물리화학(Physical Chemistry)

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1 물리화학(Physical Chemistry)
-. 물리학 이론 및 물리적 측정수단을 사용해서 얻은 결과를 이용하여 물질의 구조 및 화학 변화 등의 화학적 성질을 연구하는 화학의 한 분야. 17세기 말, 열역학의 기초가 확립되어 화학적인 여러 문제에 적용할 수 있게 되면서 학문 적 체계가 이루어졌고, 그 후 통계역학이 진보하면서 거시적 현상과 미시적 현상의 관계 가 명확해짐에 따라 큰 발전을 이루었으며, 이론적으로는 양자론, 실험적으로는 분광학 및 X선 해석 등을 통하여 많은 과제가 해명. -. 과거에는 물리화학을 물리학과 화학과의 경계영역의 분야로 생각하였으나, 현재는 화학 자가 물리학적 수법을 사용하고, 물리학자도 화학적 물질을 취급하게 됨에 따라 이 두 분 야가 서로 겹침으로써 만들어진 분야로 생각하게 되었음. 그런 의미에서 같은 분야를 물 리학적으로 연구할 때 화학물리학이라고 부르기도 하지만, 본질적으로는 구별하지 않음. 물리화학의 여러가지 분야 화학 열역학 : 열과 일의 관계 및 물리적, 화학적 과정에서의 상호간 변화를 다루는 분야 화학 동역학 : 화학반응 속도, 화학반응의 생성기작(mechanism)을 다루는 분야 이론 화학 : 원자, 분자의 성질을 기술하기 위한 수학적 모델의 공식화를 다루는 분야 분광학 : 물질과 전자기 복사선과의 상호작용을 다루는 분야

2 물리화학적 계(system) 계(system)와 계 이외의 부분이 가상적인 경계에 의해서 격리되어 있는 공간.
변수(예를 들면, 온도, 부피, 엔트로피)를 포함해야 하며, 크게 고립계(isolated system)와 닫 힌계(closed system), 열린계(open system)로 분류한다. -. 고립계 : 주위와 물질 및 에너지 교환이 불가능한 경계를 가지고 있는 계. -. 닫힌계 : 주위와 에너지는 교환할 수 있으나 물질은 교환할 수 없는 경계를 가지고 있는 계. -. 열린계 : 주위와 물질 및 에너지를 교환할 수 있는 경계를 자지고 있는 계.

3 물리화학적 계(system)의 성질 세기성질(intensive properties) : 계(system)에 존재하는 물질의 양과는 무관한 성질 크기성질(extensive properties) : 계(system)에 존재하는 물질의 양에 의존하는 성질 세기성질(intensive properties) 크기성질(extensive properties) 온도(Temperature), 표면장력(surface tension) 질량(mass), 부피(volume) 압력(pressure), 굴절률(refractive index) 내부에너지 밀도(density), 점도(viscosity) 엔탈피(enthalpy) 끓는점(boiling point), 어는점(freezing point) 엔트로피)entropy) 크기성질의 특성치(specific value)는 계(system)의 크기성질의 값을 계(system)의 질량으로 나눈 단위 질량당의 값으로 정의된다.

4 과정(process) 계(system)의 어떤 성질이 변하면 계(system)의 상태는 변화를 하며, 이때 계(system)가 과 정(process)을 일으킨다고 한다. 즉, 과정(process)은 계(system)의 상태가 변하는 것. 준정적 과정 : 계(system)의 상태가 평형상태로부터 무한소 만큼씩만 변화하는 과정. 평형상태의 연속이라고 생각할 수 있음. 비준정적 과정 : 평형상태에서 유한한 크기로 벗어날 때의 과정 -. 등적 과정(isovolumetric or isochoric process) : 과정을 거치는 동안 계(system)의 부피가 일정한 과정 -. 등압 과정(isobaric or isopiestic process) : 과정을 거치는 동안 계(system)의 압력이 일정한 과정 -. 등온 과정(isothemal process) : 과정을 거치는 동안 계(system)의 온도가 일정한 과정(계를 통과하는 열이 없음) -. 가역 과정(reversible process) : 어떤 상태 1 에 있는 물질계가 어떤 변화를 받아서 상태 2 로 이행하였을 때, 일반적으로 외계도 변화를 받는데, 상 태 2 에서 상태 1 로 되돌리는 과정이 있어, 그로 인해 외 계도 포함하여 완전히 원래의 상태 1 로 되돌릴 수 있을 때, 이 변화과정을 가역과정이라 한다.

