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수려한집게벌레191
옷장에 넣어둔 나프탈렌이 액체를 거치지 않고 바로 기체로 변하는 이유가 무엇인가요?
옷장에 넣어둔 나프탈렌이 액체를 거치지 않고 바로 기체로 변하는 이유를, 두 개의 벤젠 고리가 붙은 평면 구조의 분자 간 인력이 비교적 약해 낮은 온도에서도 열운동 에너지가 이를 극복하는 원리로 설명 부탁드려요.
3개의 답변이 있어요!
안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.
나프탈렌이 액체 상태를 거치지 않고 고체에서 바로 기체로 변하는 승화 현상은 분자의 구조적 특징과 그로 인해 발생하는 약한 인력에서 기인합니다.
나프탈렌은 두 개의 벤젠 고리가 나란히 붙어 있는 평평한 평면 구조를 가진 무극성 분자입니다. 분자 전체적으로 전하가 어느 한쪽으로 치우치지 않기 때문에, 분자들 사이에서 서로를 강하게 끌어당길 수 있는 전기적 인력이 거의 존재하지 않습니다. 대신 분자량이 비교적 큰 편이라 분자 사이의 일시적인 전자 분포 변화로 생기는 매우 약한 힘인 분산력에만 의존하여 고체 상태를 유지합니다.
이러한 평면 구조는 분자들이 차곡차곡 쌓여 고체를 형성하기에는 유리하지만, 분자 사이의 결합 자체는 매우 느슨한 편입니다. 일반적으로 고체가 액체로 녹으려면 분자들 사이의 인력을 일부 끊어내야 하고, 기체로 증발하려면 그 인력을 완전히 극복해야 합니다. 하지만 나프탈렌은 분자 간 인력이 워낙 약하기 때문에 굳이 액체라는 중간 단계를 거칠 만큼의 에너지가 필요하지 않습니다.
상온 수준의 낮은 온도에서도 나프탈렌 분자들이 가진 열운동 에너지는 이 약한 분산력을 충분히 이겨낼 수 있을 만큼 강력합니다. 고체 표면에 노출된 분자들이 주변으로부터 열에너지를 흡수하면, 분자 사이의 결합을 한 번에 끊고 공간 속으로 튀어나가 기체 상태가 됩니다.
특히 나프탈렌은 대기압 상태에서 액체로 존재할 수 있는 온도 범위가 매우 좁거나, 일반적인 실온 환경에서는 기체로 변하려는 성질이 압도적으로 강하게 나타납니다. 결과적으로 옷장 안의 나프탈렌은 시간이 지남에 따라 액체로 녹아 흐르는 흔적 없이, 분자 단위로 공기 중으로 흩어지며 그 크기가 서서히 줄어들게 되는 것입니다.
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채택된 답변안녕하세요.
옷장에 넣어둔 나프탈렌이 액체 상태를 거치지 않고 바로 기체로 변하는 현상은 승화입니다. 나프탈렌은 두 개의 벤젠 고리가 결합된 평면형 방향족 화합물로, 분자 자체는 비교적 크지만 극성이 거의 없는 비극성 분자이기 때문에 분자들 사이에는 주로 분산력과 같은 약한 반데르발스 힘만 작용합니다. 이러한 구조적 특징 때문에 나프탈렌 고체를 이루는 분자들은 비교적 느슨하게 결합되어 있는데요, 고체 상태에서는 분자들이 일정한 격자 구조를 유지하고 있지만, 온도가 조금만 올라가도 분자들의 열운동 에너지가 증가하게 됩니다. 이때 나프탈렌의 경우 액체 상태로 전이하기 위해 필요한 에너지와 기체 상태로 전이하기 위해 완전히 분리되는 데 필요한 에너지 차이가 크지 않습니다. 즉 실온에서도 일부 분자들은 열운동 에너지가 분자 간 인력을 충분히 극복하여, 고체 표면에서 바로 떨어져 나와 기체 상태로 이동할 수 있습니다. 감사합니다.
안녕하세요. 김찬우 전문가입니다.
일반적인 물질은 고체 액체 기체 순서로 상변이가 일어나게 됩니다.
액체에서 기체가 될때를 기화 라고 하는데 독특하게도 고체에서 바로 기체가 되는 물질들이 있는데 대표적인 물질이 나프탈렌 입니다. 고체에서 기체가 되는 현상은 승화 라고 합니다.
아시다시피 나프탈렌은 벤젠 고리를 두개 가지고 있으며 이 벤젠고리가 면을 공유하는 평면적인 형태를 가지고 있습니다. 안정된 벤젠이 반데르발스포스 힘에 의해서만 아주 약하게 붙어 있는 상태인데 상온에서도 물렁물렁한 형태를 유지할 정도로 분자간 결합이 약합니다.
그러나 고체에서 액체가 되지 않고 바로 기체가 되는 이유는 분자간의 인력이 워낙 낮다보니 액체로 존재할 결합력 보다 더 빠르게 에너지를 얻어 기체가 되어 버리기 때문입니다.
그럼 답변 읽어주셔서 감사드립니다~! 더 궁금한게 있으시면 언제든지 문의 주십시요:)