고체-액체 상평형도 관련 질문입니다.
안녕하세요 화공생명공학과 2025170009 김예서입니다. 고체-액체 상평형도에서 조성에 따라 먼저 어는 물질이 달라지는 것은 용매와 용질의 역할이 역전되며 양쪽 성분에 어는점 내림 효과가 각각 다르게 적용된 것으로 이해했습니다. 그렇다면 공융점은 두 물질이 서로의 어는점을 낮추는 효과가 같아져 단일 액체 상이 존재할 수 있는 최저 온도 한계에 도달한 상태로 해석해도 될까요? 또 이 지점에서 두 고체가 동시에 석출되는 이유는 어느 한쪽 고체만 단독으로 석출될 경우 계의 평형을 유지하기 위한 추가적인 어는점 내림이 불가능해지므로 두 고체 상이 동시에 액체와 상평형을 이루어야만 안정해지기 때문인지 궁금합니다.
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안녕하세요 화공생명공학과 맹서현입니다. 첫 번째로 언급하신 대로 공융점은 양쪽 성분에서 시작된 두 개의 액상선, 즉 각각의 어는점 내림 곡선이 교차하는 지점입니다. 이는 두 물질이 서로 용매와 용질로 작용하여 계의 어는점을 최대한으로 낮춘 상태이며, 해당 혼합물 시스템 내에서 단일 액체 상이 안정하게 존재할 수 있는 열역학적 최저 온도 한계점이 맞습니다.
또한 이 지점에서 두 고체가 동시에 석출되는 현상에 대한 해석 역시 훌륭합니다. 이를 깁스의 상률을 적용하여 생각해보면 더욱 명확하게 이해할 수 있습니다. 일정한 압력 조건에서 2성분계 시스템이 액체 상 하나와 서로 다른 고체 상 두 개, 총 3개의 상을 동시에 이룰 때 시스템의 자유도는 0이 됩니다. 즉, 공융점에서는 온도와 조성이 완전히 고정되어 더 이상 임의로 변할 수 없는 상태가 됩니다. 만약 이 상태에서 한쪽 고체만 단독으로 먼저 석출된다면 남은 액체의 조성이 변하게 되는데, 이는 이미 다른 물질에 대해서도 포화 한계에 도달한 상태이므로 즉각적인 과포화 상태를 유발하여 상평형이 깨지게 됩니다. 따라서 계속해서 냉각이 진행되는 상황에서 계가 열역학적 평형과 안정성을 유지하기 위해서는, 액체 상의 조성 비율 그대로 두 고체 상이 동시에 석출되어야만 합니다.