5 기본단위와 각종 단위계 단위계는 길이, 질량, 시간, 온도 등을 나타내는 기본단위와 이로부터 물리학의 법칙 및 정
의에 의해 유도되는 힘, 압력, 열량 등을 나타내는 유도단위로 구성된다. 절대단위계(물리단위 또는 질량단위) : 질량을 기본으로 하는 단위로서 질량(mass)이 어떤 물체의 고유한 양으로 측정 장소에 따라 변하지 않 는 절대적인 값을 가진다. 공학단위계(무게 또는 중량단위) : 무게, 힘을 기본으로 하는 단위로서 무게(weight)는 어떤 물체에 작용하는 중력의 크기, 즉 절대단위인 질량에 중 력 가속도를 곱하여 얻어지는 양이므로 동일 질량이라 할 지라도 특정장소에 따라 중력가속도가 다르기 때문 에 달라질 수 있다 여기서, W 는 무게, m 은 질량, g 는 중력이며, 단위는 g중, kg중, N 등으로 힘의 단위와 같다. 무게를 측정할 때 말하는 kg 은 엄밀히 말하면 지구에서의 중력가속도 값( m/sec2) 이 포함된 'kg중' 이라는 단위를 써야 한다. 그렇지만 무게와 질량이 똑같은 이유는 질량을 재는 기준을 지구에서 정했기 때문이다.

6 질량과 무게 질량 : 물리학에서 모든 물질의 기본특성인 정량적인 특성치로, 물체가 힘을 받았을 때 그것
의 속도와 위치가 변하는데 대한 저항의 정도이다. 물체의 질량이 클수록 외력에 대 한 변화가 적다. 국제적인 협의에 의해 모든 물체들의 질량을 비교하는 질량의 표준단위는 1 kg 의 백금-이리듐 원통이며, 질량의 단위는 g, kg 이다. 질량은 위치에 관계없이 일정하다. 무게 : 무게는 지구나 달과 같은 거대한 물체가 있음으로 다른 물체를 끌어 당기게 되는 중 력의 크기이다. 무게는 질량과 관련이 있지만 같은 것은 아니다. 무게(weight)는 근본적으로 지구의 중력에 의해서 물체에 가해지는 힘이기 때문에 장소에 따라 다르다. 물체에 무게가 생기는 이유 우주상에 질량이 있는 모든 물체는 서로를 잡아당기고 있다. 사람과 사람, 사람과 물체, 물체와 물체 모두 서로 잡아당기고 있지만 그것들은 질량이 너무 작아서 못 느끼는 것일 뿐 이다. 이를 만유인력의 법칙이라고 기억하면 된다. 우리가 지구상에서 무게를 느끼는 것도 우리와 지구가 서로 잡아당기기 때문이다. 그러나 우리 몸에 비해 지구의 질량이 너무 커서 우리 몸이 잡아당기는 것을 못 느끼는 것 뿐이다. 지구에서 물체의 무게는 지구가 물체를 당기는 것과 관련이 있으며, 지구의 중력은 m/sec2 이다. 그리고 달의 질량은 지구의 1/6 이므로 달의 중력은 지구의 1/6 이다. 그러므 로 같은 물체라도 달에서는 지구에서 무게의 1/6 가 된다. 그러나 질량은 같다.

