 25.0 g, 물 75.0 g. 부피는 밀도로 구한다.

풀이 $n_\text{EG} = 25.0/62.07 = 0.4028$ mol, $n_{\ce{H2O}} = 75.0/18.02 = 4.163$ mol. $$m = \frac{0.4028}{0.0750\ \text{kg}} = 5.37\ m,\quad x_\text{EG} = \frac{0.4028}{0.4028 + 4.163} = 0.0882,\quad M = \frac{0.4028}{(100.0/1.031)\times10^{-3}\ \text{L}} = 4.15\ M$$

5.37 m, x = 0.0882, 4.15 M

검토 진한 용액이라 몰랄농도(5.37)와 몰농도(4.15)가 꽤 다르다. 몰분율은 0.09로 작다 — 물 분자가 훨씬 가볍고 많기 때문이다.

에틸렌 글라이콜(62.07 g/mol) 25.0을 물 75에 녹인 용액의 밀도가 1.031이면 질량 % = , 몰랄농도 = , 몰분율 = , 몰농도 = 이다.

라울 법칙과 증기압 내림

순수한 용매에 비휘발성 용질을 녹이면 용액의 증기압은 순수한 용매보다 낮아진다. 표면의 일부를 용질 입자가 차지해 증발할 수 있는 용매 분자의 비율이 줄어들고, 섞임으로써 생긴 엔트로피 때문에 용매가 용액에 머무르려는 경향이 커지기 때문이다.

라울 법칙 $$P_A = x_A\,P_A^\circ$$

용액 위 성분 A의 증기 분압은 용액 속 A의 몰분율 × 순수한 A의 증기압이다. 모든 농도에서 라울 법칙을 따르는 용액을 이상 용액(ideal solution)이라 한다. 비휘발성 용질이 녹아 있을 때 증기압 내림은 $\Delta P = x_\text{용질}P_\text{용매}^\circ$로, 용질 입자의 몰분율에만 의존한다.

순수한 용매: 표면의 모든 자리가 용매 분자다. 빠른 분자는 어느 자리에서나 증발할 수 있다.
비휘발성 용질(주황)을 녹이면 표면 자리의 일부(여기서 10개 중 3개)를 용질이 차지한다. 증발 속도는 표면의 용매 비율만큼 줄어든다.
응축 속도는 증기 분자 수에 비례하므로, 증기 분자가 더 적은 상태에서 다시 평형에 이른다.
평형 증기압은 용매의 몰분율에 비례한다: $P = x_\text{용매}P^\circ$ — 라울 법칙.

라울 법칙의 분자적 그림(단순화한 모형). 실제로는 엔트로피의 효과도 같은 결론을 준다.

오른쪽 용액의 용질 몰분율

MINI LAB같은 온도의 밀폐 용기 두 개. 왼쪽은 순수한 물, 오른쪽은 비휘발성 용질(주황)을 녹인 용액이다. 오른쪽은 표면 자리 일부를 용질이 막아 증발이 느리고, 평형 증기 분자 수가 $x_\text{용매}$배로 줄어든다. 수십 초 평균을 비교해 보라.

25 °C에서 포도당(C₆H₁₂O₆, 180.16 g/mol) 100.0 g을 물 500.0 g에 녹였다. 이 용액의 증기압은? 25 °C 물의 증기압은 23.76 torr이다.

풀이 보기

전략 포도당은 비휘발성 비전해질 → 용액의 증기압은 물의 분압뿐이다. $P = x_{\ce{H2O}}P^\circ_{\ce{H2O}}$.

풀이 $n_{\ce{H2O}} = 500.0/18.015 = 27.75$ mol, $n_\text{포도당} = 100.0/180.16 = 0.5551$ mol. $x_{\ce{H2O}} = 27.75/28.31 = 0.9804$. $$P = 0.9804\times23.76 = 23.29\ \text{torr}$$

P ≈ 23.3 torr (ΔP = 0.466 torr)

검토 용질 질량이 꽤 크지만 몰분율로는 2%뿐이라 증기압이 2% 내려간다.

두 성분이 모두 휘발성이면 두 성분 모두 라울 법칙을 따르고, 전체 증기압은 분압의 합이다(돌턴 법칙). 증기 속 몰분율은 $y_A = P_A/P_\text{전체}$이며, 증기는 액체보다 더 휘발성인 성분이 풍부하다. 이 증기를 다시 응축·증발시키기를 되풀이하는 것이 분별 증류(fractional distillation)로, 원유 정제의 기본 원리다.

$$P_\text{전체} = x_AP_A^\circ + x_BP_B^\circ, \qquad y_A = \frac{x_AP_A^\circ}{P_\text{전체}}$$

벤젠(25 °C 증기압 95 torr)과 톨루엔(28 torr)을 같은 몰수로 섞은 액체 위의 증기에서 벤젠의 몰분율은?

