수화물
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1. 개요
수화물이란 무기 화합물에서 유기 화합물까지 다양한 화합물에 존재하는 것으로, 물 분자를 포함하는 화합물을 의미한다. 무기화학에서는 금속 화합물의 결정에 물이 결합된 형태를, 유기화학에서는 물이 더해지거나 다른 분자의 구성 물질로 들어간 물질을 지칭한다. 수화물의 안정성은 화합물의 성질, 온도, 상대 습도에 따라 달라지며, 수화물은 용해도 및 용해 속도, 생체 이용률에 영향을 미칠 수 있다. 클라트레이트 수화물은 가스 분자가 갇힌 물 얼음으로, 메탄 수화물이 대표적이다.
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| 수화물 | |
|---|---|
| 개요 | |
 | |
| 정의 | |
| 수화물 | 물 또는 그 구성 요소를 포함하는 물질 |
| 화학식 | A⋅nH₂O (여기서 A는 염 또는 분자이고, n은 물 분자의 몰 수) |
| 종류 | |
| 염 수화물 | 염에 물 분자가 결합된 형태 |
| 기체 수화물 (클라스레이트 수화물) | 기체 분자가 물 분자 격자에 갇힌 형태 |
| 형성 과정 | |
| 수화 | 물질이 물과 반응하여 수화물을 형성하는 과정 |
| 성질 | |
| 물리적 성질 | 수화 정도에 따라 달라짐 (색, 결정 구조 등) |
| 화학적 성질 | 수화물은 가열 시 물 분자를 잃고 원래 물질로 되돌아갈 수 있음 |
| 예시 | |
| 염 수화물 | 황산구리 오수화물 (CuSO₄·5H₂O) 염화칼슘 이수화물 (CaCl₂·2H₂O) |
| 기체 수화물 | 메탄 수화물 (CH₄·nH₂O) 이산화 탄소 수화물 (CO₂·nH₂O) |
| 활용 | |
| 염 수화물 | 실험실 시약, 건조제, 열 저장 물질 등 |
| 기체 수화물 | 천연 가스 저장, 이산화 탄소 포집 및 저장 기술 등 |
2. 화학적 성질
수화물은 유기 화합물과 무기 화합물 모두에서 발견된다. 유기 화합물과 무기 화합물의 수화물에 대한 자세한 내용은 각각 #유기화학 및 #무기화학 하위 섹션을 참조하면 된다.
무기 화합물에서 유기 화합물까지 다양한 화합물에 존재한다. 무기 화합물 중 금속 화합물은 수화수와 착물을 형성하는 경우가 많다. 예를 들어, 황산구리 오수화물은 구리와 물의 착물에 의해 청색을 띠지만, 가열하여 수화수를 없애면 무수 황산구리가 되어 흰색 가루가 된다. 염화 코발트의 경우, 육수화물은 적자색을 띠지만 무수물은 청색이다.[1]
2. 1. 유기화학
유기화학에서 수화물은 물 분자(H₂O)가 다른 분자에 첨가되거나, 다른 분자의 구성 요소(H와 OH)로 포함된 물질을 말한다.[5] 예를 들어, 에탄올(CH₃-CH₂-OH)은 에틸렌(CH₂=CH₂)에 물이 첨가되어 한쪽 탄소에는 H가, 다른 한쪽 탄소에는 OH가 붙어서 생성되므로 에틸렌의 수화물로 볼 수 있다.글루코스(C₆H₁₂O₆, 포도당)는 원래 C₆(H₂O)₆으로 생각되어 탄수화물로 설명되었으나, 현재는 분자 구조가 밝혀져 이러한 설명은 맞지 않는다. 하지만 당시의 설명이 존중되어 명칭이 굳어진 사례 중 하나이다.
