06. 용해 평형과 용해 속도

 

 

닫힌 진공 용기에 물만 넣고 충분한 시간이 지나면 동적 평형에 도달하여 

수증기와 물이 공존하게 되고, 물이 수증기로 증발하는 속도와 수증기가 물로 응축하는 속도가 같아진다.

 

이 때, 처음부터 동적 평형에 도달할 때까지 증발 속도는 변하지 않고 일정한데,

그 이유는 물의 증발 속도는 물의 전체 양에 의존하지 않고

'증발'이라는 현상이 물의 표면에서만 일어나므로 물의 표면적과

온도, 그리고 압력에 의존하기 때문이다.

물의 표면적이 클수록, 온도가 높을수록, 압력은 낮을수록 증발 속도는 증가한다.

즉, 물의 표면적과 온도, 압력이 일정하다면 증발 속도는 일정하다.

 

 

증발과 응축의 동적 평형 - zum 학습백과

 

 

물이 증발함에 따라 증가하는 수증기 분자에 의해 물에 가해지는 압력은 증가하겠지만,

25℃에서 증발에 의한 수증기의 압력은 매우 작기 때문에 무시할 수 있다고 가정한다.

 

반면, 수증기 분자가 증가함에따라 충돌 이론(Collision Theory)에 의해 응축 속도는 점차 증가한다.

그러다가 증발 속도와 응축 속도가 같아지는 지점에서 동적 평형에 도달한다.

 

 

 

 

이와 유사하게 용해 평형에 대해 살펴보려하면, 

증발-응축 상평형과 같이 시간-속도 그래프로 표현한 자료를 찾을 수가 없다.

(교과서, 참고서, 문제집, 구글 검색을 모두 뒤져도 없다.)

그래서 용해 평형에 대한 시간-속도 그래프는 본인이 생각한 것을 토대로 그려보았다.

 

증발 속도가 반응물의 양에 영향을 받지 않듯이

용해 속도도 용질의 양에 영향을 받지 않는다고 생각하였다.

대신, 용해 속도는 온도가 높을수록, 용질의 표면적이 넓을수록, 많이 저어줄수록 증가한다.

따라서 온도가 일정하고, 용질의 표면적을 같게 유지하고, 저어주는 것을 일정하게 유지한다면

용해 속도는 변하지 않고 일정하게 유지될 것이다.

 

반면, 석출 속도는 물 속에 녹아 들어오는 용질의 양이 늘어남에 따라 증가할 것이다.

그러다가 용해 속도와 석출 속도가 같아지는 지점에서 동적 평형에 도달한다.

 

O점부터 동적 평형에 도달할 때까지는 용해 속도가 석출 속도보다 크므로 용해 반응이 알짜로 일어날 것이다. 

따라서 동적 평형에 도달할 때까지는 용질을 넣어주는 족족 물에 녹아들어가므로 불포화 용액이고,

동적 평형 이후로는 용해 속도와 석출 속도가 같아지므로 

용질을 더 넣어주더라도 알짜로 녹아들어가는 용질이 없기 때문에 포화 용액이라 할 수 있다.

또한 포화 용액이 될 때까지 녹아들어가는 용질의 양은

용해 속도 그래프 아래의 면적에서 석출 속도 그래프 아래의 면적을 뺀 만큼이라 할 수 있겠다.

이는 용매에 녹을 수 있는 용질의 양인 용해도로 취급할 수 있지 않을까? 하는 생각도 든다.

 

 

 

용해 평형에 대해 소개하며 용해 속도에 영향을 미칠 수 있는 것들에 대해 학생들과 이야기하다가,

용매의 양이 용해 속도에 영향을 주는가? 에 대한 토의가 시작되었다.

용매의 양이 용질을 수화할 수 있는 정도를 넘어서면

그 이상부터는 용매의 양이 많든 적든 어차피 용질을 수화할 수 있는 용매 분자 수는 변하지 않으니

용매의 양이 용해 속도에 영향을 주지 않을 것이라는 나의 잠정적 결론을 말해주었다.

덧붙여 한 학생은 태평양에 설탕을 녹이나, 호수에 설탕을 녹이나 설탕이 녹는 속도는 같을 것 같다고 이야기하며,

나에게 실험을 해서 논문을 써달라고 했다. ㅋㅋㅋㅋ (나같은 학사 나부랭이에게...)

2학기에 과학과제연구라는 과목이 개설되었는데, 용해 속도에 영향을 미치는 요인으로 연구 주제를 잡아 

학생들이 논문을 써본다면 꽤 재미있는 연구가 될 것 같다는 생각이 들었다.

요새 화학 반응 속도와 화학 평형이 너~무 재미있다! >0<