$P_\text{벤젠} = 0.5\times95.1 = 47.6$, $P_\text{톨루엔} = 0.5\times28.4 = 14.2$ torr → $y = 47.6/61.8 = 0.77$. 증기에는 휘발성이 큰 성분이 더 많다. 아래 그래프에서 점을 x = 0.5로 끌어 확인하라.

SIMULATOR

2성분 용액의 증기압 도표

빨간 점을 좌우로 끈다

용액 액체 속 A의 몰분율 비이상성 매개변수 A 증기 조성 곡선(이슬 곡선) 표시

P_A—

P_B—

P_전체—

증기 속 y_A—

A는 앞에 쓴 성분(더 휘발성)이다. 비이상성은 한 매개변수 마굴레스 모형 $P_A = x_A\gamma_AP_A^\circ,\ \gamma_A = e^{A x_B^2}$으로 나타냈다(증기압은 근삿값). 해볼 것: ① 벤젠–톨루엔에서 $x_A = 0.40$일 때 증기 속 벤젠은 몇 %인가? 증기가 더 휘발성 성분 쪽으로 쏠리는 것을 확인하라. ② A를 양수로 하면(A–B 인력이 A–A, B–B보다 약함) 증기압이 라울 직선보다 위로 부풀고, 음수로 하면(A–B 인력이 더 강함, 예: 아세톤–클로로폼의 C–H⋯O 수소 결합) 아래로 처진다. ③ 양의 편차가 크면 전체 증기압 곡선에 극대가 생긴다 — 그 조성에서는 액체와 증기의 조성이 같아(공비 혼합물) 증류로 분리할 수 없다.

25 °C에서 벤젠 1.00 mol과 톨루엔 2.00 mol을 섞은 이상 용액이 있다. 벤젠과 톨루엔의 분압, 전체 증기압, 증기 속 벤젠의 몰분율을 구하라. 25 °C 증기압: 벤젠 95.1 torr, 톨루엔 28.4 torr.

풀이 보기

전략 각 성분에 라울 법칙을 적용하고 분압을 더한다. 증기 조성은 분압의 비.

풀이 $x_\text{벤젠} = 1/3$. $P_\text{벤젠} = (1/3)(95.1) = 31.7$ torr, $P_\text{톨루엔} = (2/3)(28.4) = 18.9$ torr, $P_\text{전체} = 50.6$ torr. $y_\text{벤젠} = 31.7/50.6 = 0.626$.

31.7 torr, 18.9 torr, 50.6 torr, y(벤젠) = 0.626

검토 액체에서 33%인 벤젠이 증기에서는 63%다. 증기를 모아 응축하면 벤젠이 풍부해진다.

끓는점 오름과 어는점 내림

비휘발성 용질이 증기압을 낮추면, 증기압이 1 atm에 이르려면 더 높은 온도가 필요하다 — 끓는점 오름(boiling-point elevation). 또 용액이 얼 때는 대개 순수한 용매만 고체로 석출되므로, 용액의 증기압 곡선이 고체의 승화 곡선과 만나는 점(용액의 "삼중점")이 더 낮은 온도로 옮겨 간다 — 어는점 내림(freezing-point depression). 묽은 용액에서 두 효과 모두 용질 입자의 몰랄농도에 비례한다.

$$\Delta T_b = i\,K_b\,m, \qquad \Delta T_f = i\,K_f\,m$$

$K_b, K_f$: 용매마다 정해진 몰랄 끓는점 오름 상수·어는점 내림 상수(°C/m), $m$: 몰랄농도, $i$: 반트호프 인자(비전해질은 1, 7절). $\Delta T$는 양수로 쓴다: 용액의 끓는점은 $T_b^\circ + \Delta T_b$, 어는점은 $T_f^\circ - \Delta T_f$.

용매	정상 끓는점 (°C)	K_b (°C/m)	어는점 (°C)	K_f (°C/m)
물, H₂O	100.0	0.512	0.0	1.86
벤젠, C₆H₆	80.1	2.53	5.5	5.12
에탄올, C₂H₅OH	78.4	1.22	−114.6	1.99
사염화 탄소, CCl₄	76.8	5.02	−22.3	29.8
클로로폼, CHCl₃	61.2	3.63	−63.5	4.68

K_b는 어디서 오나

라울 법칙 $\ln x_\text{용매} \approx -x_\text{용질}$과 클라우지우스–클레이페롱 식을 결합하면 $\Delta T_b \approx \dfrac{RT_b^2}{\Delta H_\text{vap}}x_\text{용질}$이다. 묽은 용액에서 $x_\text{용질} \approx mM_\text{용매}/1000$이므로 $K_b = \dfrac{RT_b^2M_\text{용매}}{1000\,\Delta H_\text{vap}}$. 물: $\dfrac{(8.314)(373.15)^2(18.02)}{1000(40\,700)} = 0.512$. 같은 방법으로 $K_f = RT_f^2M_\text{용매}/(1000\,\Delta H_\text{fus})$ — 아래 시뮬레이터의 상평형 그림은 이 관계로 그렸다.

