화학 고3 용액의 성질

용액의 총괄성

용질의 종류와 무관하게 용질 입자 수에 의존하는 용액의 성질로, 끓는점 오름·어는점 내림·삼투압이 포함된다. 진로선택 「물질과 에너지」 소속.

용질이 무엇인지와 상관없이 오직 녹아 있는 용질 입자의 '수'에만 좌우되는 용액의 성질로, 증기압 내림·끓는점 오름·어는점 내림·삼투압이 여기에 속합니다.

만원 지하철에 사람이 몇 명 더 탔는지만 중요하고, 그 사람이 학생인지 회사원인지는 상관없는 것과 같습니다. 용액도 '몇 개가 들어왔나'만 세지, '무엇이 들어왔나'는 세지 않습니다.

쉽게 말하면

총괄성이라는 이름이 어색하게 들리지만, 영어 원어 colligative가 '함께 묶여 세어진다'는 뜻입니다. 즉 입자를 세는 성질이라는 말입니다. 설탕을 녹이든 요소를 녹이든, 같은 개수의 입자가 들어갔다면 끓는점은 똑같이 올라갑니다.

왜 개수만 중요할까요? 네 가지 총괄성은 전부 증기압 내림 하나에서 갈라져 나옵니다. 비휘발성 용질 입자가 용액 표면의 일부를 차지하면, 표면에서 빠져나갈 수 있는 용매 분자의 비율이 줄어듭니다. 표면을 얼마나 가리느냐는 입자 하나하나의 크기나 종류가 아니라 '몇 개나 있느냐'로 결정됩니다. 증기압이 내려가면 끓는점은 올라가고, 액체 쪽이 상대적으로 안정해지므로 어는점은 내려갑니다. 삼투압도 같은 뿌리에서 나옵니다.

이 성질을 다루려면 분자 간 힘 을 먼저 이해해야 합니다. 용매가 액체로 뭉쳐 있는 것도, 용질이 용매에 둘러싸이는 것도 결국 분자 사이의 인력 때문입니다. 다만 총괄성이 놀라운 이유는, 그 인력의 세부 사정을 몰라도 '입자 수'만 알면 끓는점 변화를 예측할 수 있다는 데 있습니다.

입자 수를 세는 일이 핵심이므로 농도도 입자 수에 맞춘 것을 씁니다. 그래서 몰랄 농도 를 쓰고, 특히 이온 결합 물질은 물에 녹으면서 이온으로 쪼개진다는 점을 반드시 계산에 넣어야 합니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

같은 몰수를 녹여도 소금이 설탕보다 효과가 크다

$NaCl \to N a^{+} + C l^{-} (i = 2), C_{12} H_{22} O_{11} (i = 1)$

$0.1 mol$ 의 소금과 $0.1 mol$ 의 설탕을 같은 양의 물에 녹이면, 소금 쪽이 입자 수가 2배라 끓는점 오름도 약 2배가 됩니다. 소금이 '더 센 물질'이어서가 아니라 '두 조각이 되어서'입니다.
예시 2

부동액과 제설제 — 같은 원리, 다른 쓰임

자동차 냉각수에 에틸렌글리콜을 넣으면 겨울에 얼지 않고(어는점 내림), 여름에 끓어 넘치지도 않습니다(끓는점 오름). 도로에 뿌리는 염화 칼슘도 같은 원리로 눈을 녹입니다. 하나의 성질이 아니라 총괄성 묶음 전체가 동시에 작동하는 예입니다.
예시 3

분자량을 모르는 물질의 분자량 알아내기

총괄성은 입자 수에 비례하므로, 거꾸로 이용하면 입자 수를 셀 수 있습니다. 질량을 아는 시료를 녹여 어는점이 얼마나 내려갔는지 재면 몰수를 알아낼 수 있고, 질량을 몰수로 나누면 분자량이 나옵니다. 특히 단백질처럼 큰 분자는 삼투압 이 측정에 유리합니다.

