물리화학실험 | Phase Diagram of Binary Solid System

 

 

 

TIP

 

 

1. 어는점 측정을 통해 이성분 유기 혼합물계에 대한 온도-조성 도표를 작성하고, 이것을 이용하여 이성분 응축계에 상법칙이 어떻게 적용되는지 알아본다
2. 서로 다른 녹는점을 가진 naphthalene과 p-dichlorobenzene 혼합물의 냉각 온도 변화를(어는점 측정) 살펴보고 phase diagram을 그린다.

 

 

 

Phase(상)

물리학·화학 용어로, 어떤 물질이 어느 부분에서건 물리적·화학적으로 같은 성질을 나타낼 때를 표현하는 것이다. 기체상, 액체상, 고체상이 존재하고, 하나의 상으로 이루어지는 균일계와 2개 이상의 상으로 이루어지는 불균일계로 나뉜다.

 

어떤 물질의 어느 부분을 취해도 물리적·화학적으로 같은 성질을 나타낼 때, 그 물질은 하나의 상을 이룬다고 한다. 예를 들면, 공기는 질소·산소 및 그 밖의 기체의 혼합물이나, 혼합은 완전하고 또한 균일하므로 하나의 상을 이루고 있다. 이 경우에는 기체의 상이므로 기체상이라 한다. 식염수는 식염이 물에 녹은 것인데, 역시 균일하므로 하나의 상을 이루고 액체의 상이므로 액체상이라고 한다.

 

물의 결정인 얼음도 하나의 상을 이루는데, 고체의 상이므로 고체상이라고 한다. 또 상은 균일계와 불균일계로 나뉜다. 즉 하나의 상으로 이루어지는 계를 균일계, 2개 이상의 상으로 이루어지는 계를 불균일계라고 한다. 예를 들면 컵에 물을 담고 소금, 설탕, 탄산수소나트륨, 물감을 섞어 놓으면 단지 하나의 액체상을 이룬다. 만약 이 컵에 모래를 추가로 넣는다면 모래 알들끼리 따로 또 하나의 상(고체)를 이룰 것이다.

 

 

Phase equilibrium(상 평형)

기체상-액체상, 액체상-고체상 등, 상호 변화할 수 있는 여러 개의 상이 공존하여 평형하게 있는 상태를 상 평형이라고 한다. 몇개의 상이 상평형을 이루고 있을 때 각 상을 이루는 각 성분의 화학퍼텐셜은 같다는 조건이 성립된다. 상평형을 이루고 있는 경우에는 상규칙(phase rule)이 성립한다.

 

상평형의 모양은 상평형 그림으로 표시되는 일이 많으며, 열평형에 있는 어떤 계의 온도나 압력을 서서히 변화시키면 한 상에서 다른 상으로 이동한다. 이것을 상전이라고 한다. 액체나 증기와 같이 두 상이 공존하는 평형은 계를 만드는 초기의 효과가 사라진 이후에 이루어지는 시간에는 무관한 상태이다.

 

일단 계가 평형을 이루면 더 이상의 거시적 변화는 없지만 분자 단위에서의 활동은 계속된다. 상평형은 동적인 과정인데 그릇 속에서 회전하는 볼이 멈추는 것과 같은 정적인 평형과는 다르다. 액체 상태의 물과 수증기 사이의 평형에서 부분 압력이 유지되는 것은 증발과 응축이 중단되어서가 아니라 두 속도가 같아지기 때문이다. 얼음과 물 사이의 평형에서 거시적으로는 아무런 변화가 없어 보이지만 분자들이 두 상 사이를 계속 왕래하고 있는 것이다.

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실험 방법

1. 실험 과정

(1) naphthalene과 p-dichlorobenzene의 몰분율이 1.0에서 0.0까지 0.1의 간격을 두고 정량하여 혼합물을 만들어 시험관에 담는다. (혼합물의 무게는 10g 정도로 한다)

 

(2) naphthalene과 p-dichlorobenzene 혼합물이 담겨있는 시험관을 물중탕으로 가열하여 완전히 녹인다.

 

(3) 시료가 녹으면 시험관을 클램프를 이용해 스탠드에 고정시키며 냉각시킨다.

 

(4) 30초 간격으로 온도를 측정한다.

 

(5) 엑셀등의 프로그램으로 내림폭이 달라지는 점을 찾아내어 온도와 몰분율을 축으로하는 그래프를 그린다.

 

(6) (1)～(5)의 과정을 각 조성의 시료마다 반복한다.

 

(7) 각 그래프 상에서 찾은 점을 연결하여 phase diagram을 완성한다.

 

 

 

[물리화학실험]Phase Diagram of Binary Solid System 레포트