용매

3. 용매의 특성

용매는 용해도, 극성, 끓는점, 밀도 등에 따라 그 특성이 결정되며, 이는 용매의 활용 분야 및 안전성에 큰 영향을 미친다.^[3]

용매는 크게 극성 용매와 무극성 용매로 나눌 수 있으며, 유전 상수는 용매의 극성을 대략적으로 측정하는 기준이 된다. 유전 상수가 15 미만인 용매는 일반적으로 무극성으로 간주된다.^[6]

물 외에도 알코올, 아세톤, 헥세인과 같은 유기물도 많이 사용되며, 이들을 '''유기용매'''라고 부른다. 유기용매는 드라이클리닝(테트라클로로에틸렌), 신나(톨루엔, 테르펜유), 매니큐어 제거액이나 접착제(아세톤, 아세트산메틸, 아세트산에틸), 얼룩 제거(헥세인, 석유 에테르), 합성세제(오렌지 오일), 향수(에탄올) 또는 화학합성이나 수지 제품의 가공, 추출에 사용된다.

용매의 끓는점은 증발 속도와 관련된 중요한 특성이며,^[11] 밀도는 층 분리 현상과 관련이 있다. 대부분의 유기 용매는 물보다 밀도가 낮아 물 위에 뜨지만, 다이클로로메테인이나 클로로폼과 같은 일부 할로겐계 용매는 물보다 밀도가 높아 가라앉는다.^[16]

일반적으로 용매로 취급되는 물질은 상온 상압에서 무색의 액체이며, 독특한 냄새를 가진 것도 많다. 물 이외의 많은 용매는 매우 잘 타고, 독성이 강한 증기를 낸다. 또한, 화학반응에서는 용매의 종류에 따라 반응의 진행이 현저하게 달라지기도 한다(용매화 효과).^[4]

3. 1. 극성, 용해도 및 혼화성

• '''그룬발트-빈슈타인(Grunwald–Winstein) mY척도''': 화학 반응 중 용질의 양전하 축적에 대한 용매의 영향으로 극성을 측정한다.
• '''코소워(Kosower)의 Z척도''': 염의 자외선 흡수 최대값에 대한 용매의 영향으로 극성을 측정한다.^[7]
• '''주개 수와 주개-받개 척도''': 특정 물질과 용매가 상호 작용하는 방식 측면에서 극성을 측정한다.^[8]
• '''힐데브란트(Hildebrand) 파라미터''': 응집 에너지 밀도의 제곱근으로, 비극성 화합물에 사용된다.

3. 2. 양성자성 (프로톤성)

3. 3. 끓는점

• 저비점 용매: 끓는점이 100 °C(물의 끓는점) 미만인 용매
• 중비점 용매: 끓는점이 100 °C와 150 °C 사이인 용매
• 고비점 용매: 끓는점이 150 °C 이상인 용매

3. 4. 밀도

많은 유기 용매는 물보다 밀도가 작아 물 위에 뜨는 경우가 많다. 예외적으로 다이클로로메테인이나 클로로폼 등 할로겐계 용매의 일부와 아세트산 등은 물보다 비중이 크다.

4. 용매의 분류

용매는 극성 및 비극성 용매로 분류할 수 있으며, 유전 상수는 용매의 극성을 나타내는 척도 중 하나이다. 유전 상수가 15 미만인 용매는 일반적으로 비극성으로 간주된다.^[6] 극성 용매는 양성자성 및 비양성자성으로 더 세분화할 수 있다.

화학 반응에서 극성 양성자성 용매는 S_N1 반응 메커니즘을 선호하는 반면, 극성 비양성자성 용매는 S_N2 반응 메커니즘을 선호한다.

일반적으로 극성 용매는 극성 화합물을, 비극성 용매는 비극성 화합물을 잘 용해시킨다. ("같은 것은 같은 것을 용해한다".) 설탕과 같이 강한 극성 화합물이나 소금과 같은 이온성 화합물은 물과 같이 매우 극성인 용매에만 용해된다. 반면 기름이나 왁스처럼 비극성인 화합물은 헥세인과 같은 매우 비극성 유기 용매에 잘 용해된다. 물과 헥세인은 서로 섞이지 않으며, 잘 섞어도 빠르게 두 층으로 분리된다.