끓는점 100.0, $\Delta H_\text{vap}$ = 40.7, 몰 질량 18.02인 용매의 $K_b = RT_b^2M/(1000\,\Delta H_\text{vap})$ = 이다. 이 용매 1 kg에 비전해질 1 mol을 녹이면 끓는점이 가 된다.

물 250 g에 포도당(180 g/mol) 20 g을 녹인 용액과 설탕(342 g/mol) 20 g을 녹인 용액 중 어는점이 더 낮은 것은?

총괄성은 입자 수에 의존한다. 같은 20 g이면 몰 질량이 작은 포도당이 0.111 mol로 설탕(0.0584 mol)의 약 1.9배 → $\Delta T_f$도 1.9배(0.83 °C vs 0.43 °C). 아래 계산기로 확인하라.

SIMULATOR

총괄성 계산기와 상평형 그림의 이동

용매 용질 용질 질량 용매 질량 반트호프 인자 i 그림의 이동량 ×10 과장

몰랄농도 m—

ΔT_b → 끓는점—

ΔT_f → 어는점—

삼투압 Π (25 °C)—

용매 몰분율—

실선은 순수한 용매, 점선은 용액의 상평형 그림이다(압력은 로그 눈금). 용액의 증기압 곡선은 라울 법칙으로 $x_\text{용매}$배 내려가고, 승화 곡선(순수한 고체 용매)은 그대로다. 삼투압은 용액 부피 ≈ 용매 부피로 근사한 몰농도로 계산했다. 해볼 것: ① 같은 질량(20 g)의 포도당과 설탕을 비교하라 — 몰 질량이 작을수록 효과가 크다. ② NaCl을 고르고 i를 2에서 1.9로 바꿔 보라(실제 이온쌍 형성). ③ 같은 용질을 물과 사염화 탄소에 녹여 ΔT_f를 비교하라. K_f가 큰 용매는 몰 질량 측정에 유리하다. ④ 삼투압은 같은 용액에서 ΔT보다 훨씬 측정하기 쉬운 크기임을 확인하라.

에틸렌 글라이콜(C₂H₆O₂, 62.07 g/mol) 250. g을 물 1.000 kg에 녹인 용액의 어는점과 끓는점은?

풀이 보기

전략 비휘발성 비전해질($i = 1$). 몰랄농도를 구해 $K_f, K_b$를 곱한다.

풀이 $m = (250./62.07)/1.000 = 4.028\ m$. $\Delta T_f = (1.86)(4.028) = 7.49$ °C, $\Delta T_b = (0.512)(4.028) = 2.06$ °C.

어는점 −7.49 °C, 끓는점 102.06 °C

검토 부동액은 겨울에는 어는점을 낮추고 여름에는 끓는점을 높여 냉각수를 보호한다. $K_f > K_b$이므로 어는점 효과가 더 크다. 이렇게 진한 용액에서는 식이 근사적이다.

미지의 비휘발성 비전해질 1.20 g을 벤젠 50.0 g에 녹였더니 어는점이 0.958 °C 내려갔다. 이 물질의 몰 질량은? 벤젠의 $K_f = 5.12$ °C/m.

풀이 보기

전략 $\Delta T_f$ → 몰랄농도 → 용질 몰수 → $M = \text{질량}/\text{몰수}$.

풀이 $m = 0.958/5.12 = 0.1871\ m$, $n = (0.1871)(0.0500\ \text{kg}) = 9.355\times10^{-3}$ mol. $$M = \frac{1.20\ \text{g}}{9.355\times10^{-3}\ \text{mol}} = 128\ \text{g/mol}$$

M ≈ 128 g/mol

검토 나프탈렌 C₁₀H₈(128.17 g/mol)과 일치한다. 1 °C 정도의 온도 차는 정밀 온도계로 0.01 °C까지 잴 수 있어 이 방법이 실용적이다.

