용액

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1. 개요

용액은 두 가지 이상의 물질이 균일하게 섞인 혼합물로, 용매와 용질로 구성된다. 용액은 기체, 액체, 고체 상태로 존재하며, 균일 혼합물과 불균일 혼합물로 구분된다. 용액의 농도는 질량 퍼센트, 몰분율, 몰농도, 몰랄농도 등으로 표현되며, 용액의 종류로는 이상 용액, 정칙 용액, 전해질 용액 등이 있다. 용액의 총괄성으로는 증기압 내림, 끓는점 오름, 어는점 내림, 삼투압 등이 있으며, 이러한 특성은 분자량 측정, 산업적 활용, 환경 문제 해결, 배터리 기술 등 다양한 분야에 적용된다.

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용액
지도 정보
기본 정보
유형	균일 혼합물
구성 요소	용질 용매
혼합 상태	기체 액체 고체
특징	단일 상 용매와 용질의 균일한 분산 입자 크기 1nm 미만
용액의 종류
용매 상태에 따른 분류	기체 용액 액체 용액 고체 용액
용질 상태에 따른 분류	기체 용액 액체 용액 고체 용액
농도에 따른 분류	묽은 용액 진한 용액 포화 용액 불포화 용액 과포화 용액
용해 과정
용해	용매 분자가 용질 분자 사이의 인력을 극복 용매와 용질 분자가 서로 섞이는 현상
용해 과정의 에너지 변화	흡열 반응 발열 반응
용해 속도	온도 압력 용질의 입자 크기 교반
관련 개념
용해도	특정 온도에서 용매에 최대로 녹을 수 있는 용질의 양
농도	용액 속에 녹아 있는 용질의 양
용매화	용매 분자가 용질 이온이나 분자를 둘러싸는 현상
콜로이드	용액과 달리 입자 크기가 큰 혼합물 (1nm ~ 1μm)
현탁액	용액과 달리 입자 크기가 더 큰 혼합물 (1μm 이상)
삼투압	반투막을 통해 용매가 이동하는 압력
이상 용액	용액 내 분자 간 상호 작용을 고려하지 않는 이상적인 용액
실제 용액	용액 내 분자 간 상호 작용을 고려한 실제 용액

2. 용액의 정의 및 기본 특성

용액은 두 가지 이상의 물질이 균일하게 섞여 있는 균일 혼합물이다. 일반적으로 혼합물에서 가장 많은 양을 차지하는 물질을 용매(solvent)라고 하며, 용매에 녹아 들어가는 다른 물질들을 용질(solute)이라고 한다. 용액은 용매의 물리적 상태에 따라 기체, 액체, 고체 상태로 존재할 수 있다.

2. 1. 균일 혼합물과 불균일 혼합물

균일 혼합물은 혼합물의 성분들이 단일 상을 형성하는 것을 의미한다. 반면, 불균일 혼합물은 혼합물의 성분들이 서로 다른 상을 갖는 것을 의미한다. 혼합물의 농도, 온도, 밀도와 같은 성질은 확산 현상이 없거나 확산이 완료된 후에만 부피 전체에 걸쳐 균일하게 분포될 수 있다.

일반적으로 혼합물에서 가장 많은 양으로 존재하는 물질을 용매라고 한다. 용매는 기체, 액체, 고체일 수 있다. 용매 이외에 용액에 존재하는 하나 이상의 성분은 용질이라고 부른다. 용액은 용매와 동일한 물리적 상태를 가진다.

용매가 기체일 경우, 주어진 조건 하에서 기체(비응축성) 또는 증기(응축성)만이 용해된다. 기체 용액의 대표적인 예로는 공기가 있는데, 이는 질소에 산소 및 다른 기체들이 용해된 것이다. 기체 분자 간의 상호 작용은 거의 영향을 미치지 않으므로, 비응축성 기체는 매우 단순한 용액을 형성한다. 문헌에서는 이를 용액으로 분류하기보다는 단순히 기체의 균질 혼합물로 취급하기도 한다. 브라운 운동과 기체 분자의 끊임없는 분자 운동은 기체 시스템의 균질성을 보장한다. 공기/CO₂ 또는 공기/크세논과 같은 비응축성 기체 혼합물은 상대 밀도에 따라 뚜렷하게 층을 이루거나 자발적으로 분리 또는 침전되지 않는다. 지구상의 일반적인 조건에서는 확산력이 중력의 영향을 효과적으로 상쇄하기 때문이다. 하지만 응축성 증기의 경우는 다르다. 특정 온도에서 포화 증기압에 도달하면, 과잉된 증기는 액체 상태로 응축된다.

