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1. 서 론
1.1. 끓는점 (오름) 개념
끓는점 (오름)이란 액체에 비휘발성 용질을 녹였을 때 혼합물인 용액의 끓는점이 순수한 용매의 끓는점보다 높아지는 현상을 말한다.
이는 용액 내 비휘발성 용질이 용매의 증기압을 낮춤에 따라 끓는점이 상승하기 때문이다. 순수한 용매의 증기압은 외부 압력과 같아질 때 끓게 되지만, 용액의 경우 용질이 용매의 증기압을 낮추기 때문에 좀 더 높은 온도에서 증기압이 외부 압력과 같아져야 끓게 된다.
따라서 용액의 끓는점은 순수한 용매의 끓는점보다 더 높은 온도에서 나타나게 되는데, 이를 끓는점 (오름)이라고 한다. 이러한 끓는점 오름의 크기는 용매의 성질과 용액의 농도에 의해 결정된다.
1.2. 끓는점 오름의 중요성
끓는점 오름의 중요성은 다음과 같다.
첫째, 끓는점 오름 현상은 용액의 비휘발성 성질을 파악할 수 있게 해준다. 순수한 용매의 끓는점보다 용액의 끓는점이 높아지는 정도를 통해 용질의 특성을 알 수 있다. 특히 비휘발성 용질의 분자량을 측정하는데 활용된다.
둘째, 끓는점 오름 현상은 용액의 조성 및 농도를 알아내는데 유용하다. 용액의 끓는점 오름 정도는 용질의 종류와 농도에 따라 달라지므로, 측정한 끓는점 오름으로부터 용액의 조성을 파악할 수 있다. 이는 용액의 제조나 분석, 분리과정에서 중요한 정보가 된다.
셋째, 끓는점 오름 원리는 여러 공정에서 실제로 활용된다. 예를 들어 식품 가공 공정에서 용액 내 용질의 농도를 조절하거나, 증류 공정에서 혼합물의 분리를 위해 이용된다. 또한 삼투압을 이용한 담수화 공정, 전해질 용액의 성질 등에서도 끓는점 오름 현상이 중요한 역할을 한다.
따라서 끓는점 오름 현상에 대한 이해와 실험은 화학, 화공, 생명공학 등 다양한 분야에서 응용될 수 있어 매우 중요하다고 할 수 있다.
2. 이론적 배경
2.1. 증기압과 끓는점
액체의 증기압이 외부 압력과 동일할 때의 온도를 끓는점이라고 한다. 즉, 물의 증기압이 373K에서 1 atm이 되는 온도가 물의 정상 끓는점이다. 그러나 일정한 온도에서 용액의 증기압은 용매의 증기압보다 낮기 때문에, 용액은 용매의 끓는점보다 높은 온도에서 끓기 시작한다. 이러한 차이를 끓는점 오름이라고 한다.
끓는점 오름의 크기는 용매의 성질과 용액의 농도에 따라 달라지며, 다음과 같은 관계식을 가진다:
ΔTb = (RT0^2 M1 / 1000ΔHV) m
여기서 ΔTb는 끓는점 오름, R은 기체상수, T0는 순수한 용매의 끓는점, M1은 용매의 분자량, ΔHV는 용매의 몰 증발열, m은 용질의 몰랄농도이다.
이 식은 용액이 이상적이고 온도 변화가 작을 때에만 적용된다. 괄호 안의 양들은 모두 용매와 관련된 것으로 온도와 무관하므로, 다음과 같이 간단히 나타낼 수 있다:
ΔTb = Kb m
여기서 Kb는 몰랄 끓는점 오름상수로 용매의 특성에 따라 결정되는 상수이다.
따라서 끓는점 오름의 크기는 용액의 몰랄 농도에 비례한다고 볼 수 있다. 용액의 농도가 높을수록 용매 분자의 증발을 더 많이 방해하므로 끓는점 오름이 커지게 된다.
2.2. 몰랄 농도와 끓는점 오름
2.2.1. 몰 개념
1몰의 정의는 순수한 동위원소 원자 12g에 해당하는 원자 수를 함유하는 물질의 양이다. 과거 실험을 통해 과학자들이 이 숫자를 6.0221421×10^23개로 결정하였고, 이를 Avogadro 수라 명명하였다. 이 숫자는 이탈리아 과학자 Avogadro를 기념하기 위해 명명되었다. ""1몰은 순수한 동위원소 원자 12g에 해당하는 원자 수를 함유하는 물질의 양이다.""
2.2.2. 몰랄 농도 정의
몰랄 농도(Molality)는 용매 1kg당 용질의 몰수로 나타내는 농도 단위이다. 몰랄 농도는 용액의 농도를 나타내는 다양한 방법 중 하나로, 용질의 양과 용매의 질량으로 표현된다.
몰랄 농도(m)는 다음과 같이 정의된다:
m = {용질의 몰수(mol)} / {용매의 질량(kg)}
이때 용...