극성 용매는 프로톤성 극성 용매와 비프로톤성 극성 용매로 분류할 수 있다. 프로톤성 용매는 수소 이온(프로톤)을 제공할 수 있는 용매로, 수소 결합을 형성한다. 물, 에탄올, 아세트산 등이 그 예이다. 비프로톤성 극성 용매로는 아세토니트릴, 아세톤 등이 있다.

유전 상수 외에도 극성을 측정하는 다른 방법으로는 그룬발트-빈슈타인 mY척도, 코소워의 Z척도, 주개 수와 주개-받개 척도, 힐데브란트 파라미터, 라이하르트 염료의 ''E_T''(30) 값, 그레고리의 용매 ϸ 파라미터 등이 있다. 캠릿-타프트 파라미터는 쌍극성/분극률 (''π*''), 수소 결합 산성도 (''α'') 및 수소 결합 염기성도 (''β'')를 포함한다. 한센 용해도 파라미터는 응집 에너지 밀도를 분산, 극성 및 수소 결합 기여로 분리한다.

물 외에도 알코올, 아세톤, 헥산과 같은 유기물이 많이 사용되며, 이들은 특히 '''유기용매'''라고 불린다.

용매에 녹는 것을 용질이라 하고, 용매와 용질을 합쳐 용액이라고 한다. 용매는 목적하는 물질을 잘 녹이고(용해도가 높은 것), 화학적으로 안정적이며 용질과 화학반응하지 않아야 한다. 목적에 따라 끓는점이 낮아 제거하기 쉬운 것, 가연성, 독성, 환경 영향 등을 포함한 안전성도 중요시된다.

유기용매는 드라이클리닝(테트라클로로에틸렌), 신나(톨루엔, 테르펜유), 매니큐어 제거액이나 접착제(아세톤, 아세트산메틸, 아세트산에틸), 얼룩 제거(헥산, 석유 에테르), 합성세제(오렌지 오일), 향수(에탄올), 화학합성, 수지 제품 가공, 추출 등에 사용된다.

4. 1. 극성 용매와 비극성 용매

4. 2. 양성자성 용매와 비양성자성 용매

5. 일반적인 용매의 물리적 특성

일반적인 용매는 다음과 같은 물리적 특성을 갖는다.

• 극성: 용매는 분자 내 전하 분포에 따라 극성 용매와 무극성 용매로 나뉜다. 극성 용매는 쌍극자 모멘트를 갖는 반면, 무극성 용매는 쌍극자 모멘트가 거의 없다.
• 유전 상수: 용매의 극성을 나타내는 척도 중 하나로, 유전 상수가 클수록 극성이 크다. 물의 유전 상수는 0 °C에서 88로 매우 높으며, 15 미만인 용매는 일반적으로 무극성으로 간주된다.^[5][6]
• 끓는점: 용매의 증발 속도를 결정하는 특성이다. 끓는점이 낮으면 상온에서 빠르게 증발하고, 높으면 증발에 더 많은 에너지가 필요하다.
• 밀도: 대부분의 유기 용매는 물보다 밀도가 낮아 물 위에 뜨지만, 클로로포름, 다이클로로메테인 등 일부 할로겐계 용매는 물보다 밀도가 크다.
• 용해도: "같은 것은 같은 것을 용해한다"는 원리에 따라 극성 용매는 극성 화합물을, 무극성 용매는 무극성 화합물을 잘 용해한다.
• 분류: 용매는 무극성, 극성 비양성자성, 극성 양성자성 용매로 분류된다.
• 기타: ACS 녹색화학연구소(Green Chemistry Institute)는 주성분 분석을 기반으로 용매 선택 도구를 제공한다.^[13]

5. 1. 일반 용매 특성 표

대표적인 용매의 물성^[38][39]

