비휘발성 용질이 녹아있는 용액의 증기압력은 순수한 용매의 증기압력보다 낮은데 이것을 용액의 증기압력 내림이라 한다. 이 현상에 의해 용액의 끓는점오름(△Tb), 어는점내림(△Tf), 삼투압(π) 등의 특성이 나타난다.
Q1 다음 제시문을 읽고 물음에 답하라.
1)몰농도가 111b 몰/L인 용액은 몰랄농도(m)가 얼마인지 계산하라. 단, 용액의 밀도는 dg/mL이고 용질의 분자량은 Mw이다.
2)실제 용액이 이상용액으로 근접하는 조건을 말하고 실제 용액에서 양의 편차와 음의 편차가 나타나는 이유를 서술하라.
3)말의 헤모글로빈 5.0g을 물에 녹여 용액의 부피가 1.0L 되게 만든 용액의 삼투압은 25℃에서 1.80×33310-3기압이었다. 말 헤모글로빈의 분자량을 구하라.
4)헤모글로빈 수용액의 어는점내림을 이용해 말 헤모글로빈의 분자량을 측정하는 것이 이론적으로는 444가능하나 현실적으로 어려운 이유를 서술하라.
5)녹말 1g을 0.1M NaCl수용액에 녹여 100mL용액을 만들었다. 실험실 온도가 27℃일 때 삼투압을 이555용해 녹말의 분자량을 구할 수 있는 적절한 실험 방법을 설계하라.
6)일상생활에서 삼투현상과 관련된 사례를 들고 생리 식염수가 혈액과 농도가 같아야 하는 이유를 설666명하라.
전문가 클리닉
1) 몰농도는 용액의 부피가 기준이고 몰랄농도는 용매의 질량이 기준이므로 용액의 밀도를 이용해 부피를 질량으로 환산합니다.
2) 제시문 (나)의 그래프를 분석해 실제 용액이 이상용액으로 근접하는 조건을 찾아보고 용액의 농도가 진할 때 양의 편차와 음의 편차가 나타나는 이유를 생각합니다.
3) 삼투압을 이용해 구한 값을 분자량을 구하는 식에 대입하면 헤모글로빈의 분자량을 구할 수 있습니다.
4) 말의 헤모글로빈은 분자량이 매우 큰 고분자 물질이므로 물에 녹여 용액을 만들 때 몰랄농도가 매우 낮아집니다.
5) NaCl수용액의 삼투압을 측정하면 값이 너무 크다는 것을 보여주고 적절한 실험 방법을 찾아봅니다.
6) 반투막을 통해 저장액에서 고장액으로 용매가 이동하는 삼투현상의 사례를 제시하고 생리식염수의 삼투압이 혈액 삼투압과 다를 때의 문제점을 생각해 봅니다.
예시답안
1) b 몰/L 용액이 1000mL 있다고 가정하면 각 물질의 양은 다음과 같이 계산된다.
2) 제시문 (나)의 그래프에서 용매의 몰분율이 1에 가까워지면 실제 용액도 이상용액에 가까워지는 것을 알 수 있다. 용매의 몰분율이 1로 접근할 땐 용질의 몰분율이 0에 가까워지므로 용액이 묽다는 것을 의미한다. 즉 묽은 용액은 이상용액처럼 행동한다. 용액의 농도가 진하면 용매와 용질 간 상호작용이 크게 나타나 양의 편이나 음의 편이가 생긴다. 양의 편이는 용매와 용질의 인력이 용매 간 인력보다 작아 용매가 증발되기 쉬울 때 나타나고, 음의 편이는 용매와 용질의 인력이 용매 간 인력보다 커서 용매가 증발되기 어려울 때 나타난다.
3) 삼투압을 측정해 분자량을 구하는 식에 대입하면 말 헤모글로빈의 분자량은 68000이 된다. 이 때 온도는 절대온도로 환산해 298K를 대입한다.
4) 이론적으로 용질의 분자량(Mw)은 용액의 총괄성 중 어느 것을 이용해도 구할 수 있다. 하지만 분자량이 매우 큰 고분자 물질은 끓는점 오름이나 어는점 내림 값이 작아 측정이 어려우므로 삼투압을 측정해 구하는 것이 보다 현실적이다.
