과포화
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1. 개요
과포화는 용액 내 용질의 농도가 포화 상태를 넘어선 상태를 의미한다. 이는 용액의 온도 변화, 기체의 압력 변화, 또는 기체 혼합물로부터 액체 형성 등 다양한 방식으로 발생할 수 있다. 과포화 용액은 불안정하여 용질이 결정 또는 비정질 형태로 침전되거나, 기체가 방출될 수 있다. 과포화 현상은 재결정, 탄산음료 제조, 잠수병, 증기 터빈 설계, 대기 연구, 의약품 개발 등 다양한 분야에서 응용된다.
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| 과포화 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 정의 | 용액이 평형 상태에서 녹을 수 있는 최대 용질 양보다 더 많은 용질을 포함하는 상태 |
| 특징 | 불안정한 상태로, 외부 자극에 의해 용질이 석출될 수 있음 |
| 형성 과정 | |
| 일반적인 방법 | 높은 온도에서 용질을 녹인 후 천천히 냉각시키는 방법 용매를 증발시켜 용질 농도를 증가시키는 방법 |
| 추가 방법 | 화학 반응을 이용해 용해도보다 더 많은 양의 용질을 생성하는 방법 압력을 조절하여 용해도 변화를 유도하는 방법 |
| 불안정성 및 석출 | |
| 석출 유발 요인 | 작은 결정 핵의 존재 용액에 진동 또는 충격을 가하는 경우 용액의 온도를 낮추는 경우 다른 물질 첨가 |
| 석출 결과 | 과포화 상태에서 용질이 고체 형태로 분리됨 결정 형성 또는 침전 발생 |
| 응용 분야 | |
| 결정 성장 | 단결정 성장 또는 다결정 성장과 같이 다양한 형태의 결정을 만드는 데 사용됨 |
| 화학 분석 | 일부 화학 반응에서 과포화 상태를 활용하여 특정 물질을 분리 또는 분석 |
| 제약 산업 | 특정 약물 성분의 결정 구조를 제어하여 약효 및 안정성을 향상시키는 데 활용 |
| 식품 산업 | 사탕이나 캐러멜 제조 과정에서 설탕의 과포화 상태를 이용하여 특정한 식감을 구현 냉각 과정에서 결정 구조를 제어하여 식품의 질감을 개선 |
| 기타 | 기상 증착 공정에서 박막 성장 촉매 물질 제조 |
| 관련 개념 | |
| 용해도 | 특정 온도와 압력에서 용매에 녹을 수 있는 최대 용질의 양 |
| 포화 용액 | 특정 온도와 압력에서 최대 용질을 녹인 용액 |
| 불포화 용액 | 주어진 온도와 압력에서 최대 용질보다 적은 용질을 녹인 용액 |
| 핵 생성 | 용질이 석출되어 새로운 결정 구조를 형성하는 과정 |
| 참고 자료 | |
| 위키백과 | 영어 위키백과 supersaturation |
2. 역사
초기 연구는 황산나트륨(글라우버염)을 이용하여 진행되었는데, 이는 물에서의 용해도가 온도가 증가함에 따라 감소할 수 있다는 특이한 성질 때문이었다. 과포화 용액의 결정화는 단순히 용액을 젓는 것으로 인한 것이 아니라, 고체 물질이 들어가 결정이 형성될 "시작" 지점, 즉 "씨앗" 역할을 하는 것에서 비롯된다는 것이 밝혀졌다.[1] 이를 바탕으로 조제프 루이 게이뤼삭은 염 이온의 운동학과 용기의 특성이 과포화 상태에 영향을 미친다는 점에 주목했다. 그는 또한 과포화 용액을 얻을 수 있는 염의 종류를 확장했다. 이후 앙리 뢰벨은 용액의 핵과 용기의 벽 모두가 결정화를 유발하는 용액에 촉매 작용을 한다는 결론을 내렸다. 데지레 제르네즈는 결정화를 촉진하려면 핵이 결정화되는 염과 동일해야 한다는 것을 발견함으로써 이 연구에 기여했다.[23]
과포화는 다양한 상황에서 발생한다.
3. 발생 및 예시
과포화는 용질과 용액이 두 개의 상으로 분리되어 있을 때 상평형 상태가 되는 용해량(포화)을 초과한 용질 농도에서 단일 상을 유지하는 용액의 준안정 상태를 의미한다. 다시 말해, 특정 온도와 압력에서 결정되는 용해도나 포화 수증기압보다 농도나 습도가 높은 경우이다.[23]
어떤 계기로 인해 용액과 다른 상(예를 들어 기포나 미세 결정)이 발생하면, 처음으로 그 상들 사이에서 용질 분자의 교환이 일어나고, 곧바로 상평형 상태로 변화한다. 이러한 계기는 용기 내에 존재하는 미세한 요철이 있는 부분에서 일어나기 쉽다. 그것들이 결정화에 필요한 핵이 되고, 핵이 성장함으로써 더 큰 결정 입자가 만들어진다.[23]
단백질을 결정화하려고 할 때도 과포화 현상이 발생할 수 있다.[7]
3. 1. 고체 침전, 액체 용매
액체에 화합물이 녹아있는 용액은 포화 용액의 온도가 변화하면 과포화 상태가 된다. 대부분의 경우 용해도는 온도가 낮아짐에 따라 감소하므로, 과량의 용질은 결정 또는 비정질 분말 형태로 용액에서 빠르게 분리된다.[2][3][4] 몇몇 경우에는 반대 현상이 발생하는데, 황산나트륨과 물의 예가 잘 알려져 있으며, 이것이 초기 용해도 연구에 사용된 이유이다.