2. 2. 용매와 용질

일반적으로 용액에서 가장 많은 양으로 존재하는 물질을 용매(溶媒, solvent)라고 한다. 용매는 기체, 액체, 고체일 수 있다. 용매 이외에 용액에 존재하는 하나 이상의 성분을 용질(溶質, solute)이라고 한다. 용액은 용매와 같은 물리적 상태를 갖는다.

액체 용매는 기체, 다른 액체, 고체를 용해시킬 수 있다.

액체 속 기체: 물 속의 산소는 물고기가 숨을 쉴 수 있게 한다.
액체 속 액체: 알코올 음료는 물에 에탄올이 녹아 있는 것이다.
액체 속 고체: 설탕물은 물에 자당이 녹아 있는 것이다.

용매가 고체인 경우에도 기체, 액체, 고체를 용해할 수 있다.

고체 용매의 예시
용질의 상태	예시
기체	수소는 팔라듐과 같은 금속에 잘 용해된다. 이는 수소 저장 연구에 활용된다.
액체
고체

원칙적으로 모든 종류의 액체는 용매로 작용할 수 있다. 액체 비활성 기체, 용융 금속, 용융 염, 용융 공유 결합 네트워크, 분자 액체 등이 있다. 화학 및 생화학에서는 대부분 분자 액체를 용매로 사용한다. 분자 액체는 분자가 영구적인 전기 쌍극자 모멘트를 갖는지 여부에 따라 극성 용매와 비극성 용매로 분류할 수 있다. 또한 분자가 수소 결합을 형성할 수 있는지에 따라 프로톤성 용매와 비프로톤성 용매로 나눌 수 있다. 가장 흔한 용매인 물은 극성이며 수소 결합을 형성한다.

물 분자는 극성을 띠고 수소 결합을 형성할 수 있기 때문에 물은 일부 극성 물질에 대한 좋은 용매이다.

염과 같은 극성 용질은 극성 용매에 잘 녹는다. 염이 녹으면 양이온과 음이온으로 나뉘는데, 이 이온들은 각각 용매 분자의 음전하와 양전하 부분에 끌린다. 용매가 물일 경우, 하전된 용질 이온이 물 분자로 둘러싸이는 현상을 수화(hydration)라고 한다. 대표적인 예로 소금물(염화나트륨 수용액)이 있다. 이러한 용액을 전해질이라고 부른다. 염이 물에 녹을 때는 이온 회합 현상도 고려해야 한다.

에탄올과 같은 극성 용질은 극성 용매에 녹아 극성 결합이나 수소 결합을 형성한다. 모든 알코올 음료는 에탄올의 수용액이다. 반면, 비극성 용질은 비극성 용매에 더 잘 녹는다. 예를 들어, 기름이나 그리스와 같은 탄화수소는 서로 잘 섞이지만 물과는 잘 섞이지 않는다. 손상된 유조선에서 유출된 석유가 바닷물에 녹지 않고 표면에 뜨는 것이 대표적인 예이다.

용액을 명확히 구분하기 위해 용매의 종류와 함께 "용액"이라는 단어를 사용하기도 한다. 예를 들어 "에탄올 용액"과 같이 표현한다. 특별한 언급 없이 "용액"이라고만 하면 보통 수용액(물 용액)을 의미한다.

용질=페놀프탈레인, 용매=에탄올 → 페놀프탈레인(의) 에탄올 용액 또는 페놀프탈레인/에탄올 용액
용질=염화나트륨, 용매=물 → 염화나트륨 용액 또는 염화나트륨 수용액

2. 3. 용해도

한 화합물이 다른 화합물에 녹는 능력을 용해도라고 한다. 한 액체가 다른 액체에 완전히 녹을 수 있을 때, 두 액체는 ''섞일 수 있는(miscible)'' 것이다. 용액을 형성하기 위해 결코 섞일 수 없는 두 물질은 ''섞일 수 없는(immiscible)'' 것으로 여겨진다.

