중학과학(끓는점과 압력관계)

[권토중래]

 중학과학에서 끓는점과 압력의 관계를 설명하는 실험이 있는데

한 예로 플라스크에 물을 넣고 가열한 후 입구를 막고 거꾸로 세워 찬물을 부으면 다시 끓기 시작하는데그 이유는 찬물을 부으면 수증기 액화로 압력이 낮아지므로 끓는점이 낮아져 다시 끓게 된다 라고 합니다.

 그런데, 아무리 봐도 이유가 선뜻 이해가지 않네요. 끓는점이란 증기압과 외부압이 같을 때의 온도를 뜻한다고 알고 있는데 수증기의 액화로 인한 압력 감소는 증기압의 감소일 뿐 외부압은 대기압(1atm)그대로인데 증기압감소가 b.p의 감소를 가져왔다는 책의 설명은 이상한것 같아요. 오히려, 마개를 막기 전에는 외부압=증기압였으나 찬물을 가해 평형이 깨어졌으므로 르샤틀리에의 원리에 따라 새로운 평형을 맞추기 위해 다시 그 온도에서 증발이 일어나고 결국 외부압과 같아질 때 온도가 처음보다 낮기에 b.p가 낮아진다 라는게 정확한 설명이 아닌가요?

[바람결]

물을 끓이면 플라스크의 공기가 발생한 수증기에 밀려나 대부분 밖으로 나오고, 플라스크 안은 주로 수증기로 채워집니다. 그리고 마개를 막으면 플라스크와 외부 공기와는 차단이 되죠. 즉, 플라스크 안의 기체는 대부분 수증기이고, 따라서 그 때의 기압은 대부분 수증기가 주는 것이죠. 그런데 그 상태에 찬물을 부으면 수증기가 액화가 되어 수증기량이 줄어들게 됩니다. 당연히 플라스크 안의 기체가 줄어드는 것이니, 플라스크 안의 기압도 줄어들겠지요. 여기서 외부압은 대기압이 아니라 이 수증기의 압력을 의미하는 거라 생각합니다.

[바람결]

여기서는 증발과 끓음의 구분이 중요한 듯 하네요. 증발이란 표면의 액체분자들만이 기체로 될 수 있다는 것을 말하고, 끓음은 전체에서 기체화가 가능하다는 것이죠. 따라서 증발만 일어난다면 표면에서 일어나기 때문에 기포가 생기지 않을 것입니다. 하지만 실험을 해보면 분명 물속에서 기포가 생겨 올라오거든요. 따라서 끓고 있는게 분명하다고 생각됩니다. 이것은 물질의 상평형 그래프로 설명해야 할 듯 하네요. 제가 물리전공이라서 부족한 점이 있을 듯 한데, 혹시 제 설명 중에 잘못이 있다면 화학고수님들이 고쳐주시길 바랍니다. 좋은 하루 되세요~!! ^^*

[엘페릭]

마개가 닫혀있는 상황에서는 액체표면에서 증발하는 분자와 응결하는 분자들이 평형을 이루고 있을것입니다 .하지만 냉각시킬경우 플라스크안을 채우던 분자들이 응결되어 평형이 깨어지므로 기존의 끓는점보다 낮은온도이더라도 증발이 우세하게 일어날것이라 생각되어집니다 질문하신분의 설명이 맞는거 같구요 ,하지만 교과서의 설명도 틀린게 아닌듯 합니다. 교과서에서의 압력이란 플라스크안에서의 기체들의 운동으로 인한 압력을 말하는 것이기때문에 굳이 외부압 을 대기압으로 생각하실 필요는 없을 거 같아요^^

[권토중래]

답변들 감사합니다. ^^ 그런데, 아시다시피 액체의 응결속도=증발속도 일때 그 액체의 증기압이라하고 이 증기압이 외부압과 같을 때 끓죠. 이 때 외부압은 증기압과 다른 개념이고 대기압 말고는 해당되는게 없어요. 또, 고산지대서 밥이 설 익는 이유를 설명할 때 증기압 낮아서가 아니라 대기압이 낮아서 라고 하잖아요.

[바람결]

헉.. 외부압을 대기압으로만 생각하시는군요. 외부압은 액체 외부의 압력을 말하는 것이 아닌가요? 물론 고산지대에서 액체 외부는 대기이기 때문에 대기압이지만, 플라스크로 막혀 있는 곳에서는 플라스크 안의 기압이 외부압이 되겠죠. 그리고 엘페릭님에게 질문하고 싶은 것이 있는데요, 증발하는 것이 맞다면 왜 액체 내부에서 기포가 생성되겠어요? 저는 끓는 것이 맞다고 생각합니다. ^^;;