클로랄 하이드레이트(CCl₃CH(OH)₂)는 클로랄(CCl₃CH=O)과 물의 반응으로 형성될 수 있다.[5]
많은 유기 분자와 무기 분자는 화학적 변형 없이 결정 구조에 물을 통합하는 결정을 형성하는데, 이를 결정수라고 한다. 예를 들어, 설탕의 일종인 트레할로스는 무수물 형태(녹는점 203°C)와 이수화물 형태(녹는점 97°C)로 존재한다. 단백질 결정화에서 단백질 결정은 일반적으로 50%에 달하는 물 함량을 갖는다.
활성 성분의 수화 상태는 용해도, 용해 속도, 생체 이용률에 큰 영향을 미칠 수 있다.[6]
2. 2. 무기화학
무기화학에서 수화물은 금속 화합물의 결정에 정해진 비율로 결합된 물을 포함하고 있는 무기염을 이른다. 이들 분자에 포함된 물은 결정수(結晶水)라고 부른다.[1] 수화물은 금속 중심에 결합되거나 금속 착물과 함께 결정화된 물 분자를 포함하는 무기 염이다.[2][3] 물이 듀테륨(구성 수소의 동위원소)인 중수인 경우에는 "수화물" 대신 "듀테레이트"라는 용어를 사용할 수 있다.
색상이 화려한 예로는 염화 코발트(II)가 있는데, 이는 수화 시 파란색에서 빨간색으로 변하며, 물 지시약으로 사용할 수 있다.
염의 화학식 단위당 물 분자 수를 나타내는 "''수화 화합물'''''⋅''n''H₂O영어" 표기법이 소금이 수화된 것을 나타내는 데 일반적으로 사용된다. ''n''은 일반적으로 낮은 정수이지만, 분수 값이 발생할 수도 있다. 예를 들어, '''일수화물'''에서는 ''n'' = 1이고, '''육수화물'''에서는 ''n'' = 6이다. 주로 그리스어에서 유래된 숫자 접두사는 다음과 같다.[4]
- 헤미 – 0.5
- 모노 – 1
- 세스퀴 – 1.5
- 디 – 2
- 트리 – 3
- 테트라 – 4
- 펜타 – 5
- 헥사 – 6
- 헵타 – 7
- 옥타 – 8
- 노나 – 9
- 데카 – 10
- 운데카 – 11
- 도데카 – 12
물을 잃은 수화물은 무수물이라고 하며, 남아 있는 물이 있다면 매우 강한 가열로만 제거할 수 있다. 물을 전혀 포함하지 않는 물질은 무수라고 한다. 일부 무수 화합물은 너무 쉽게 수화되어 조해성이라고 하며 건조제 또는 제습제로 사용된다.
수화수의 개수에 따라 일수화물, 이수화물, 삼수화물, ... 등이 있다. 황산 알루미늄의 십칠수화물 등이 그 예이다. 아세트산 나트륨이나 티오황산 나트륨과 같이 과포화를 일으키는 수화물도 있다. 다만 황산 칼슘과 같이 수화수가 있다고 해서 물에 잘 녹는 것은 아니다.
수화수는 가열하면 손실되지만, 100°C 이상으로 가열해야 하는 것도 있다. 가열 정도에 따라 다양한 비율의 수화물이 생성되는 화합물도 있다. 탄산나트륨 십수화물처럼, 자신의 결정수에 녹는 화합물도 있다. 수화물을 갖는 화합물은 무수물에 비해 물에 더 잘 녹는 성질을 갖는다. 결정수를 갖는 화합물의 무수물이 물에 녹을 때, 발열 반응이 일어난다. 이는 물질이 결정수를 취한 후 물에 녹기 때문이다. 또한, 건조한 공기에 의해 자연적으로 결정수를 잃는 현상을 풍해라고 한다. 그러나, 조해는 결정수와 관계없는 현상이다.
무기 화합물 중 금속 화합물은 수화수와 착체를 형성하는 경우가 많다. 예를 들어, 황산구리의 청색은 구리와 물의 착체의 색으로, 가열하여 수화수를 없애면 흰색 가루가 되며, 이를 무수 황산구리라고 한다. 청색 결정의 황산구리는 오수화물이다. 한편, 염화 코발트의 경우, 육수화물은 적자색인 데 반해, 무수물은 청색이다.