재결정[5][6]은 화합물을 정제하는 데 사용되는 과정이다. 불순한 화합물과 용매의 혼합물을 가열하여 화합물이 용해될 때까지 가열한다. 고체 불순물이 남아 있으면 여과를 통해 제거한다. 그런 다음 용액의 온도를 낮추면 잠시 과포화 상태가 되고, 낮은 온도에서 화학적 평형이 이루어질 때까지 화합물이 결정화된다. 불순물은 상등액에 남는다.
경우에 따라 결정이 빠르게 형성되지 않아 냉각 후에도 용액이 과포화 상태로 남아 있을 수 있다. 이는 액체 매질에서 결정 형성에 열역학적 장벽이 있기 때문이다. 일반적으로 과포화 용액에 용질 화합물의 작은 결정을 첨가하는 "씨앗 첨가"라는 과정을 통해 이를 극복한다. 또 다른 방법은 용액이 들어있는 유리 용기를 막대로 문지르는 것인데, 이는 미세한 유리 입자를 방출하여 핵 생성 중심 역할을 할 수 있다. 산업에서는 원심분리를 사용하여 결정을 상등액으로부터 분리한다.
일부 화합물과 화합물 혼합물은 장수명 과포화 용액을 형성할 수 있다. 탄수화물은 이러한 화합물의 한 종류이다. 물과의 광범위하고 불규칙한 수소 결합으로 인해 결정 형성에 대한 열역학적 장벽이 상당히 높다. 예를 들어, 자당은 쉽게 재결정될 수 있지만, "전화당" 또는 "골든 시럽"으로 알려진 가수분해 생성물은 포도당과 과당의 혼합물로 점성이 높은 과포화 액체로 존재한다. 투명한 꿀에는 몇 주에 걸쳐 결정화될 수 있는 탄수화물이 포함되어 있다.
3. 2. 기체 용질, 액체 용매
액체 내 기체의 용해도는 기체의 압력이 증가함에 따라 증가한다. 외부 압력이 감소하면 과잉 기체가 용액에서 빠져나온다.
탄산음료는 액체에 이산화탄소를 가압하여 만든다. 샴페인의 경우, 이산화탄소(CO2)는 발효의 최종 단계에서 자연적으로 생성된다. 병이나 캔을 열면 일부 기체가 거품 형태로 방출된다.
잠수부가 수면으로 돌아올 때 과포화된 조직에서 기체가 방출되면 감압병(잠수병이라고도 함)을 겪을 수 있다. 방출된 기체가 중요한 혈액 공급을 막아 중요 조직에 허혈을 일으키면 치명적일 수 있다.[8]
3. 3. 기체 혼합물로부터의 액체 형성
소나기는 지구 대기 중 과포화된 공기와 수증기 혼합물에서 액체 상태의 물이 과도하게 생성되는 현상이다. 기체 상의 과포화는 액체의 표면 장력과 켈빈 방정식, 깁스-톰슨 효과, 그리고 포인팅 효과와 관련이 있다.[9]
4. 측정
과포화된 기체 또는 액체 혼합물에서 용질의 농도를 측정할 때는 큐벳 내부의 압력이 주변 압력보다 클 수 있다는 점을 고려해야 한다. 이러한 경우 특수 큐벳을 사용해야 한다. 분석 대상의 특성에 따라 적절한 분석 기법을 선택해야 한다.[11]
5. 응용
과포화는 의약품, 해양 생태학, 증기터빈 설계, 대기 연구 등 다양한 분야에서 응용된다.