모든 용액은 양의 엔트로피 혼합을 갖는다. 서로 다른 분자 또는 이온 사이의 상호 작용은 에너지 적으로 유리할 수도 있고 그렇지 않을 수도 있다. 상호 작용이 불리한 경우, 자유 에너지는 용질 농도가 증가함에 따라 감소한다. 어느 시점에서 에너지 손실이 엔트로피 증가보다 커지고 더 이상 용질 입자를 녹일 수 없게 되는데, 이 용액은 포화되었다고 한다. 그러나 용액이 포화될 수 있는 시점은 온도, 압력 및 오염과 같은 다양한 환경 요인에 따라 크게 달라질 수 있다. 일부 용질-용매 조합의 경우, (예: 온도를 높여) 용해도를 높여 더 많은 용질을 녹인 다음 (예: 냉각하여) 낮춤으로써 과포화 용액을 제조할 수 있다.

일반적으로 용매의 온도가 높을수록 주어진 고체 용질을 더 많이 녹일 수 있다. 그러나 대부분의 기체와 일부 화합물은 온도가 증가함에 따라 용해도가 감소하는 현상을 보인다. 이러한 거동은 발열성 용액의 엔탈피의 결과이다. 일부 계면활성제는 이러한 거동을 나타낸다. 액체에서 액체의 용해도는 일반적으로 고체 또는 기체의 용해도보다 온도에 덜 민감하다.

용액은 서로 다른 순수 물질의 두 가지 이상의 상(phase)에서 시작하여 확산 혼합을 통해 균일한 액체가 되는 과정을 거쳐 생성되는데, 이 과정을 용해라고 한다. 즉, 기체 또는 고체를 용질로 하는 용액은 용해라고 하지만, 액체 용질 중 용매와 상 분리가 일어나지 않는 물질들은 용해라고 하지 않고 단순히 혼합이라고 부르는 경우가 많으며, 상 분리가 일어나는 물질들은 용해라고 부른다. 즉, 상 분리가 일어난다는 것은 그 용질이 용매에 전혀 용해되지 않는다는 것을 의미하지 않는다.

용질의 상태와 상 분리 여부에 따른 명칭
용질	상 분리	명칭
액체	하지 않음	혼합
액체	함	용해
기체·고체	-	용해

이와 같이 용해는 확산 과정이므로, 용매와 용질의 응집력 성질에 차이가 없다면, 기체끼리의 확산과 마찬가지로 열역학 제2법칙에 따라 어떤 비율이든 용액이 생성될 것으로 예상된다. 다시 말해, 용질-용질 간, 용매-용매 간 그리고 용질-용매 간의 응집력에 차이가 없는 경우 용해를 열역학적인 확산 과정으로 다룰 수 있으며, 그러한 용액을 '''이상 용액'''(ideal solution)이라고 한다.

용질-용질 간(혹은 용매-용매 간)의 응집력과 용질-용매 간의 응집력에 차이가 있다는 것은, 혼합 상태가 열역학적으로 불안정한 경우가 있을 수 있음을 의미한다. 혼합 전후의 응집력 차이는 열역학적 상태를 변화시켜 열로 나타난다. 즉, 발열 또는 흡열의 용해열로 나타난다. 다시 말해, 용해열의 지표인 혼합 엔탈피 변화와 확산의 지표인 혼합 엔트로피 변화의 수지가 양의 값일 때 용해가 진행된다.

실제 용액에서는 이온 전하 간의 정전기적 상호 작용, 또는 이온 전하를 띠지 않는 물질에서는 수소 결합, 쌍극자 상호 작용, 런던 분산력 등 다양한 메커니즘에 의해 발생하는 응집력이 작용한다. 그 결과, 용매 분자 또는 용질 분자의 성질에 따라 이러한 응집력 중 일부가 중첩되어 작용하게 되지만, 응집력의 종류에 따라 분자의 구조와 배향에 따라 강도가 변하기 때문에 분자의 종류에 따라 응집력에 선택성이 생기게 된다.