온도 용질 몰랄농도

MINI LAB왼쪽 얼음 결정과 오른쪽 액체가 맞닿아 있다. 물 분자는 끊임없이 얼음에 붙고(어는 속도) 떨어진다(녹는 속도). 용질 입자(주황)는 얼음 격자에 들어가지 못하고 경계면의 자리를 막아 어는 속도만 줄인다. 그래서 더 낮은 온도가 되어야 두 속도가 같아진다 — 어는점 내림 $\Delta T_f = K_fm$. 경계면이 멈추는 온도를 찾아보라.

CHALLENGE

부동액 맞히기: 이번 겨울의 최저 기온을 버텨라

주전자 손잡이를 위아래로 끌어 넣을 양을 정한다

계산 과정 보기

이번 지역 최저 기온—

에틸렌 글라이콜—

냉각수 어는점—

결과—

냉각수의 물은 5.00 kg이다. 에틸렌 글라이콜(C₂H₆O₂, 62.07 g/mol)은 비휘발성 비전해질로 보고 $\Delta T_f = K_fm$($K_f$ = 1.86 °C/m)를 그대로 쓴다(진한 용액에서는 근사). 성공 조건: 어는점이 최저 기온보다 낮되, 2 °C 넘게 낮으면 부동액 낭비로 본다. 해볼 것: ① 넣기 전에 손으로 계산하라: $m = \Delta T/K_f$ → mol → g. ② 같은 냉각수의 끓는점은 얼마나 오르는가($K_b$ = 0.512)?

삼투압

용매 분자는 통과시키지만 용질 입자는 막는 막을 반투막(semipermeable membrane)이라 한다(셀로판, 세포막). 반투막을 사이에 두고 농도가 다른 용액이 있으면, 용매가 묽은 쪽에서 진한 쪽으로 알짜 이동한다. 이것이 삼투(osmosis)다. 진한 쪽에 압력을 가해 삼투를 정확히 멈추게 하는 압력이 삼투압(osmotic pressure) $\Pi$이다.

$$\Pi = i\,M\,R\,T$$

$M$: 몰농도(mol/L), $R = 0.08206$ L·atm/(mol·K), $T$: 켈빈. 이상 기체 방정식 $P = (n/V)RT$와 같은 모양이다 — 묽은 용액 속 용질 입자는 기체 분자처럼 행동한다.

오른쪽 용질 입자

MINI LAB가운데 점선이 반투막이다. 작은 물 분자(파랑)는 막의 구멍을 지나가지만 큰 용질 입자(주황)는 튕겨 나온다. 오른쪽에서는 용질이 막 쪽 자리를 일부 차지해 물이 왼쪽으로 덜 건너가므로, 물이 오른쪽으로 알짜 이동하고 수면이 올라간다. 수면 차가 만드는 압력이 물을 되밀어 결국 두 흐름이 같아진다 — 그 압력 차가 삼투압이다.

0.100 용액(반트호프 인자 i = 1.0)의 25에서의 삼투압은 $\Pi = iMRT$ = 로, 물기둥 의 압력과 같다. 같은 용액의 어는점 내림은 겨우 다(묽은 수용액에서 몰랄농도 ≈ 몰농도).

삼투압은 놀랄 만큼 크다. 0.10 M 설탕 용액의 삼투압은 25 °C에서 2.4 atm으로, 물기둥 약 25 m에 해당한다. 그래서 단백질·고분자처럼 몰 질량이 커서 어는점 내림이 너무 작은 물질의 몰 질량을 재는 데 삼투압이 쓰인다. 진한 쪽에 Π보다 큰 압력을 가하면 용매가 거꾸로 흐르는데, 이것이 바닷물을 담수로 만드는 역삼투(reverse osmosis)다.

반투막 왼쪽에는 순수한 물, 오른쪽에는 5 mM 설탕물을 같은 높이로 넣었다. 시간이 지나면?

설탕은 막을 지나지 못한다. 대신 물이 묽은 쪽에서 진한 쪽으로 이동해 농도 차를 줄이려 한다. 5 mM만으로도 평형 수위 차가 1 m를 넘는다 — 아래에서 확인하라.

SIMULATOR

삼투 U자관

오른쪽 관 위의 피스톤 손잡이를 아래로 끌어 압력을 가한다

왼쪽 농도 오른쪽 농도

용질

온도 T 오른쪽에 가한 압력

Π_L / Π_R—

ΔΠ − 가한 압력—

평형 수위 차 h—

용매의 알짜 흐름—

농도 단위는 mmol/L(mM)이다. 평형 수위 차는 $\rho g h = \Delta\Pi$로 계산했고(물이 옮겨 가며 생기는 희석은 무시), 오른쪽 눈금(왼쪽 수면 기준 높이)은 수위 차에 맞춰 자동으로 바뀐다. 해볼 것: ① 양쪽 농도를 같게 하면 알짜 흐름이 0이 된다(등장액). ② 5 mM 설탕만으로도 수위 차가 1 m를 넘는다! ③ 오른쪽에 ΔΠ보다 큰 압력을 가해 물이 거꾸로 흐르게 하라(역삼투).