의약품 분야에서는 과포화 용액을 만들어 액체 형태로 약물을 섭취할 수 있게 한다.[12] 해양 생태학에서는 과포화 용액을 통해 광합성 유기체의 활동을 연구한다.[17] 증기터빈 설계 시에는 과포화 현상을 고려하며,[18] 대기 연구에서는 대류권 내 물의 과포화를 통해 얼음 격자 형성을 관찰한다.[19]
5. 1. 의약품
의약품 분야에서 과포화는 실용적으로 응용된다. 특정 약물의 과포화 용액을 만들어 액체 형태로 섭취할 수 있다. 약물은 일반적인 방법으로 과포화 상태가 되도록 유도한 후, 침전 억제제를 첨가하여 침전되는 것을 방지한다.[12] 이러한 상태의 약물을 "과포화 약물 전달 시스템"(Supersaturating Drug Delivery Systems, SDDS)이라고 부른다.[13] 이러한 형태의 약물을 경구 섭취하는 것은 간단하며 매우 정확한 용량 측정이 가능하다. 주로, 용해도가 매우 낮은 약물을 수용액으로 만들 수 있는 수단을 제공한다.[14][15] 또한, 일부 약물은 결정 형태로 섭취되었음에도 불구하고 체내에서 과포화 상태가 될 수 있는데, 이러한 현상은 생체 내 과포화로 알려져 있다.[16]5. 2. 해양 생태학
과포화 용액의 확인은 해양 생태학자들이 유기체와 개체군의 활동을 연구하는 도구로 사용될 수 있다. 광합성 유기체는 물 속으로 이산화 탄소 기체를 방출한다. 따라서 이산화 탄소 기체로 과포화된 해양 지역은 광합성 활동이 풍부한 것으로 판단될 수 있다. 단순한 물리 화학적 특성으로 인해 일부 이산화 탄소는 자연적으로 해양에서 발견되지만, 과포화 지역에서 발견되는 모든 산소 기체의 70% 이상은 광합성 활동에 기인할 수 있다.[17]5. 3. 증기 터빈
증기터빈 설계 시 과포화 현상은 중요한 고려 요소이다. 팽창하는 증기가 평형 상태에 도달하지 못하고 마치 과열된 것처럼 작용하기 때문에, 가역 단열 과정을 거쳤을 때 예상되는 이론값보다 실제 증기의 질량 유량이 약 1~3% 더 크다.[18] 따라서 노즐을 통한 질량 유량 계산과 관련된 팽창 비율은 포화 영역에서의 준정적 단열 팽창에 사용되는 값인 1.135 대신 과열 증기와 같은 약 1.3의 단열 지수를 사용하여 결정해야 한다.[18]5. 4. 대기 연구
대기 중 과포화 현상은 1940년대 이후로 알려져 왔다. 물이 대류권에서 과포화되면 얼음 격자 형성이 자주 관찰된다. 포화 상태에서 물 입자는 대류권 조건에서 얼음을 형성하지 않는데, 포화 압력에서 물 분자가 얼음 격자를 형성하기에는 충분하지 않기 때문이다. 응축될 표면이나 얼어붙을 물 분자의 응집체가 필요하다. 이러한 이유로 대기 중 얼음에 대한 상대 습도는 100%를 초과할 수 있으며, 이는 과포화가 발생했음을 의미한다. 물의 과포화는 실제로 상층 대류권에서 매우 일반적이며, 시간의 20%에서 40% 사이에서 발생한다.[19] 이는 대기 적외선 사운더의 위성 데이터를 사용하여 확인할 수 있다.[20]참조
[1]
논문
On Supersaturated Saline Solutions
1868-01-01
[2]
논문
Mechanism of precipitate formation during spontaneous crystallization from supersaturated aqueous solutions
2014
[3]
논문
Crystallization of molecular systems from solution: phase diagrams, supersaturation and other basic concepts
2014-03-10
[4]
논문
Effect of processing conditions on the crystallinity and structure of carbonated calcium hydroxyapatite (CHAp)
2014-04-15
[5]
서적
Industrial Crystallization
Springer
[6]
논문
Supersaturation operation for quality control of crystalline particles in solution crystallization
2012-05-01
[7]
웹사이트
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http://www.xray.bioc[...]
2015-04-21
[8]
보고서
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[9]
서적
Principles of General Thermodynamics
John Wiley & Sons, Inc.
[10]
간행물
Revised Release on the IAPWS Industrial Formulation 1997 for the Thermodynamic Properties of Water and Steam
http://www.iapws.org[...]
IAPWS
[11]
논문
How to measure supersaturation?
2002-10-01
[12]
논문
Evaluation of gastrointestinal drug supersaturation and precipitation: Strategies and issues
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논문
Supersaturating drug delivery systems: the answer to solubility-limited oral bioavailability?
2009-08-01
[14]
논문
Supersaturating drug delivery systems: Fast is not necessarily good enough
2011
[15]
특허
Gas Dissolving Method
https://patents.goog[...]
1993-08-03
[16]
논문
pH-Induced Precipitation Behavior of Weakly Basic Compounds: Determination of Extent and Duration of Supersaturation Using Potentiometric Titration and Correlation to Solid State Properties
2012-05-12
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논문
Oxygen supersaturation in the ocean: biological versus physical contributions
1987-01-09
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서적
Steam Turbine Theory and Practice – A Textbook for Engineering Students
Pitman
[19]
논문
The global impact of supersaturation in a coupled chemistry-climate model
https://hal.archives[...]
[20]
논문
The Global Distribution of Supersaturation in the Upper Troposphere from the Atmospheric Infrared Sounder
https://zenodo.org/r[...]
[21]
웹사이트
과포화
https://kotobank.jp/[...]
[22]
웹사이트
과포화
http://www.excite.co[...]
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서적
理化学辞典-第5版
岩波書店
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