[일반화학] 28. 용액(1)

[일반화학] 28. 용액(1)

혼합물(mixture)은 두 가지 이상의 순물질이 각각의 화학적 성질의 변화 없이 임의의 비율로 섞여있는 것이다. 혼합물은 불균일(heterogeneous)혼합물과 균일(homogeneous)혼합물로 나눌 수 있다. 불균일혼합물은 구성 성분들이 균일하게 혼합되지 않아 영역에 따라 서로 다른 조성으로 나타난다(예: 설탕+소금, 물+기름). 균일혼합물은 육안으로 보기에 균일하게 혼합이 이루어져 전 영역에 걸쳐 조성이 같다.(예: 바닷물(염화소듐+물), 황동(놋쇠, 구리+아연)) 균일혼합물은 구성입자의 크기에 따라 용액(solution) 또는 콜로이드(colloid)로 분류할 수 있다. 콜로이드 입자의 크기는 용액 입자의 크기보다 크고, 현탁액(suspension, 예: 혈액, 페인트, 에어로졸 스프레이)이라는 혼합물의 입자의 크기는 콜로이드의 입자의 크기보다 크다.

용액은 일반적으로 고체+액체(액체혼합물)로 인식되지만 실제로는 다음과 같이 다른 종류의 용액도 가능하다.

기체 또는 고체가 액체에 용해된 용액에서 용해된 물질을 용질(solute, 소량성분), 액체는 용매(solvent, 다량성분)라고 한다. 공기와 같은 기체 또는 기체혼합물의 예외적인 경우를 제외하고 위의 표에 수록된 다른 종류의 용액들은 응축상(condensed phase)으로서 액체 또는 고체의 상태를 갖는다. 따라서 순수한 액체와 고체의 성질을 설명하기 위해 모든 분자간 힘(intermolecular force)이 필요한데 그 이유는 고려해야 할 3가지 유형의 상호작용 용매-용매, 용매-용질, 용질-용질 때문이다. 

염화소듐 같은 이온성 고체는 물과 같은 극성 용매에 잘 녹고, 콜레스테롤 같은 비극성 유기 물질은 벤젠 같은 비극성 용매에 잘 녹는다. 반면 기름은 물에 녹지 않는데 그 이유는 두 액체가 서로 다른 종류의 분자간 힘을 갖기 때문이다.

다음의 그림은 고체 \(\text{NaCl}\)을 물에 녹이는 과정이다. 

고체 \(\text{NaCl}\)에서 결합된 이온들은 물 분자와의 충돌로 떨어져 나오고, 이 과정은 결정이 완전히 녹을 때까지 반복된다. 용액 중의 이온은 용매화(solvated)된다고 하고, 용매가 물일 때는 수화(hydrated)된다고 한다. 

용질의 용해는 자유에너지 변화(\(\Delta G=\Delta H-T\Delta S\))와 관련이 있고 \(\Delta G<0\)이면 용해과정은 자발적이고 용질이 녹지만, \(\Delta G>0\)이면 용해과정은 비자발적이고 용질은 녹지 않는다. 엔탈피 \(\Delta H\)는 용해되는 동안 계 내부/외부로의 에너지 척도이고, 온도 의존성 엔트로피 \(T\Delta S\)는 계 내에서 분자 무질서도의 변화에 대한 척도이다. 이때 엔탈피 변화를 용해열(heat of solution) 또는 용해 엔탈피(enthalpy of solution, \(\Delta H_{\text{soln}}\)), 엔트로피 변화는 용해 엔트로피(entropy of solution, \(\Delta S_{\text{soln}}\))라고 한다. 다음은 물에서의 이온성 물질들의 용해 엔탈피와 용해 엔트로피이다.

한 액체가 다른 액체에 녹을때도 서로 다른 분자들이 뒤섞이면서 무질서도는 증가한다(아래그림 참고).

