분자간 힘에 의한 액체의 성질

1. 점도(Viscosity)

1) 점도의 정의

점도(Viscosity)란 액체의 흐름에 대한 저항의 척도로 끈끈한 꿀은 높은 점도를 갖고 있고 상대적으로 물은 낮은 점도를 가지고 있다고 볼 수 있습니다. 점도는 액체 상태에서 각 분자들이 액체 안에서 이동하는 용이성인 분자간 힘(Intermolecular force ;IMF)과 관련됩니다.

2) 점도와 분자간 힘

약한 분자간 힘을 가진 액체의 경우는 낮은 점도를 갖고, 강한 분자간 힘을 갖는 액체의 경우에는 높은 점도를 갖습니다.

여기서 분자간 힘은 같은 전하 사이의 작용하는 반발이나 다른 전하 사이의 작용하는 인력과 같이 입자 사이의 전기적 성질에서 기인하는 힘입니다. 사실 엄밀하게는 분자간 힘은 분자 상태의 물질만을 ‘분자간’으로 정의합니다. 하지만 이 글과 같이 일반적으로 쓰일 때는 분자, 이온, 원자를 포함하는 모든 종류의 입자 사이의 상호작용을 설명하기도 합니다.

2. 표면장력(Surface Tension)

1) 표면장력의 정의

표면장력(Surface tension)이란 액체들이 넓게 퍼져 표면적이 증가하는 것에 대해 저항하는 장력입니다.

표면장력은 액체 표면에 있는 분자에 작용하는 분자간 힘과 액체 내부에 있는 분자의 분자간 힘의 차이에 의해 발생합니다. 먼저 액체 내부에 있는 분자들의 경우 그 분자는 또 다른 액체 내부의 분자들 사이에 둘러싸여 있기 때문에 모든 방향으로 동일한 인력이 작용합니다. 하지만 액체 표면에 있는 분자는 내부의 분자와 달리 표면에 있는 부분은 공기와 닿아 있어 다른 액체 분자와 상호작용하지 않습니다. 이때 표면에 있는 분자는 액체 내부를 향하는 방향으로만 인력이 작용하므로 표면장력이 발생하게 되는 것입니다.

2) 표면장력과 분자간 힘

표면장력도 점도와 마찬가지로 분자간 힘과 관련됩니다. 강한 분자간 힘을 가질수록 더 큰 표면장력을 갖고, 반대로 약한 분자간 힘을 가지면 작은 표면장력을 가집니다.

3. 온도와 점도, 표면장력

점도와 표면장력은 온도에도 영향을 받습니다. 이는 온도가 높아지면, 분자들의 운동에너지가 증가해 서로에게 작용하는 인력을 상쇄할 수 있게 됩니다.

이를 모두 정리하면, 온도와 분자간 힘은 반비례하고, 분자간 힘과 표면장력, 점도는 비례한다는 것을 알 수 있습니다.

4. 액체의 증기 압력(vapor pressure)

일정한 온도와 평형 상태에서 압력의 증가는 액체의 증기 압력(vapor pressure)이라고 하는 일정한 값을 갖습니다. 열린 용기 속에서 액체가 모두 증발하는 것과 달리, 닫힌 용기 속 분자들은 액체에서 증기로 전환되는 분자가 많을수록 무질서한 운동을 하는 일부 기체 분자들이 액체로 되돌아가는 분자 수도 증가합니다. 이 과정에서 액체로 되돌아가는 기체 분자 수와 액체에서 기체로 증발하는 분자 수가 서로 같아지는 동적 평형을 이루는 지점이 존재하게 되고, 이 지점에서 개개의 분자들은 끊임없이 한 상에서 다른 상으로 오가지만, 액체상과 증기상에 존재하는 분자의 전체 개수는 일정하게 유지됩니다.

분자 운동론(kinetic molecular theory)으로 증발과 증기 압력을 파악할 수 있습니다. 액체에서 분자들은 끊임없이 움직이지만, 분자들의 운동 속도는 그들이 갖고 있는 운동에너지의 양에 따라 달라집니다. 온도가 높을수록, 그리고 물질의 끓는점이 낮을수록, 시료의 액체 표면을 벗어나 증기로 전환될 수 있는 충분한 운동에너지를 갖는 분자의 비율이 커집니다.

분자간 힘이 약할수록 느슨하게 붙잡혀 있는 분자들이 쉽게 증발하기 때문에 증기 압력은 높아집니다. 온도가 높을수록 증발에 필요한 충분한 운동에너지를 갖는 분자들의 분율이 증가하기 때문에 증기 압력은 높아집니다.

[ConFer]
여러 온도에서 액체들의 증기 압력이 액체의 종류에 따라 다른 이유는 분자간 힘이 다르기 때문입니다.