침전
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1. 개요
침전은 화학 반응으로 인해 용액 내에 불용성 고체가 생성되는 현상을 의미하며, 화학 실험 조작 및 물질 분리 방법으로 사용된다. 무기 화학에서는 금속 이온의 정성 분석에 활용되었으나, 현대에는 다른 분석법으로 대체되었다. 유기 화학에서는 반응 생성물의 후처리 및 정제 과정에서 생성물을 분리하는 데 사용되며, 환원 침전과 과포화, 콜로이드 현상과 관련되기도 한다. 생화학에서는 단백질 및 DNA 정제에, 야금학에서는 합금 강화 및 금속 합금의 취성을 유발하는 데 활용되며, 산업적으로는 수산화물 침전 공정에 널리 사용된다.
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| 침전 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 정의 | 용액으로부터 용해되지 않는 고체가 분리되어 나오는 화학적 과정 |
| 관련 용어 | 침전물 침전제 |
| 상세 정보 | |
| 과정 | 용액 내 이온들이 반응하여 용해도 한계를 초과하는 새로운 불용성 화합물을 형성하고, 이 화합물이 용액에서 분리되어 고체 형태로 나타나는 현상 |
| 메커니즘 | 핵생성, 결정 성장 |
| 유도 요인 | 용해도 감소 과포화 |
| 용도 | 폐수 처리 광물 분리 화학 분석 의약품 제조 |
| 응용 분야 | |
| 환경 과학 | 폐수에서 중금속 제거 |
| 분석 화학 | 특정 이온의 정량 분석 |
| 산업 공정 | 제품 순도 향상 또는 특정 물질 회수 |
| 추가 정보 | |
| 참고 사항 | 침전 반응은 용해도곱 상수에 의해 예측 가능함 |
2. 화학적 침전
화학에서 침전은 화학 변화에 의해 용액 속에 불용성 고체가 나타나는 현상이다.[13] 침전물은 단순히 바닥에 가라앉는 것만을 의미하지 않는다.[14] 침전물을 '''침전'''이라고 부르는 경우도 있다.[13]
화학 실험에서는 '''침전 반응'''(precipitation reaction|links=no영어)을 통해 침전을 얻는 방법이 사용된다.
무기 이온 반응에서는 염의 용해도 차이를 이용하여 침전을 생성한다. 과거에는 침전 생성 여부를 통해 금속 이온을 확인하는 정성 분석을 수행했지만, 현재는 더 정밀한 분석 방법이 사용되어 교육적인 목적으로만 활용된다. 오늘날 침전은 용액에서 물질을 분리하는 방법으로 주로 사용된다.
일반적으로 분자량이 작고 결정화하기 쉬운 화합물은 재결정법으로 정제와 분리를 함께 실시한다. 그러나 고분자처럼 결정화가 어려운 물질은 재결정으로 정제하기 어렵다. 이 경우, 생성물을 소량의 좋은 용매에 녹인 후, 다량의 나쁜 용매를 첨가하거나 반대로 나쁜 용매에 용액을 조금씩 첨가하여 침전을 얻는다. 불순물은 침전물 표면에 부착되므로, 침전물을 세척하여 순도를 높일 수 있다.
'''재침전'''은 침전을 반복하여 순도를 높이는 방법이다. 침전물을 다시 녹여 불순물을 제거하므로 세척보다 효과적이지만, 재결정법만큼 높은 순도를 얻기는 어렵다. 재침전은 고분자 합성에서 단량체와 같은 저분자량체를 제거하는 데 자주 사용된다.
2. 1. 무기 화학에서의 침전
염 속의 양이온 종류를 검출하는 데 침전물 생성을 이용할 수 있다. 이를 위해 알칼리가 미지의 염과 반응하여 미지의 염의 수산화물인 침전물을 생성한다. 양이온을 확인하려면 침전물의 색깔과 과량에서의 용해도를 확인한다. 비슷한 과정이 종종 순차적으로 사용된다. 예를 들어, 질산 바륨 용액은 황산 이온과 반응하여 고체 황산 바륨 침전물을 생성하는데, 이는 황산 이온이 존재할 가능성이 높음을 나타낸다.[5]수용액에서의 침전의 일반적인 예는 염화은이다. 질산은(AgNO3)을 염화칼륨(KCl) 용액에 첨가하면 흰색 고체(AgCl)의 침전이 관찰된다.[5][6]
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이온 방정식을 사용하면 수용액에 존재하는 해리된 이온을 자세히 설명하여 이 반응을 쓸 수 있다.
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화학에서 침전은 화학 변화에 의해 용액 속에 불용성 고체가 나타나는 현상이다.[13] 반드시 바닥에 가라앉는 경우만을 의미하지는 않는다.[14] 침전물을 '''침전'''이라고 부르는 경우도 있다.[13]
화학 실험 조작법으로 '''침전 반응'''(precipitation reaction영어)이 이용되는 경우가 있으며, 그 조작 방법도 '''침전'''이라고 불린다.