네 가지 총괄성 한눈에

성질	무엇이 변하는가	어느 쪽으로
증기압 내림	용액 위의 증기압	순수 용매보다 낮아짐
끓는점 오름	끓기 시작하는 온도	순수 용매보다 높아짐
어는점 내림	얼기 시작하는 온도	순수 용매보다 낮아짐
삼투압	반투막을 밀어내는 압력	농도가 진할수록 커짐

자주 하는 오해

'무거운 용질일수록 효과가 크다'고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움설탕은 분자량이 342로 크니까, 분자량 60인 요소보다 끓는점을 더 많이 올린다

실제로는같은 질량이라면 오히려 요소 쪽이 입자 수가 훨씬 많아 효과가 큽니다. 총괄성은 질량이 아니라 몰수(입자 수)에 비례합니다.

총괄성의 이름 그대로 '개수를 세는' 성질입니다. 무거운 분자 하나나 가벼운 분자 하나나 용매 표면에서 자리 하나를 차지하는 것은 똑같습니다. 그래서 문제를 풀 때 가장 먼저 할 일은 질량을 몰수로 바꾸는 것입니다.

이온 결합 물질도 화학식 하나를 입자 하나로 세기

이렇게 생각하기 쉬움

CaC l_{2}

0.1 mol

을 녹였으니 입자는

0.1 mol

실제로는물에서

C a^{2 +}

하나와

C l^{-}

둘로 나뉘므로 입자는 약

0.3 mol

입니다.

용액 속에서 자유롭게 돌아다니는 알갱이가 몇 개인지가 기준이지, 병에 담겨 있던 덩어리가 몇 개였는지가 기준이 아닙니다. 이 배수를 반트호프 계수

i

라고 부릅니다. 반대로 설탕처럼 이온화하지 않는 분자성 물질은

i = 1

입니다.

선수 개념 — 이걸 먼저 알아야 해요

분자 간 힘고3

이후 개념 — 이 개념을 배우면 이어집니다

끓는점 오름고3 삼투압고3 어는점 내림고3 증기압 내림고3

연계 개념 — 과목을 넘어 함께 보면 좋아요

해수의 성질고2 삼투고3

같은 단원의 개념 — 용액의 성질

끓는점 오름고3 몰 분율고3 몰랄 농도고3 삼투압고3 어는점 내림고3 용해 과정과 용해열고3 용해도고3 증기압 내림고3 헨리 법칙고3

자주 묻는 질문

Q1왜 몰 농도가 아니라 몰랄 농도를 쓰나요?

끓는점이나 어는점을 다루려면 온도를 크게 바꿔 가며 실험해야 하는데, 몰 농도는 부피를 기준으로 하므로 온도가 바뀌면 부피가 변해 값이 흔들립니다. 몰랄 농도는 용매의 '질량'을 기준으로 해서 온도가 변해도 값이 그대로입니다.

Q2용질이 휘발성이어도 총괄성이 성립하나요?

고등학교에서 다루는 총괄성 공식은 모두 '비휘발성 용질'을 전제로 합니다. 용질도 증발한다면 용질 자신이 증기압을 만들어 내기 때문에, 증기압이 단순히 내려가지 않습니다.

Q3네 가지가 결국 같은 현상이라면 왜 따로 배우나요?

뿌리는 같지만 측정 방법과 감도가 다르기 때문입니다. 어는점 내림은 상수가 커서 실험실에서 재기 쉽고, 삼투압은 아주 묽은 용액에서도 큰 값이 나와서 거대 분자를 다룰 때 유리합니다.

교육과정 2022 개정 · 고3 화학 · 용액의 성질 수록 기본 (교육과정 단원)

출처 교육부 고시 제2022-33호 (2022 개정 교육과정) · NCIC 국가교육과정정보센터

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네 가지 총괄성의 공통 뿌리인 증기압 내림 부터 보면 나머지 세 개가 자연스럽게 따라옵니다.

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