운동선수들이 부상을 치료하는데 사용하는 즉석 핫팩(hot pack)이나 즉석 콜팩(cold pack)을 사용한다. 두 종류의 즉석 팩에는 모두 물주머니와 고체 염이 들어있는데 핫팩에는 \(\text{CaCl}_{2}\)나 \(\text{MgSO}_{4}\)고체염이, 콜드팩에는 \(\text{NH}_{4}\text{NO}_{3}\)고체염이 각각 들어있다. 팩을 누르면 물주머니가 터져서 고체 염이 녹게 되고, 이에 따라 온도가 올라가거나 내려간다(아래그림에서 왼쪽은 핫팩의 발열과정, 오른쪽은 콜팩의 흡열과정이다).

주어진 물질에 대한 정확한 \(\Delta H_{\text{soln}}\)의 값은 다음의 세 종류의 사호작용으로부터 얻을 수 있다.

용매-용매 상호작용: 용매 분자들 사이의 분자간 인력을 극복하는데 에너지(양의 \(\Delta H\))가 흡수된다. 

용질-용질 상호작용: 결정 안에서 용질 분자들을 서로 붙잡고 있는 분자간 인력을 극복하는데 에너지(양의 \(\Delta H\))가 흡수된다. 

용매-용질 상호작용: 용매 분자들이 용질 입자를 둘러싸서 용매화할 때 에너지가 방출된다(음의 \(\Delta H\)). 

처음 두 종류의 상호작용(용매-용매, 용질-용질)은 흡열과정으로서 용매 분자들을 떼어놓거나 결정을 깨뜨리기 위해 에너지가 필요하다. 세 번째 상호작용만이 용매와 용질 입자 사이에 분자간 인력이 작용하므로 발열과정이다. 다음은 세 가지 상호작용의 합을 통해 \(\Delta H_{\text{soln}}\)이 흡열인지 발열인지 결정하는 과정이다.

일상에서는 용액을 묽다(dilute) 또는 진하다(concentrate)라고 말하는 것만으로 충분하나 과학(화학) 연구에서는 일정한 양의 용매에 용해되어 있는 용질의 정확한 양(정확한 용액의 농도)을 알야아 한다. 여기서는 4가지로 농도를 표현하는데 몰농도(molarity), 몰분율(mole fraction), 질량백분율(mass percent), 몰랄농도(molality)가 있다. 

몰농도

몰농도의 장점:

1. 화학계산을 단순화 할 수 있다.

2. 용액의 양(따라서 용질의 양)을 질량이 아닌 부피로 측정해서 적정(titration)이 쉽다.

몰농도의 단점:

1. 용액의 부피가 온도변화에 따라 달라지기 때문에(샤를의 법칙), 온도에 따라 정확한 용질의 농도가 달라진다.

2. 용액의 밀도를 모르면 일정한 부피의 용액 속에 있는 정확한 용매의 양을 알 수 없다.

몰분율

몰분율은 단위가 없고, 온도와 무관하기 때문에 기체 혼합물과 관련된 계산에 유용하지만 액체 용액에는 사용하지 않는다.

질량 백분율

질량 백분율은 그 성분의 질량을 용액의 전체 질량으로 나누고 100%를 곱해서 구한다. 특히 매우 묽은 용액에 유용한 농도 단위로 ppm(백만분율, parts per million), ppb(십억분율, parts per billion)가 있다.

몰랄농도

몰랄농도는 몰농도와 달리 용매 1kg당 용질의 몰수(mol/kg)로 정의한다. 몰농도는 용액의 부피(L)당 용질의 몰수이고, 몰랄농도는 용매의 질량(kg)당 용질의 몰수이다. 

다음은 네 가지 농도표시방법에 대한 요약이다.

0.750M의 황산(\(\text{H}_{2}\text{SO}_{4}\))수용액의 밀도는 \(20^{\circ}\text{C}\)에서 \(1.046\text{g/mL}\)이고 몰질량은 \(98.1\text{g/mol}\)이다. 계산의 편의를 위해 1.00L의 용액이라고 하자. 그러면 1.00L용액에서의 용질의 몰수와 질량, 용액의 질량은 다음과 같다. 

그러면 1.00L용액에서의 물의 질량과 몰수는 다음과 같고

황산의 몰분율은

황산의 질량 백분율은

황산의 몰랄농도는

이다. 

참고자료: 

Chemistry 7th edition, McMurry, Fay, Robinson, Pearson