어떤 단백질 50.0 mg을 물에 녹여 10.0 mL로 만든 용액의 삼투압이 25 °C에서 1.54 torr였다. 단백질의 몰 질량은?

풀이 보기

전략 $\Pi = MRT$($i = 1$)에서 몰농도 → 몰수 → 몰 질량. 압력은 atm으로 바꾼다.

풀이 $\Pi = 1.54/760 = 2.026\times10^{-3}$ atm. $$M = \frac{\Pi}{RT} = \frac{2.026\times10^{-3}}{(0.08206)(298.15)} = 8.28\times10^{-5}\ \text{mol/L}$$ $n = (8.28\times10^{-5})(0.0100) = 8.28\times10^{-7}$ mol, 몰 질량 $= 0.0500/8.28\times10^{-7} = 6.04\times10^4$ g/mol.

약 6.0 × 10⁴ g/mol

검토 같은 용액의 어는점 내림은 $1.86\times8.3\times10^{-5} \approx 1.5\times10^{-4}$ °C로 측정이 불가능하다. 삼투압(물기둥 약 2 cm)은 쉽게 잴 수 있다.

세포와 삼투

혈액의 삼투압은 37 °C에서 약 7.7 atm이다. 같은 삼투압의 용액을 등장액(isotonic)이라 하며, 0.9% NaCl(생리 식염수)과 5% 포도당이 그렇다. 적혈구를 그보다 묽은 저장액에 넣으면 물이 들어가 터지고(용혈), 진한 고장액에 넣으면 물이 빠져 쭈그러든다. 소금에 절인 배추가 숨이 죽는 것도 같은 현상이다.

전해질 용액과 콜로이드

총괄성은 용질 입자의 수에 의존한다. NaCl 1 mol은 물에서 Na⁺ 1 mol과 Cl⁻ 1 mol, 모두 2 mol의 입자를 만드므로 어는점 내림이 같은 몰랄농도의 포도당의 두 배가 되어야 한다. 실제 입자 수의 비를 반트호프 인자(van 't Hoff factor)라 한다.

$$i = \frac{\text{실제 측정한 총괄성}}{\text{비전해질로 가정해 계산한 총괄성}}$$

용질	0.100 m	0.0100 m	0.00100 m	완전 해리 가정
NaCl	1.87	1.94	1.97	2
MgSO₄	1.21	1.53	1.82	2
K₂SO₄	2.32	2.70	2.84	3

실측 $i$는 이상값보다 작고, 농도가 진할수록, 이온의 전하가 클수록 더 작다. 반대 전하를 띤 이온이 서로 붙어 다니는 이온쌍(ion pair)이 생겨 독립된 입자 수가 줄기 때문이다. MgSO₄(2+, 2−)가 NaCl(1+, 1−)보다 크게 벗어나는 것이 그 증거다. 묽어질수록 이온이 멀어져 이상값에 가까워진다. 반대로 아세트산처럼 벤젠 속에서 이량체를 만드는 물질은 $i < 1$(약 0.5)이 된다.

0.10 m NaCl과 0.10 m MgSO₄는 둘 다 이온 2개로 해리한다. 실제로 어는점이 더 낮은 것은?

전하가 ±2인 Mg²⁺와 SO₄²⁻는 서로 강하게 끌어 이온쌍을 만들어 독립된 입자 수가 줄어든다: i = 1.21 vs NaCl 1.87. 아래에서 짝지어 다니는 이온을 직접 보라.

SIMULATOR

반트호프 인자: 해리와 이온쌍

그래프의 점을 끌어 농도 변경

용질

몰랄농도 (로그)

실측 i—

이온쌍 비율—

ΔT_f (실측 i)—

ΔT_f (완전 해리)—

i는 위 표의 실측값을 $\log m$에 대해 보간했다. 왼쪽 그림은 화학식 단위 12개를 그린 것으로, 붙어 다니는 이온쌍은 한 입자로 센다(이온쌍 하나가 입자 수를 1 줄인다고 보고 i_이상 − i로 어림). 해볼 것: ① NaCl과 MgSO₄를 0.1 m에서 비교하라. ② 농도를 0.001 m로 낮추면 모두 이상값에 다가간다. ③ K₂SO₄의 이상값은 3이다.

0.100 m NaCl(실측 $i = 1.87$)과 0.100 m 포도당 수용액의 어는점을 각각 구하라.

풀이 보기

전략 $\Delta T_f = iK_fm$, $K_f = 1.86$ °C/m.