용매	구조식	끓는점 (°C)	유전 상수	밀도 (g/mL)	쌍극자 모멘트 (D)
무극성 용매
펜테인	Pentane|펜테인영어	36.1	1.84	0.626	0.00
헥세인	Hexane|헥세인영어	69	1.88	0.655	0.00
벤젠	Benzene|벤젠영어	80.1	2.3	0.879	0.00
헵테인	Heptane|헵테인영어	98.38	1.92	0.680	0.0
톨루엔	Toluene|톨루엔영어	111	2.38	0.867	0.36
극성 비양성자성 용매
1,4-다이옥세인	1,4-Dioxane|1,4-다이옥세인영어	101.1	2.3	1.033	0.45
다이에틸 에터	Diethyl ether|다이에틸 에터영어	34.6	4.3	0.713	1.15
테트라하이드로푸란 (THF)	Tetrahydrofuran|테트라하이드로푸란영어	66	7.5	0.886	1.75
클로로포름	Chloroform|클로로포름영어	61.2	4.81	1.498	1.04
다이클로로메테인 (DCM)	Dichloromethane|다이클로로메테인영어	39.6	9.1	1.3266	1.60
아세트산 에틸	Ethyl acetate|아세트산 에틸영어	77.1	6.02	0.894	1.78
아세톤	Acetone|아세톤영어	56.1	21	0.786	2.88
디메틸포름아미드 (DMF)	Dimethylformamide|디메틸포름아미드영어	153	38	0.944	3.82
아세토니트릴 (MeCN)	Acetonitrile|아세토니트릴영어	82	37.5	0.786	3.92
디메틸 설폭사이드 (DMSO)	Dimethyl sulfoxide|디메틸 설폭사이드영어	189	46.7	1.092	3.96
나이트로메테인	Nitromethane|나이트로메테인영어	100–103	35.87	1.1371	3.56
프로필렌 카보네이트	Propylene carbonate|프로필렌 카보네이트영어	240	64.0	1.205	4.9
극성 양성자성 용매
암모니아	Ammonia|암모니아영어	-33.3	17	0.674 (-33.3 °C에서)	1.42
폼산	Formic acid|폼산영어	100.8	58	1.21	1.41
n-부탄올	n-Butanol|n-부탄올영어	117.7	18	0.810	1.63
아이소프로필 알코올 (IPA)	Isopropyl alcohol|아이소프로필 알코올영어	82.6	18	0.785	1.66
n-프로판올	n-Propanol|n-프로판올영어	97	20	0.803	1.68
에탄올	Ethanol|에탄올영어	78.2	24.55	0.789	1.69
메탄올	Methanol|메탄올영어	64.7	33	0.791	1.70
아세트산	Acetic acid|아세트산영어	118	6.2	1.049	1.74
물	Water|물영어	100	80	1.000	1.85

5. 2. 한센 용해도 매개변수 값

예를 들어, 아세토니트릴은 아세톤보다 극성이 더 크지만 수소 결합은 약간 덜하다.

환경적인 이유 등으로 특정 용매를 다른 용매로 대체해야 할 때, 한센 용해도 매개변수를 기준으로 대체할 수 있다. 혼합 용매의 경우, 각 순수 용매 값의 가중 평균으로 계산한다.^[14][15] 예를 들어, 톨루엔과 1,4-다이옥세인의 1:1 혼합물은 δD, δP, δH 값이 각각 17.8, 1.6, 5.5로, 클로로포름의 17.8, 3.1, 5.7과 유사하다.

6. 다성분 용매

다성분 용매는 제2차 세계 대전 이후 소련에서 개발되었으며, 소련 붕괴 이후의 국가에서도 계속 사용 및 생산되고 있다. 이러한 용매는 하나 이상의 용도를 가질 수 있지만, 보편적인 제제는 아니다.^{[17][18][19][20]}

7. 용매의 안전성

유기 용매는 대부분 휘발성이 강해 가연성 또는 고가연성을 띠므로 화재 및 폭발 위험에 주의해야 한다. 디클로로메테인이나 클로로포름과 같은 일부 염소화 용매는 예외이지만, 용매 증기와 공기의 혼합물은 폭발할 수 있다.^[21] 용매 증기는 공기보다 무거워 바닥에 가라앉아 거의 희석되지 않은 상태로 먼 거리를 이동할 수 있다. 빈 용기에도 증기가 남아 순간 발화 위험을 초래할 수 있으므로, 휘발성 용매가 들어 있던 빈 용기는 거꾸로 뒤집어 열어둔 채 보관해야 한다.