무기 이온 반응 등에서 난용성 염을 생성하는 경우에는 결정성 침전을 생성한다. 염의 용해도(곱)는 이온의 조합에 따라 완전히 다르기 때문에, 역사적으로는 침전의 생성을 확인함으로써 금속 이온 등의 정성 분석을 수행했다. 오늘날에는 원자흡광 분석법이나 이온 크로마토그래프법 등 더욱 미량이고 정량적인 분석 방법이 채택되므로, 침전에 의한 정성 분석은 교육적인 의미만 남았다. 따라서 오늘날에는 침전은 물질을 용액으로부터 분리하는 조작 방법으로 이용되고 있다.
2. 2. 유기 화학에서의 침전
유기 반응의 생성물을 후처리 및 정제 과정에서 분리하는 데 침전 반응이 사용된다. 이상적으로는 반응 생성물이 반응에 사용된 용매에 불용성이어야 한다. 따라서 생성되는 즉시 침전되며, 바람직하게는 순수한 결정을 형성한다. 이에 대한 예로는 환류하는 프로피온산에서 포르피린을 합성하는 것을 들 수 있다. 반응 혼합물을 상온으로 냉각시키면 포르피린 결정이 침전되며, 뷰흐너 여과기를 사용하여 여과하여 수집한다.[9]
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침전은 ''반용매''(생성물이 불용성인 용매)를 첨가하여 원하는 생성물의 용해도를 급격히 감소시킬 때에도 발생할 수 있다. 그 후, 데칸테이션, 여과 또는 원심 분리에 의해 침전물을 쉽게 분리할 수 있다. 예를 들어 Cr3+테트라페닐포르피린 염화물의 합성에서 반응이 일어난 디메틸포름아미드(DMF) 용액에 물을 첨가하면 생성물이 침전된다.[10] 침전은 다른 많은 생성물을 정제하는 데 유용하다. 예를 들어, 조잡한 bmim-Cl은 아세토니트릴에 녹인 다음 에틸 아세테이트에 떨어뜨리면 침전된다.[11]
화학 실험 조작법으로 침전 반응(precipitation reaction영어)이 이용되는 경우가 있으며, 그 조작 방법도 침전이라고 불린다.
일반적으로 분자량이 작고 결정화하기 쉬운 화합물은, 정제도가 높은 재결정법 등에 의해 정제와 분리를 함께 실시한다. 그러나, 고분자 등 결정화가 어려운 것은 재결정으로 정제할 수 없는 경우가 많다. 일반적으로 이러한 경우에는 다른 방법으로 조정제를 해 놓고, 다음으로 생성물을 소량의 좋은 용매에 녹여 용액으로 하고, 여기에 다량의 나쁜 용매를 첨가(혹은 반대로 다량의 나쁜 용매에 용액을 조금씩 첨가해 나감)함으로써, 생성물을 침전으로 얻는다. 많은 경우, 불순물은 침전의 미립자 표면에 부착되므로, 생성된 침전물을 씻는 것으로 어느 정도의 순도 향상이 기대된다.
반복해서 침전을 생성시켜 순도를 높이는 방법을 재침전(reprecipitation)이라고 한다. 일단 생성된 침전물을 다시 녹이기 때문에 단순히 침전물을 씻는 경우보다 순도 향상이 기대되지만, 재결정법만큼의 순도는 기대하기 어려운 경우가 많다. 재침전은 고분자 합성에서 저분자량체(단량체 등)를 제거하는 목적으로 자주 사용된다.
2. 3. 환원 침전
발덴 환원기는 낮은 화학적 원자가 때문에 용해도가 더 낮은 화합물의 침전을 동반하는 환원 반응의 한 예이다.:
질산은 용액에 구리선을 담가 얻은 미세한 은 결정으로 만들어진 발덴 환원기는 산화환원 전위 척도에서 은 전극쌍 (Ag+ + 1 e– → Ag)보다 위에 있는 모든 금속 이온을 더 낮은 원자가로 환원하는 데 사용된다.[13]
3. 과포화
어떤 화합물의 침전은 그 농도가 용해도를 초과할 때 발생할 수 있다. 이는 온도 변화, 용매 증발 또는 용매 혼합으로 인해 발생할 수 있다. 강하게 과포화된 용액에서는 침전이 더 빠르게 발생한다.
침전물의 형성은 화학 반응에 의해 발생할 수 있다. 염화바륨 용액이 황산과 반응하면 흰색의 황산바륨 침전물이 생성된다. 요오드화칼륨 용액이 질산납(II) 용액과 반응하면 노란색의 요오드화납(II) 침전물이 생성된다.