풀이 NaCl: $(1.87)(1.86)(0.100) = 0.348$ °C. 포도당: $(1)(1.86)(0.100) = 0.186$ °C.

NaCl −0.348 °C, 포도당 −0.186 °C

검토 NaCl의 효과는 두 배(0.372 °C)에 조금 못 미친다. 도로에 NaCl보다 CaCl₂(i 이상값 3)를 뿌리면 같은 몰수로 더 낮은 온도까지 얼음을 녹일 수 있다.

콜로이드

입자 지름이 약 1–1000 nm로, 용액(< 1 nm)보다 크고 현탁액(가라앉는 입자)보다 작은 입자가 고르게 퍼진 혼합물을 콜로이드(colloid)라 한다. 콜로이드 입자는 빛을 산란해 빛의 경로가 보이는 틴들 효과(Tyndall effect)를 보이며(안개 속 헤드라이트 빛줄기), 거름종이를 통과하지만 반투막은 통과하지 못한다.

오른쪽 입자 지름

MINI LAB레이저(흰 손잡이를 위아래로 끈다)가 왼쪽 소금물과 오른쪽 콜로이드를 지난다. 이온·분자(< 1 nm)는 빛을 거의 산란하지 않아 빛줄기가 보이지 않지만, 1–1000 nm 입자는 빛을 옆으로 산란해 빛의 길이 드러난다. 작은 입자의 산란 세기는 지름의 6제곱에 비례한다.

분산매 \ 분산질	기체	액체	고체
기체	—	에어로졸: 안개, 구름	에어로졸: 연기, 먼지
액체	거품: 휘핑크림	에멀션: 우유, 마요네즈	졸: 페인트, 혈액
고체	고체 거품: 마시멜로, 스티로폼	고체 에멀션: 버터, 치즈	고체 졸: 루비 유리

물을 분산매로 하는 콜로이드에서, 표면에 극성기를 가져 물과 잘 어울리는 것을 친수성(hydrophilic)(단백질, 녹말), 그렇지 않은 것을 소수성(hydrophobic) 콜로이드라 한다. 소수성 콜로이드는 표면에 흡착된 이온의 전하끼리 반발해 안정하며, 전해질을 넣으면 전하가 가려져 엉겨 가라앉는다(강 하구의 삼각주). 비누와 담즙산 같은 계면 활성제는 한쪽 끝이 극성, 다른 끝이 무극성이라 기름방울을 둘러싸 물에 분산시키는 마이셀(micelle)을 만든다.

마이셀. 비누 분자의 무극성 꼬리는 기름 속에 파묻히고 극성 머리는 바깥의 물을 향한다. 겉이 음전하로 덮인 마이셀끼리는 서로 밀어내 다시 뭉치지 않고, 기름때가 물에 씻겨 나간다.

핵심 정리

$\Delta H_\text{soln} = \Delta H_1 + \Delta H_2 + \Delta H_3$(용질 분리 + 용매 분리 + 용매화). 용해는 엔트로피 증가가 돕고, 분자 간 힘이 비슷할수록 잘 섞인다(끼리끼리).
대부분 고체는 온도가 오르면 더 녹고, 기체는 덜 녹는다. 기체 용해도는 분압에 비례한다: $S_g = k_HP_g$.
질량 %, ppm, 몰분율, 몰농도(mol/L 용액), 몰랄농도(mol/kg 용매). 몰농도 ↔ 몰랄농도 환산에는 밀도가 필요하다.
라울 법칙 $P_A = x_AP_A^\circ$. 증기는 휘발성이 큰 성분이 풍부하다. 인력이 약한 혼합은 양의 편차, 강한 혼합은 음의 편차를 보인다.
총괄성은 입자 수에만 의존한다: $\Delta T_b = iK_bm$, $\Delta T_f = iK_fm$, $\Pi = iMRT$. 측정값으로 몰 질량을 구할 수 있고, 고분자에는 삼투압이 가장 민감하다.
전해질의 실측 반트호프 인자는 이온쌍 때문에 이상값보다 작으며, 묽을수록 이상값에 가깝다.
콜로이드(1–1000 nm 입자)는 틴들 효과를 보이며, 계면 활성제는 마이셀을 만들어 기름을 물에 분산시킨다.

연습문제

답은 유효숫자 3자리 정도로 입력한다. ±1% 이내면 정답으로 처리한다. 지수는 2.5e-3 형식으로 쓴다. 물의 $M = 18.015$ g/mol, $K_b = 0.512$, $K_f = 1.86$ °C/m, $R = 0.08206$ L·atm/(mol·K). 그 밖의 상수는 본문 표를 참고한다.