먼저, 응집력은 거리의 제곱에 반비례하는 원거리력인 정전기적 상호 작용과 그보다 도달 거리가 짧은 근거리력인 반데르발스 힘(분자간력)으로 분류된다. 그리고 반데르발스 힘은 그 발생 메커니즘에 따라 런던 분산력이나 쌍극자 상호 작용 등으로 다시 여러 가지로 분류된다. 용액의 물리화학적 거동을 구별하기 위해 다음과 같이 응집력의 차이에 따라 용액을 분류한다.

응집력의 종류에 따른 용액 분류
		이상 용액^†	정칙 용액	(일반 용액)	전해질 용액
근거리력	런던 분산력	○	◎	○	○
	쌍극자 상호 작용	×	×	◎	○
	수소 결합	×	×	◎	○
원거리력	이온쌍	×	×	×	◎

◎=용액 종별을 특징짓는 응집력, ○=부차적인 응집력, ×=응집력으로 참여하지 않음

†런던 분산력은 구성 원자에 따른 차이가 없어 이상 용액의 응집력에 가장 가깝지만 분자량이 증가하면 응집력이 커진다. 그러나 이상 용액의 응집력은 분자 종류에 관계없이 일정하다고 가정하므로 엄밀히는 다르다. 또는 희석 용액에서는 어떤 응집력의 경우에도 분자간 응집력의 차이가 열역학적 거동에 미치는 영향이 거의 없어지므로, 어떤 희석 용액도 이상 용액으로 취급할 수 있다.

3. 용액의 조성 및 농도

용액은 용매와 용질로 구성된다. 용액의 조성을 나타내는 방법에는 '''질량 퍼센트''', '''몰분율''' 등이 있으며, 농도를 나타내는 척도로는 몰농도, 몰랄농도 등이 사용된다.

화합물의 녹는점이나 끓는점과 같은 물리적 특성은 다른 화합물이 첨가되어 용액이 되면 변하게 되는데, 이러한 특성들을 용액의 총괄성이라고 한다. 용액 속에 한 성분이 다른 성분에 녹아 있는 양을 정량적으로 나타내는 여러 방법을 통틀어 농도라고 하며, 다양한 농도 표현법이 사용된다.

이상 용액의 경우, 그 특성은 각 구성 성분 특성의 선형 결합으로 계산될 수 있다. 만약 용질과 용매가 거의 동일한 양으로 존재한다면(예: 50% 에탄올과 50% 물 용액), 어떤 것을 용질 또는 용매로 부를지 명확하지 않을 수 있다. 이런 경우 보통 더 흔하게 용매로 사용되는 물질(이 예에서는 물)을 용매로 지정한다.

일반적으로 용액을 명명할 때는 용매의 종류를 함께 표시하여 구분한다. 예를 들어 에탄올을 용매로 사용한 경우 "에탄올 용액"이라고 부른다. 특별한 언급 없이 단순히 "용액"이라고 하면 보통 물을 용매로 하는 수용액을 의미하는 경우가 많다.

용질 = 페놀프탈레인, 용매 = 에탄올 → '''페놀프탈레인 에탄올 용액''' 또는 '''페놀프탈레인/에탄올 용액'''
용질 = 염화나트륨, 용매 = 물 → '''염화나트륨 용액''' 또는 '''염화나트륨 수용액'''

용질과 용액(또는 용매) 사이의 양적 비율 역시 농도라고 부른다. 이때 용질의 양은 질량, 물질량, 부피 등으로 나타내고, 용액이나 용매의 양은 질량 또는 부피로 나타내는 경우가 많다. 농도를 사용하는 목적에 따라 다양한 물리량의 조합으로 비율을 표현한다. 또한, 특정 온도에서 용질이 용매에 최대한 녹을 수 있는 비율을 용해도라고 한다.

3. 1. 질량 퍼센트

용액의 조성을 나타내는 방법 중 하나로 질량 퍼센트가 있다. 이는 용액을 구성하는 각 성분 물질의 질량 백분율로 정의된다.