문제 3)의 헤모글로빈 수용액은 몰농도(M)와 몰랄 농도(m)가 거의 같다. 이 수용액의 어는점 내림(△Tf)을 물의 몰랄내림상수(Kf) 1.86℃/m을 이용해 계산하면 △Tf = Kf·m = 1.86℃/m·(5/68000)m = 0.00013℃로 매우 작은 값이 나온다. 이런 미세한 온도차는 온도계로 정확하게 측정할 수 없으므로 Mw = (1000×w×Kf)/(W×△Tf ) 식을 이용해 고분자물질의 분자량을 구할 수 없다.
5) 제시된 용액을 증류수에 담가 삼투압을 측정하면 0.1M NaCl에 의해 삼투압이 나타난다. 25℃조건에서 비휘발성 비전해질 0.1M 수용액의 삼투압은 다음과 같이 계산된다.
π = CRT = 0.1×0.082×298 = 2.44기압
그런데 NaCl은 이온화돼 2개의 입자를 내는 강한 전해질이므로 비전해질에 비해 2배의 삼투압이 나타난다. 따라서 0.1M NaCl에 의한 삼투압은 약 4.9기압이 되고, 이것을 물기둥의 높이(h)로 환산하면 그림 (가)처럼 약 50미터 정도가 돼 실험이 불가능하다.
따라서 그림 (나)처럼 0.1M NaCl수용액에 담가 삼투압을 재면 반투막을 경계로 두 용액의 NaCl의 농도는 같으므로 물기둥이 위로 올라가는 삼투현상은 순수하게 녹말이 녹아 나타난 결과일 것이다. 용액의 온도를 측정한 후 값들을 분자량 계산식에 대입해 분자량을 구한다.
6) 김치를 담글 때 배추를 소금물에 담가놓으면 세포액보다 외부 용액이 농도가 높아 배추에서 물이 빠져나오며 배추가 절여진다. 식물의 뿌리가 물을 흡수할 수 있는 것도 뿌리 속 세포액이 흙속의 물보다 고장액기 때문이다. 역삼투압 정수기는 삼투압보다 큰 압력을 고장액 쪽에 가해 순수한 물을 얻는다.
생리 식염수는 혈액과 농도가 같아야 한다. 식염수의 농도가 혈액보다 크면 적혈구 같은 세포에서 물이 밖으로 빠져나와 세포가 쪼그라들 고, 반대로 식염수의 농도가 혈액보다 낮으면 적혈구 속으로 물이 들어와 세포가 부풀어 오르며 심하면 적혈구가 파열되는 용혈 현상이 나타날 것이다. 식염수와 혈액의 농도가 같아야 삼투압도 같아서 세포가 수축하거나 팽창하지 않고 안전하다.
Q1 다음 제시문을 읽고 물음에 답하라.
1)몰농도가 111b 몰/L인 용액은 몰랄농도(m)가 얼마인지 계산하라. 단, 용액의 밀도는 dg/mL이고 용질의 분자량은 Mw이다.
2)실제 용액이 이상용액으로 근접하는 조건을 말하고 실제 용액에서 양의 편차와 음의 편차가 나타나는 이유를 서술하라.
3)말의 헤모글로빈 5.0g을 물에 녹여 용액의 부피가 1.0L 되게 만든 용액의 삼투압은 25℃에서 1.80×33310-3기압이었다. 말 헤모글로빈의 분자량을 구하라.
4)헤모글로빈 수용액의 어는점내림을 이용해 말 헤모글로빈의 분자량을 측정하는 것이 이론적으로는 444가능하나 현실적으로 어려운 이유를 서술하라.
5)녹말 1g을 0.1M NaCl수용액에 녹여 100mL용액을 만들었다. 실험실 온도가 27℃일 때 삼투압을 이555용해 녹말의 분자량을 구할 수 있는 적절한 실험 방법을 설계하라.
6)일상생활에서 삼투현상과 관련된 사례를 들고 생리 식염수가 혈액과 농도가 같아야 하는 이유를 설666명하라.
전문가 클리닉
1) 몰농도는 용액의 부피가 기준이고 몰랄농도는 용매의 질량이 기준이므로 용액의 밀도를 이용해 부피를 질량으로 환산합니다.
2) 제시문 (나)의 그래프를 분석해 실제 용액이 이상용액으로 근접하는 조건을 찾아보고 용액의 농도가 진할 때 양의 편차와 음의 편차가 나타나는 이유를 생각합니다.
3) 삼투압을 이용해 구한 값을 분자량을 구하는 식에 대입하면 헤모글로빈의 분자량을 구할 수 있습니다.
4) 말의 헤모글로빈은 분자량이 매우 큰 고분자 물질이므로 물에 녹여 용액을 만들 때 몰랄농도가 매우 낮아집니다.