NaCl 15.0 g을 물 135 g에 녹인 용액의 질량 백분율은? (숫자만 입력)

$15.0/(15.0 + 135)\times100 = 10.0$%. 분모는 용매가 아니라 용액의 질량이다.

요소 CO(NH₂)₂(60.06 g/mol) 5.00 g을 물 250. g에 녹인 용액의 몰랄농도는?

$n = 5.00/60.06 = 0.08325$ mol, $m = 0.08325/0.250 = 0.333\ m$.

물 시료 2.50 kg에 Cu²⁺ 4.0 mg이 들어 있다. Cu²⁺의 농도는 몇 ppm인가?

$(4.0\times10^{-3}\ \text{g})/(2500\ \text{g})\times10^6 = 1.6$ ppm.

2.00 M NaCl 수용액의 밀도가 1.08 g/mL이다. 이 용액의 몰랄농도는? (NaCl 58.44 g/mol)

용액 1.000 L를 기준으로: 용액 질량 1080 g에서 NaCl 질량을 빼면 물의 질량이다.

NaCl $2.00\times58.44 = 116.9$ g, 물 $1080 - 116.9 = 963.1$ g. $m = 2.00/0.9631 = 2.08\ m$.

1.50 m 포도당 수용액에서 포도당의 몰분율은?

물 1 kg = 1000/18.015 = 55.51 mol. $x = 1.50/(1.50 + 55.51) = 0.0263$.

25 °C에서 공기(O₂ 분압 0.21 atm)와 평형을 이룬 물에 녹아 있는 O₂의 농도를 mg/L로 구하라. $k_H = 1.3\times10^{-3}$ mol/(L·atm), O₂ 32.00 g/mol.

$S = (1.3\times10^{-3})(0.21) = 2.73\times10^{-4}$ mol/L → $\times 32.00\times10^3 = 8.74$ mg/L.

글리세롤(C₃H₈O₃, 92.09 g/mol, 비휘발성) 46.0 g을 물 180.0 g에 녹였다. 30 °C에서 이 용액의 증기압은? 30 °C 물의 증기압은 31.82 torr이다.

$n_{\ce{H2O}} = 9.992$, $n_\text{gly} = 0.4995$ mol. $x_{\ce{H2O}} = 9.992/10.49 = 0.9524$. $P = 0.9524\times31.82 = 30.3$ torr.

25 °C에서 벤젠의 몰분율이 0.400인 벤젠–톨루엔 이상 용액의 전체 증기압과 증기 속 벤젠의 몰분율을 구하라. (벤젠 95.1 torr, 톨루엔 28.4 torr)

$P_\text{벤젠} = 0.400\times95.1 = 38.0$, $P_\text{톨루엔} = 0.600\times28.4 = 17.0$ torr. 합 55.1 torr, $y = 38.0/55.1 = 0.691$.

0.200 m 포도당 수용액의 어는점은?

$\Delta T_f = (1.86)(0.200) = 0.372$ °C → 어는점 −0.372 °C.

NaCl 11.7 g을 물 500. g에 녹였다. 완전히 해리한다고 가정하면($i = 2$) 끓는점은 몇 °C 오르는가? (NaCl 58.44 g/mol)

$m = (11.7/58.44)/0.500 = 0.4004\ m$. $\Delta T_b = (2)(0.512)(0.4004) = 0.410$ °C. 국을 끓일 때 소금을 넣어도 끓는점은 거의 변하지 않는다.

비휘발성 비전해질 0.500 g을 벤젠 25.0 g에 녹였더니 어는점이 0.640 °C 내려갔다. 이 물질의 몰 질량은? (벤젠 $K_f = 5.12$ °C/m)

$m = 0.640/5.12 = 0.125\ m$, $n = 0.125\times0.0250 = 3.125\times10^{-3}$ mol, $M = 0.500/3.125\times10^{-3} = 160$ g/mol.

25 °C에서 0.0100 M 설탕 용액과 0.0100 M CaCl₂ 용액(완전 해리 가정)의 삼투압을 각각 구하라.

설탕: $(0.0100)(0.08206)(298.15) = 0.245$ atm. CaCl₂: $i = 3$이므로 $3\times0.245 = 0.734$ atm.

혈액의 삼투압은 37 °C에서 7.7 atm이다. 혈액과 등장인 NaCl 용액을 만들려면 1 L에 NaCl 몇 g을 녹여야 하는가? NaCl의 실측 $i = 1.9$, 58.44 g/mol.

$M = \Pi/(iRT)$, $T = 310.15$ K.

$M = 7.7/[(1.9)(0.08206)(310.15)] = 0.159$ M → $0.159\times58.44 = 9.31$ g/L. 약 0.9%로, 생리 식염수의 농도와 같다.