7 단위를 잘못 적용해 생긴 사건들 한 사회가 서로 다른 두 도량형 체계를 함께 쓸 때 위험한 일들이 벌어지곤 한다. 다음에 이에 대한 예가 있다. -. 캐나다 뱅쿠버를 출발한 여객기가 미국 시애틀에 내려서 잠시 머무는 동은 기장이 직원 에게 비행기에 연료를 얼마간 넣으라고 지시했다. 다시 이륙한 비행기는 한 동안 날다가 엔진이 멈추는 바람에 추락했다. 기장이 지시한 숫자는 kg 이었는데, 직원이 그것을 파운 드로 이해했기 때문이었다 (1 파운드 = kg). -. 미국항공우주국(NASA)에서 199년 1억 2500만 달러를 들여 발사한 무인 화성기후 탐사 선이 화성에 도착하자마자 폭발해 버렸다. 탐사선을 제작한 록히드 마틴사는 탐사선의 각종 길이를 yard 단위로 작성했으나, NASA의 제트추진연구소 조종팀은 미터법(1 yard = m)으로 착각하여, 탐사선을 훨씬 낮은 궤도에 진입하게 했기 때문에 탐사선이 폭발한 것으로 밝혀졌다. 국제 표준 단위계의 필요성 -. 각 나라마다 사용하는 고유의 단위가 있다. -. Global 시대인 지금도 각 나라의 단위를 사용해서 무역을 하거나, 기술 도입을 할 경우 단 위 차이로 인해 오류가 일어날 수 있다.

8 국제단위계(國際單位系, SI, 프랑스어: Système international d'unités)
1960년 국제도량형총회는 모든 분야에서 사용되는 단위를 국제적으로 통일하고자 MKS 단 위계를 확장한 국제단위계(國際單位系, SI, 프랑스어: Système international d'unités), 약칭 SI 단위를 채택하고, 이를 세계 모든 나라의 표준단위로 사용할 것을 권장하였다. 국제단위 계는 MKS 시스템(Meter-Kilogram-Second)을 발전 시킨 것으로 현재는 세계적으로 상업적, 과학적으로 널리 쓰이는 도량형으로 SI 단위계 라고 한다. 대한민국도 1961년 5월 10일 구(舊)도량형 관계법이 폐지되고 새로운 형태의 계량법이 제정되었으며, 미터법 통일사업이 추진됨에 따라 국제적인 추세에 맞추어 미터법만을 사용하 도록 법이 제정되고, 이에 따라 1964년 1월 1일부터는 토지 건물이나 수출입, 무기·항공·선 박 및 연구분야의 특수한 경우를 제외하고는 척관법이나 야드-파운드법은 거래상 또는 증 명상의 계량에서 사용이 금지되었다. 1983년 1월 1일부터는 토지 건물에 사용되는 평도 사 용이 금지되었다. SI 단위 특징 -. 각 속성(또는 물리량)에 대하여 한가지 단위만 사용한다. 길이에 대하여 m 만 사용하며, 자(尺), feet 같은 단위를 사용하지 않기 때문에 단위의 수 가 대폭 줄어 들었다. -. 모든 활동분야에 적용된다. 과학, 기술, 상업 등 모든 분야에 적용될 뿐 아니라 전 세계가 같은 단위를 사용하여 상호 교류나 이해를 쉽게 한다. -. 일관성 있는 체계이다. 7가지 기본단위를 바탕으로 이들의 곱이나 비의 형식으로 모든 물리량을 나타내는 일관 성 있는 체계를 형성하여 다른 체계와의 혼합에서 오는 공식내의 인자들이 없어진다. -. 배우기와 사용하기가 쉽다. 위에 설명한 특징으로 일정한 규칙만 알고 적용하면 되므로 배우기와 사용하기가 쉽다.

9 SI 단위는 절대단위계와 동일하며 4종류의 기본량인 길이(m), 질량(kg), 시간(s), 전류(A)를
기본으로 하여 열역학적 온도(K)와 물질의 양(mol), 측광분야의 기본량인 광도(cd)를 추가한 7개의 기본 단위가 정해져 있으며, 이것을 SI 기본단위(국제단위계 기본단위)라고 한다. 이외에 평면각의 단위인 라디안(rd)과 입체각의 단위인 스테라디안(sr)을 보조단위로 구성 되어 있다. 물리 변수 이름 기호 질량 킬로그램(kilogram) Kg 길이 미터(meter) m 시간 초(second) s 전류 암페어(ampere) A 온도 켈빈(Kalvin) K 광도 칸델라(candela) cd 물질의 양 몰(mole) mol SI 기본 단위의 정의 현재는 7개의 기본 단위 중 질량 단위인 kg 만 인공적으로 만든 국제원기에 의하여 정의되 어 있으며, 나머지 6개는 모두 물리적인 실험에 의하여 정의되어 있다. 이 정의들은 과학, 기술의 발달에 따라 바뀌어 왔고, 국제도량형총회(國際度量衡總會, 영어 :General Confere- nce on Weights and Measures, 프랑스어 :Conférence générale des poids et mesures, 약 어 : CGPM)에 의해서 결정되는데 현재의 정의는 다음과 같다.