3. 2. 몰분율

몰분율은 용액에서 특정 성분의 물질량(몰 수)을 용액에 포함된 모든 성분의 전체 물질량(몰 수)으로 나눈 값이다. 이는 용액의 조성을 나타내는 여러 척도 중 하나이며, 특히 화학 분야에서 자주 사용된다.^[1]

3. 3. 몰농도

용액의 농도를 나타내는 여러 척도 중 하나로 몰농도가 있다. 몰농도는 용액 1L당 녹아있는 용질의 몰 수로 정의된다. 화학 분야에서는 SI 단위인 '단위 부피당 몰 수'를 사용하는 것이 때때로 불편할 수 있어, 용액 1L를 기준으로 용질의 몰 수를 나타내는 몰농도를 더 자주 사용한다.

3. 4. 몰랄농도

몰랄농도는 용액의 농도를 나타내는 척도 중 하나로, 용매의 단위 질량당 용질의 몰 수로 정의된다.

4. 용액의 종류

용액은 용매의 물리적 상태에 따라 기체 용액, 액체 용액, 고체 용액으로 나눌 수 있다.

기체 용액: 용매가 기체인 경우. 기체나 증기 형태의 용질만 녹일 수 있다. 대표적인 예는 공기로, 질소라는 용매에 산소 및 다른 기체들이 용질로 녹아 있는 형태이다. 기체 분자 사이의 상호작용은 거의 없기 때문에, 기체 용액은 매우 단순하며 균질한 혼합물을 형성한다. 브라운 운동과 분자의 끊임없는 운동으로 인해 기체는 저절로 섞이며, 중력에 의해 층이 분리되지 않는다. 다만, 특정 온도와 압력에서 응축될 수 있는 증기는 포화 증기압에 도달하면 액체로 변한다.
액체 용액: 용매가 액체인 경우. 기체, 다른 액체, 고체를 용질로 녹일 수 있다.
기체 용질: 물에 녹아 있는 산소 (물고기 호흡에 필수적).
액체 용질: 물에 녹아 있는 에탄올 (알코올 음료).
고체 용질: 물에 녹아 있는 자당 (설탕물).
고체 용액: 용매가 고체인 경우. 기체, 액체, 고체를 용질로 녹일 수 있다.
기체 용질: 팔라듐과 같은 금속에 녹는 수소 (수소 저장 기술 연구 대상).
액체 용질: 금에 녹는 수은 (아말감), 소금이나 설탕에 흡수된 물, 파라핀 왁스에 녹는 헥산, PVC에 첨가되는 액체 가소제.
고체 용질: 철에 탄소가 녹아 있는 강철, 구리와 주석 등이 섞인 청동과 같은 합금, 황산 바륨에 녹는 황산 라듐.

한 물질이 다른 물질에 녹는 정도를 용해도라고 한다. 두 액체가 어떤 비율로든 완전히 섞일 수 있으면 섞일 수 있다(miscible^eng)고 하고, 전혀 섞이지 않으면 섞일 수 없다(immiscible^eng)고 한다.

모든 용액은 혼합될 때 엔트로피가 증가하는 경향이 있다. 용질과 용매 분자(또는 이온) 사이의 상호작용이 에너지적으로 유리하면 용해가 잘 일어나지만, 불리한 경우 어느 농도 이상에서는 더 이상 용질이 녹지 않게 된다. 이 상태를 포화 상태라고 한다. 용해도는 온도, 압력 등 환경 요인에 따라 크게 변할 수 있다. 특정 조건에서는 포화 상태를 넘어 더 많은 용질이 녹아 있는 과포화 용액을 만들 수도 있다. 예를 들어, 온도를 높여 용해도를 증가시킨 후 천천히 냉각시키는 방법이 있다.

일반적으로 온도가 높을수록 고체 용질은 더 많이 녹지만, 기체 용질이나 일부 화합물은 오히려 온도가 높아지면 용해도가 감소하기도 한다. 이는 용해 과정이 열을 방출하는 발열성 반응이기 때문이다. 액체 용질의 용해도는 온도 변화에 상대적으로 덜 민감하다.

용매는 분자의 극성 유무에 따라 극성 용매와 비극성 용매로 나눌 수 있다. 극성은 분자가 영구적인 전기 쌍극자 모멘트를 갖는지 여부로 결정된다. 또한, 분자가 수소 결합을 형성할 수 있는지에 따라 프로톤성 용매와 비프로톤성 용매로 구분하기도 한다. 가장 흔한 용매인 물은 극성이며 수소 결합을 형성하는 프로톤성 용매이다.