같은 몰랄농도(0.10 m)의 수용액 중 어는점이 가장 낮은 것은?

어는점 내림은 입자 수에 비례한다. CaCl₂는 이온 3개(Ca²⁺ + 2Cl⁻)로 해리해 $i$가 가장 크다(실측 약 2.7).

잠수부가 전체 압력 4.0 atm인 깊이에서 공기(N₂ 몰분율 0.78)를 마신다. 혈액을 물로 보고 $k_H(\ce{N2}) = 6.4\times10^{-4}$ mol/(L·atm)라 할 때, (a) 혈액 1 L에 녹는 N₂는 몇 mmol인가? (b) 수면(1.0 atm)으로 급히 올라오면 1 L마다 초과된 N₂가 37 °C, 1.0 atm에서 몇 mL의 기체가 되는가?

(b) 초과량 = $k_H\times0.78\times(4.0 - 1.0)$ mol, 부피는 $V = nRT/P$.

(a) $S = (6.4\times10^{-4})(0.78)(4.0) = 2.00\times10^{-3}$ mol/L = 2.00 mmol/L. (b) 초과 $n = (6.4\times10^{-4})(0.78)(3.0) = 1.50\times10^{-3}$ mol, $V = (1.50\times10^{-3})(0.08206)(310.15)/1.0 = 0.0381$ L = 38.1 mL. 혈관 속에서 이만한 거품이 생기면 위험하다(감압병).

0.100 m K₂SO₄ 수용액의 어는점이 −0.432 °C였다. 반트호프 인자 $i$는? ($K_f$ = 1.86 °C/m)

$i = \Delta T_f/(K_fm) = 0.432/(1.86\times0.100) = 2.32$. 이상값 3보다 작은 것은 K⁺–SO₄²⁻ 이온쌍 때문이다(본문 표와 같다).

물 5.00 kg이 든 냉각수가 −20.0 °C까지 얼지 않게 하려면 에틸렌 글라이콜(62.07 g/mol)을 최소 몇 kg 넣어야 하는가? $\Delta T_f = K_fm$을 그대로 쓴다.

$m = 20.0/1.86 = 10.75\ m$, $n = 10.75\times5.00 = 53.8$ mol, 질량 $= 53.8\times62.07 = 3.34\times10^3$ g = 3.34 kg. 부동액 도전에서 확인해 보라.

어두운 방에서 레이저를 비출 때 빛의 경로가 옆에서 보이는 것은?

우유는 지방·단백질 입자가 분산된 콜로이드(에멀션)라 빛을 산란한다(틴들 효과). 나머지는 분자·이온이 녹은 참용액이다.

개념 확인 퀴즈

아이오딘(I₂)이 가장 잘 녹는 용매는?

I₂는 무극성이므로 무극성 용매 CCl₄에 잘 녹는다(끼리끼리 녹는다).

탄산음료를 따뜻한 곳에 두면 김이 빨리 빠지는 이유는?

기체의 용해는 대개 발열이라 온도가 오르면 용해도가 감소한다.

용액을 가열하는 실험에서 몰농도 대신 몰랄농도를 쓰는 이유는?

몰랄농도는 질량만으로 정의되어 온도와 무관하다.

벤젠–톨루엔 이상 용액에서 끓고 있는 액체 위의 증기에 대해 옳은 것은?

$y_A = x_AP_A^\circ/P_\text{전체}$이고 $P_\text{벤젠}^\circ > P_\text{전체}$이므로 $y_\text{벤젠} > x_\text{벤젠}$. 분별 증류의 원리다.

적혈구를 증류수에 넣으면 어떻게 되는가?

증류수는 세포 내부보다 묽은 저장액이다. 용매는 묽은 쪽에서 진한 쪽(세포 안)으로 이동한다.

단위	정의	특징 · 쓰임
질량 백분율 (질량 %)	\(\dfrac{\text{용질 질량}}{\text{용액 질량}}\times100\)	상업·일상 표기(생리 식염수 0.9%)
ppm, ppb	\(\dfrac{\text{용질 질량}}{\text{용액 질량}}\times10^{6}\ (10^{9})\)	미량 성분. 묽은 수용액에서 1 ppm ≈ 1 mg/L
몰분율 \(x_A\)	\(\dfrac{n_A}{n_\text{전체}}\)	단위 없음, 합 = 1. 라울 법칙·기체 혼합물
몰농도 \(M\)	\(\dfrac{\text{용질 mol}}{\text{용액 L}}\)	부피로 재기 편함. 온도에 따라 변함. 삼투압
몰랄농도 \(m\)	\(\dfrac{\text{용질 mol}}{\text{용매 kg}}\)	온도와 무관. 끓는점 오름·어는점 내림