10 국제도량형총회(CGPM)는 1875년 미터조약 체결에 따라서 국제단위계(SI 단위계)를 유지하
기 위해 만들어진 3개 기구 중의 하나이다. 4년 또는 6년마다 파리에서 개최된다. 2002년 도량형총회에서는 51개 회원국과 10개 준회원국이 참여했고, 2005년 현재 준회원 국은 17개국이다. 국제도량형총회 회의는 2007년 23회까지 개최되었다. 1) 길이 단위 : m meter(m)는 진공에서 빛이 1/ 초 동안 진행한 경로의 길이(CGPM, 1983, 17차) 2) 질량 단위 : kg kilogram(kg)은 질량의 단위이며, 국제 킬로그램 원기의 질량과 같다.(CGPM, 1901, 3차) 국제 킬로그램 원기는 밀도가 21.5 g/cm3 인 백금 90%, 이리듐 10% 합금으로 만들어진 직 경과 높이가 각각 39 mm 인 원기둥(cylinder) 이다. 이 원기의 질량으로 1 kg 을 정의하기로 하였다. 이 원기는 국제도량형국(파리 교외 소재)에 보관되어 있으며, 원기와 똑같이 만들어 져 정밀하게 비교·측정된 부원기(副原器)가 미터조약 가맹국에 분배되어 각각 그 나라의 원 기로 사용되고 있다. 3) 시간 단위 : s second(s)는 세슘 133 원자(133Cs)의 바닥 상태에 있는 두 초미세 준위간의 전이에 대응하는 복사선의 주기의 지속시간이다.(CGPM, 1967, 13차) 4) 전류 단위 : A ampere(A)는 무한히 길고 무시할 수 있을 만큼 작은 원형 단면적을 가진 두개의 평행한 직 선 도체가 진공 중에서 1 m 간격으로 유지될 때, 두 도체 사이에 매 m 당 2×10-7 N 의 힘을 생기게 하는 일정한 전류이다.(CGPM, 1948, 9차)

11 5) 열역학적 온도 단위 : K 6) 물질량 단위 : mol 7) 광도 단위 : cd 8) 보조 단위인 평면각 : rad
kelvin(K)은 열역학적 온도 단위로 물의 삼중점의 열역학적 온도의 1/ 이다. 이에 부 가하여 다음 식으로 정의된 섭씨 온도(℃, 기호 t)도 사용한다.(CGPM, 1967, 13차) t = T－T0 여기서, T0 = K 로 정의. 6) 물질량 단위 : mol mole(mol)은 12C 의 kg 에 있는 원자의 개수와 같은 수의 구성요소를 포함한 어떤 계 의 물질량이다. mol 을 사용할 때는 반드시 구성요소를 명시해야 하며, 이 구성요소는 원자, 분자, 이온, 전자, 기타 입자 또는 이 기타 입자들의 특정한 집합체가 될 수 있다.(CGPM, 1971, 14차) 7) 광도 단위 : cd candela(cd)는 주파수 540×1012 Hz 인 단색광을 방출하는 광선의 복사도가 어떤 주어진 방 향으로 매 스테라디안당 1683 W 일 때 이 방향에 대한 광도이다.(CGPM, 1979, 16차) 8) 보조 단위인 평면각 : rad radian(rad)은 한 원의 둘레에서 그 원의 반지름과 같은 길이의 호를 자르는 두 반지름 사이 의 평면각이다. 다시 말해서 원의 반지름과 같은 길이의 원둘레에 대한 중심각이다. 예를 들 어 직각은 π/2 rad 가 되는데 이는 원의 둘레가 반지름의 2π 배이기 때문이다. 9) 보조 단위인 입체각 : sr steradian(sr)은 한 공의 표면에서 그 공의 반지름 제곱과 같은 넓이의 표면을 자르고 그 꼭 지점이 공의 중심에 있는 입체각이다