5) NaCl수용액의 삼투압을 측정하면 값이 너무 크다는 것을 보여주고 적절한 실험 방법을 찾아봅니다.
6) 반투막을 통해 저장액에서 고장액으로 용매가 이동하는 삼투현상의 사례를 제시하고 생리식염수의 삼투압이 혈액 삼투압과 다를 때의 문제점을 생각해 봅니다.
예시답안
1) b 몰/L 용액이 1000mL 있다고 가정하면 각 물질의 양은 다음과 같이 계산된다.
2) 제시문 (나)의 그래프에서 용매의 몰분율이 1에 가까워지면 실제 용액도 이상용액에 가까워지는 것을 알 수 있다. 용매의 몰분율이 1로 접근할 땐 용질의 몰분율이 0에 가까워지므로 용액이 묽다는 것을 의미한다. 즉 묽은 용액은 이상용액처럼 행동한다. 용액의 농도가 진하면 용매와 용질 간 상호작용이 크게 나타나 양의 편이나 음의 편이가 생긴다. 양의 편이는 용매와 용질의 인력이 용매 간 인력보다 작아 용매가 증발되기 쉬울 때 나타나고, 음의 편이는 용매와 용질의 인력이 용매 간 인력보다 커서 용매가 증발되기 어려울 때 나타난다.
3) 삼투압을 측정해 분자량을 구하는 식에 대입하면 말 헤모글로빈의 분자량은 68000이 된다. 이 때 온도는 절대온도로 환산해 298K를 대입한다.
4) 이론적으로 용질의 분자량(Mw)은 용액의 총괄성 중 어느 것을 이용해도 구할 수 있다. 하지만 분자량이 매우 큰 고분자 물질은 끓는점 오름이나 어는점 내림 값이 작아 측정이 어려우므로 삼투압을 측정해 구하는 것이 보다 현실적이다.
문제 3)의 헤모글로빈 수용액은 몰농도(M)와 몰랄 농도(m)가 거의 같다. 이 수용액의 어는점 내림(△Tf)을 물의 몰랄내림상수(Kf) 1.86℃/m을 이용해 계산하면 △Tf = Kf·m = 1.86℃/m·(5/68000)m = 0.00013℃로 매우 작은 값이 나온다. 이런 미세한 온도차는 온도계로 정확하게 측정할 수 없으므로 Mw = (1000×w×Kf)/(W×△Tf ) 식을 이용해 고분자물질의 분자량을 구할 수 없다.
5) 제시된 용액을 증류수에 담가 삼투압을 측정하면 0.1M NaCl에 의해 삼투압이 나타난다. 25℃조건에서 비휘발성 비전해질 0.1M 수용액의 삼투압은 다음과 같이 계산된다.
π = CRT = 0.1×0.082×298 = 2.44기압
그런데 NaCl은 이온화돼 2개의 입자를 내는 강한 전해질이므로 비전해질에 비해 2배의 삼투압이 나타난다. 따라서 0.1M NaCl에 의한 삼투압은 약 4.9기압이 되고, 이것을 물기둥의 높이(h)로 환산하면 그림 (가)처럼 약 50미터 정도가 돼 실험이 불가능하다.
따라서 그림 (나)처럼 0.1M NaCl수용액에 담가 삼투압을 재면 반투막을 경계로 두 용액의 NaCl의 농도는 같으므로 물기둥이 위로 올라가는 삼투현상은 순수하게 녹말이 녹아 나타난 결과일 것이다. 용액의 온도를 측정한 후 값들을 분자량 계산식에 대입해 분자량을 구한다.
6) 김치를 담글 때 배추를 소금물에 담가놓으면 세포액보다 외부 용액이 농도가 높아 배추에서 물이 빠져나오며 배추가 절여진다. 식물의 뿌리가 물을 흡수할 수 있는 것도 뿌리 속 세포액이 흙속의 물보다 고장액기 때문이다. 역삼투압 정수기는 삼투압보다 큰 압력을 고장액 쪽에 가해 순수한 물을 얻는다.
생리 식염수는 혈액과 농도가 같아야 한다. 식염수의 농도가 혈액보다 크면 적혈구 같은 세포에서 물이 밖으로 빠져나와 세포가 쪼그라들 고, 반대로 식염수의 농도가 혈액보다 낮으면 적혈구 속으로 물이 들어와 세포가 부풀어 오르며 심하면 적혈구가 파열되는 용혈 현상이 나타날 것이다. 식염수와 혈액의 농도가 같아야 삼투압도 같아서 세포가 수축하거나 팽창하지 않고 안전하다.