디에틸 에테르와 이황화탄소는 자연 발화 온도가 매우 낮아 화재 위험이 크다. 특히 이황화탄소의 자연 발화 온도는 100°C 미만이므로 증기 파이프, 전구, 핫플레이트, 최근에 꺼진 분젠 버너 등에 의해 점화될 수 있다.^[21] 메탄올과 같은 일부 용매는 매우 뜨거운 불꽃으로 연소될 수 있으며, 어떤 조명 조건에서는 거의 보이지 않아 화재 감지가 늦어질 수 있다.^[21][22]

용매 노출은 신경계 독성, 생식 기능 장애, 간 및 신장 손상, 호흡기 장애, 암, 청력 손실^[26][27] 및 피부염^[28] 등 다양한 건강 문제를 유발할 수 있으므로 주의해야 한다.

7. 1. 화재

7. 2. 폭발성 과산화물 형성

7. 3. 건강 영향

• 용매 증기에 노출되는 것을 피하고, 작업 환경은 드래프트 챔버를 사용하거나 환기를 잘 시켜야 한다.
• 밀폐 용기에 보관한다.
• 가연성 용매는 불 근처에서 개봉해서는 안 된다.
• 폭발이나 화재를 피하기 위해 인화성 용매를 바닥에 흘려서는 안 된다.
• 용매의 증기를 흡입해서는 안 된다.
• 용매를 피부에 닿게 해서는 안 된다. 많은 용매는 피부를 통해 쉽게 흡수된다.

7. 3. 1. 급성 노출

7. 3. 2. 만성 노출

7. 4. 환경 오염

8. 화학 반응성

용매는 용질과 화학적으로 반응하지 않는 것이 이상적이다. 반응성은 분자간 힘(쌍극자 상호작용 포함)의 영향을 받으며, 분자간 상호작용에 따라 강해진다. 수소 결합(O, N 원자와 O-H, N-H기의 수소와의 결합)을 형성하는 것이 가장 강하다.

9. 용매의 정제

대부분의 추출 및 화학 반응에 사용되는 일반적인 용매의 등급은 “시약 등급”이며, 순도는 97~99%로 약간의 수분과 휘발성 불순물을 포함한다.^[1]

경우에 따라 더 높은 순도의 용매가 필요하여 고순도 용매를 구입하거나 용매를 정제하기도 한다.^[2] 용매에는 화학적 안정성을 유지하기 위해 안정제가 첨가되는 경우가 있으며, 수분이나 기타 불순물이 섞여 있을 수도 있다.

용매의 정제는 일반적으로 건조와 증류를 의미한다.^[3] 분자체와 같은 건조제를 이용한 건조나 증류를 통해 정제하는 경우가 많다.

참조

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_[2] 논문 Solvents
_[3] 서적 Physical Chemistry https://archive.org/[...] Prentice Hall 2002
_[4] 문서 Lowery and Richardson
_[5] 간행물 Dielectric Constant of Water from 0° to 100 °C 1956-01
_[6] 문서 Lowery and Richardson
_[7] 서적 An introduction to Physical Organic Chemistry Wiley
_[8] 간행물 Solvent effects on the reactivities of organometallic compounds
_[9] 간행물 A first-principles alternative to empirical solvent parameters
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_[17] 웹사이트 dcpt.ru Solvent 646 Characteristics (ru) https://www.dcpt.ru/[...]
_[18] 웹사이트 dcpt.ru Solvent 647 Characteristics (ru) https://www.dcpt.ru/[...]
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_[20] 웹사이트 dcpt.ru Solvent 650 Characteristics (ru) https://www.dcpt.ru/[...]
_[21] 간행물 SAE Technical Paper Series SAE 1984-10-01
_[22] 간행물 Concerning the Luminosity of Methanol-Hydrocarbon Diffusion Flames 1985-07-01
_[23] 웹사이트 Peroxides and Ethers {{!}} Environmental Health, Safety and Risk Management https://www.uaf.edu/[...] 2018-01-25
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_[25] 간행물 Revisiting of Benzophenone Ketyl Still: Use of a Sodium Dispersion for the Preparation of Anhydrous Solvents 2018-10-31
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_[27] 간행물 Organic solvents and hearing loss: The challenge for audiology 2006
_[28] 웹사이트 Solvents https://www.osha.gov[...] U.S. Department of Labor
_[29] 뉴스 National: Recall ordered for toy that turns into drug https://www.theage.c[...] 2007-11-07
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_[32] 간행물 Chronic Solvent induced Encephalopathy: A step forward https://www.scienced[...] 2012-08-01
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