12 물리적 원리에 따라 여러 SI 기본 단위들을 조합하여 새로운 단위를 유도할 수 있다. 이들은
기본 단위들을 곱하거나 나누어 얻을 수 있다. SI 조립 단위 또는 SI 도출 단위라고 부르기 도 한다. 유도량 이름 기호 넓이 제곱미터(square meter) m2 부피 세제곱미터(cubic meter) m3 속력, 속도 meter per second m/s 가속도 meter per second squared m/s2 밀도 kilogram per cubic meter kg/m3 광휘도 candela per square meter cd/m2 농도 mole per cubic meter mol/m3 SI 무차원 단위 : Table 참조 SI 차원 단위 : Table 참조 SI 접두어 : Table 참조

13 주) 라디안과 스테라디안은 기하학적으로 정의된 단위로 그 의미는 다음과 같다.
SI 무차원 단위 유도량 이름 기호 SI 단위로 나타낸 표현 평면각 radian rad dimensionless 입체각 steradian sr 주) 라디안과 스테라디안은 기하학적으로 정의된 단위로 그 의미는 다음과 같다. -. 라디안은 한 원의 원둘레에서 그 원의 반지름과 같은 길이를 가지는 호의 길이에 대 한 중심각이다. 예를 들어 직각은 π/2 rad이다. 원 전체의 각은 2π rad이 된다. -. 스테라디안은 반지름이 r인 구의 표면에서 r2인 면적에 해당하는 입체각이다. 구 전 체의 입체각은 4π sr이 된다.

14 SI 단위와 함께 쓰이는 단위 ’ ” 유도량 이름 기호 SI 단위로 나타낸 값 시간 minute min 1 min = 60 s
hour h 1 h = 60 min = 3600 s day d 1 d = 24 h = 1440 min = s 각도 degree of arc 1° = (π/180) rad minute of arc ’ 1’ = (1/60)° = (π/10800) rad second of arc ” 1” = (1/60)’ =(1/3600)° = (π/648000) rad 면적 hectare ha 1 ha = 100 a = m2 부피 liter l or L 1 L = 1 dm3 = m3 질량 톤 t 1 t = 1000 kg

15 SI 단위와 함께 쓰이는 비 SI 단위 1 dyn = 10-6 N 1 atm = 101 315 N·m-2 (Pa)
유도량 이름 기호 SI 단위로 나타낸 값 힘 dyne dyn 1 dyn = 10-6 N 압력 atm 1 atm = N·m-2 (Pa) torr Torr 1 torr = (101315/760) N·m-2 mmHg 1 mmHg = ×980.65×102 N·m-2 에너지 erg 1 erg = 10-7 J calorie cal 1 cal = J electron volt eV 1 eV = ×10-19 J 점성도 poise P 1 P = 0.1 Pa·s 동점성도 stokes St 1 St = 102 m2/s

16 SI 단위와 함께 쓰이는 비 SI 단위 1 Å = 0.1 nm = 10-10 m 1 nm = 1852 m
유도량 이름 기호 SI 단위로 나타낸 값 길이 angstrom Å 1 Å = 0.1 nm = m nautical mile nm 1 nm = 1852 m 속력 knot kn 1 knot = 1 nm per hour = (1852/3600) m/s 면적 are a 1 a = 1 da m2 = 100 m2 barn b 1 b = m2 압력 bar 1 bar = 105 Pa millibar mbar 1 mbar = 1 hPa = 100 Pa atmosphere atm 1 atm = nbar = hPa = ×105 Pa

17 비 SI 단위로부터 SI 단위로의 환산계수의 예
유도량 SI 단위 비 SI 단위 SI 단위로의 환산계수 길이 m μ(micron) 1×10-6 Å 1×10-10 in 0.0254 ft 0.3048 yd 0.9144 mile ×103 면적 m2 a(아르) 1×102 ha(헥타아르) 1×104 in2 ×10-4 ft2 ×10-2 acre(에이커) 4.0468×103 체적(부피) m3 L(리터) 1×10-3 in3 1.6387×10-5 ft3 ×10-2 gal(갤론) ×10-3

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