2. 3. 클라트레이트 수화물
클라트레이트 수화물 (가스 수화물, 가스 클라트레이트 등으로도 알려져 있음)은 가스 분자가 안에 갇힌 물 얼음이며, 이는 클라트레이트의 한 형태이다. 중요한 예시로는 메탄 수화물이 있다.메탄과 같은 무극성 분자는 특히 고압에서 물과 함께 클라트레이트 수화물을 형성할 수 있다. 메탄이 클라트레이트의 게스트 분자일 때는 물과 게스트 분자 사이에 수소 결합이 없지만, 게스트가 테트라히드로푸란과 같은 더 큰 유기 분자일 때는 게스트-호스트 수소 결합이 자주 형성된다. 이러한 경우 게스트-호스트 수소 결합은 클라트레이트 격자에서 L-형 비에룸 결함을 형성하게 된다.[7][8]
3. 수화물의 안정성
수화물의 안정성은 일반적으로 화합물의 성질, 온도 및 상대 습도(공기에 노출된 경우)에 의해 결정된다.
수화수는 가열하면 손실되지만, 100°C 이상으로 가열해야 하는 것도 있다. 가열 정도에 따라 다양한 비율의 수화물이 생성되는 화합물도 있다. 탄산나트륨 십수화물처럼, 자신의 결정수에 녹는 화합물도 있다. 수화물을 갖는 화합물은 무수물에 비해 물에 더 잘 녹는 성질을 갖는다. 결정수를 갖는 화합물의 무수물이 물에 녹을 때, 발열 반응이 일어난다. 이는 물질이 결정수를 취한 후 물에 녹기 때문이다. 또한, 건조한 공기에 의해 자연적으로 결정수를 잃는 현상을 풍해라고 한다. 그러나, 조해는 결정수와 관계없는 현상이다.
4. 수화물의 예시
황산 알루미늄 십칠수화물은 수화수의 개수가 많은 경우이다. 아세트산 나트륨이나 티오황산 나트륨은 과포화를 일으키는 수화물의 예시이다. 다만, 황산 칼슘과 같이 수화물이지만 물에 잘 녹지 않는 경우도 있다.
무기 화합물 중 금속 화합물은 수화수와 착체를 형성하는 경우가 많다. 예를 들어, 황산구리 오수화물은 청색을 띠는데, 이는 구리와 물의 착체 때문이다. 황산구리를 가열하여 수화수를 없애면 흰색 가루가 되며, 이를 무수 황산구리라고 한다. 염화 코발트의 경우, 육수화물은 적자색을 띠지만 무수물은 청색을 띤다.
5. 수화물의 응용
의약품에서 활성 의약품 성분의 수화 상태는 용해도, 용해 속도, 생체 이용률에 큰 영향을 미칠 수 있다.[6] 많은 제조 공정에서 수화물이 형성될 수 있으며, 수화 상태는 주변 습도와 시간에 따라 변할 수 있다.
참조
[1]
서적
Greenwood&Earnshaw2nd
[2]
서적
Displacement of Water and Its Control of Biochemical Reactions
https://archive.org/[...]
Academic Press Inc. (London) Ltd.
[3]
논문
A Name and Symbol for H²
[4]
간행물
Nomenclature of Inorganic Chemistry
http://old.iupac.org[...]
2018-07-09
[5]
웹사이트
Hydration
2020-07-27
[6]
논문
Solid Forms of Ciprofloxacin Salicylate: Polymorphism, Formation Pathways and Thermodynamic Stability
[7]
논문
Linking microscopic guest properties to macroscopic observables in clathrate hydrates: guest-host hydrogen bonding
http://scitation.aip[...]
2010-09-09
[8]
논문
Gas hydrates in sustainable chemistry
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