화학에서 침전은 화학 변화에 의해 용액 속에 불용성 고체가 나타나는 현상이다.[13] 반드시 바닥에 가라앉는 경우만을 의미하지는 않는다.[14] 침전물을 '''침전'''이라고 부르는 경우도 있다.[13]
4. 콜로이드와 침전
고체 입자들이 서로 응집하고 중력에 의해 용액에서 제거될 만큼 충분한 인력(예: 반데르발스 힘)이 없으면, 입자들은 현탁액 상태로 남아 콜로이드를 형성한다. 침전은 고속 원심분리기를 이용한 원심 분리에 의해 가속화될 수 있다. 이렇게 얻어진 밀집된 덩어리는 때때로 '펠릿'이라고 한다. 침전을 구성하는 고체 미립자는 미결정일 수도 있고, 겔과 같은 상태일 수도 있다. 침전 현상이 발생하기 전의 용액은 분산체이며, 분산체가 되는 고체 미립자가 매우 작은 경우에는 콜로이드 용액으로 안정되어 침전이 발생하지 않는 경우도 있다. 분산체가 안정화되는 데에는 미립자의 표면 에너지와 그 근방에 발생하는 전기 이중층이 크게 관여하고 있다.[13][14]
4. 1. 침전물의 숙성 (Digestion)
소화 또는 침전물의 숙성은 신생 침전물이, 일반적으로 더 높은 온도에서, 침전되는 용액에 남아 있을 때 발생한다. 이는 더 순수하고 더 큰 재결정된 입자를 생성한다. 소화의 기저를 이루는 물리화학적 과정은 오스트발트 숙성이라고 한다.[7][8]5. 생화학에서의 침전
단백질의 정제 및 분리는 용매의 성질이나 상대 유전율(예: 물을 에탄올로 치환)을 변화시키거나 용액의 이온 강도를 증가시킴으로써 침전을 통해 수행할 수 있다. 단백질은 특정한 접힘과 다양한 약한 분자간 상호작용(예: 수소 결합)으로 인해 복잡한 3차 및 4차 구조를 가지고 있기 때문에, 이러한 상위 구조는 변형될 수 있으며 단백질은 변성되어 침전될 수 있다. 반용매의 또 다른 중요한 적용은 DNA의 에탄올 침전이다.
6. 야금학 및 합금에서의 침전
고체상에서의 침전은, 예를 들어 빠른 냉각 또는 이온 주입으로 인해 하나의 고체 농도가 모체 고체 내 용해도 한계를 초과하고, 확산이 침전물로의 편석을 유도할 수 있을 만큼 온도가 충분히 높을 경우 발생한다. 고체 내 침전은 나노 클러스터를 합성하는 데 일상적으로 사용된다.[12]
야금에서 고용체로부터의 침전은 합금을 강화하는 방법이기도 하다.
지르칼로이 피복재의 수소화지르코늄과 같은 금속 합금 내 세라믹 상의 침전은 금속 합금을 취성으로 만들고 기계적 파손을 초래할 수 있다. 따라서 사용후핵연료를 냉각시킬 때 정확한 온도와 압력 조건을 정확하게 제어하는 것은 피복재 손상을 방지하고 건식 저장 용기 및 지질 처분 조건에서 장기간 사용후핵연료 요소의 무결성을 유지하는 데 필수적이다.
7. 산업적 응용
수산화물 침전은 산업적으로 가장 널리 사용되는 침전 공정으로, 수산화칼슘(소석회) 또는 수산화나트륨(가성소다)을 침전제로 첨가하여 금속 수산화물을 생성하는 공정이다.[13]
8. 역사
다른 침전 과정에서 유래된 분말은 역사적으로 '꽃'(flowers)으로도 알려져 왔다.
참조
[1]
웹사이트
precipitation
https://goldbook.iup[...]
[2]
백과사전
Chemical precipitation
https://britannica.c[...]
2020-11-28
[3]
사전
precipitate
Merriam-Webster
2020-11-28
[4]
사전
precipitant
Merriam-Webster
2020-11-28
[5]
서적
Chemical Principles
https://books.google[...]
Cengage Learning
[6]
서적
Introductory Chemistry: A Foundation
https://books.google[...]
Cengage Learning
[7]
학술지
On the Ostwald ripening theory
[8]
학술지
The theory of Ostwald ripening
[9]
학술지
A simplified synthesis for meso-tetraphenylporphine
[10]
학술지
On the preparation of metalloporphyrins
[11]
유기합성
Preparation of 1-Butyl-3-methyl imidazolium-based room temperature ionic liquids
[12]
학술지
Formation, Dynamics, and Characterization of Nanostructures by Ion Beam Irradiation
[13]
백과사전
沈殿
岩波書店
1982-11-05
[14]
학술지
大学教養課程における陽イオン定性分析実験
https://doi.org/10.2[...]
日本化学会
[15]
서적
레이먼드 창의 일반화학 용해도곱 표 출처
사이플러스
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