극성 용매: 염과 같은 이온성 물질을 잘 녹인다. 염은 양이온과 음이온으로 나뉘고, 각각 용매 분자의 부분적인 음전하와 양전하 부분에 끌려 둘러싸인다. 물이 용매일 경우 이를 수화라고 하며, 이렇게 생성된 용액을 전해질 용액이라고 한다. 극성 용질(예: 에탄올)도 극성 용매(예: 물)에 잘 녹는다.
비극성 용매: 비극성 용질을 잘 녹인다. 예를 들어, 기름이나 그리스와 같은 탄화수소는 서로 잘 섞이지만, 극성 용매인 물과는 잘 섞이지 않는다. 유조선 사고 시 유출된 기름이 바닷물에 녹지 않고 표면에 뜨는 것이 대표적인 예이다.

용액은 서로 다른 물질이 확산을 통해 균일하게 섞이는 용해 과정을 통해 만들어진다. 기체나 고체가 액체에 녹는 것을 주로 용해라고 부르며, 두 액체가 섞일 때 상 분리가 일어나지 않으면 단순히 혼합이라고 하는 경우가 많다. 상 분리가 일어나는 액체 혼합물도 용해 과정으로 볼 수 있다.

용질의 상태에 따른 명칭 구분
용질	상 분리	명칭
액체	하지 않음	혼합
액체	함	용해
기체·고체	-	용해

용액 내 분자 간 상호작용의 종류와 세기에 따라 용액의 성질이 달라지며, 이에 따라 이상 용액, 정칙 용액, 전해질 용액 등으로 더 자세히 분류하기도 한다. 이러한 분류에 대한 자세한 내용은 각 하위 섹션에서 다룬다.

4. 1. 이상 용액

용질과 용질 사이, 용매와 용매 사이, 용매와 용질 사이의 인력이 동일하다고 가정하는 가상의 용액을 이상 용액(ideal solution)이라고 한다. 실제 용액이 이 조건을 완벽히 만족하지는 않지만, 특정 조건에서는 이상 용액과 유사하게 행동한다.

이상 용액의 핵심 특징은 용액의 물리적 성질이 용질의 종류가 아닌 오직 용질 입자의 수(농도)에만 의존한다는 점이다. 이러한 성질을 용액의 총괄성이라고 하며, 이상 용액에서는 총괄성이 잘 나타난다. 대표적인 총괄성에는 다음 네 가지가 있다.

'''증기압 내림''': 순수한 용매에 비해 용액의 증기압이 낮아지는 현상.
'''끓는점 오름''': 순수한 용매에 비해 용액의 끓는점이 높아지는 현상.
'''어는점 내림''': 순수한 용매에 비해 용액의 어는점이 낮아지는 현상.
'''삼투 현상''': 반투막을 사이에 두고 용매가 저농도에서 고농도로 이동하며 나타나는 압력(삼투압).

이러한 총괄성은 용액 속에 녹아 있는 비휘발성 용질의 분자량을 알아내는 데 유용하게 활용된다. 예를 들어, 순수한 용매와 용액의 어는점 차이를 측정하면 용질의 몰랄농도를 계산할 수 있고, 이를 통해 용질의 분자량을 결정할 수 있다. 특히 고분자처럼 분자량이 큰 물질의 경우, 삼투압 측정을 통해 분자량을 구하기도 한다. 이상 용액은 모든 농도 범위에서 라울의 법칙을 만족하는 용액으로 정의되기도 한다.

4. 1. 1. 이상 용액의 조건

용질-용질 간, 용매-용매 간 그리고 용질-용매 간의 응집력에 차이가 없는 경우, 용해는 열역학 제2법칙에 따른 단순한 확산 과정으로 볼 수 있다. 이러한 용액을 이상 용액(ideal solution)이라고 한다. 열역학적으로 이상 용액은 용매 분자와 용질 분자 사이의 결합이 동등하며, 각 분자가 구별되지 않는 무질서한 혼합 상태의 액체를 의미한다. 이상 용액의 중요한 특징은 모든 농도 범위에서 라울의 법칙이 성립한다는 점이다.

경험적으로 다음과 같은 조건을 만족할 때 이상 용액에 가깝다고 본다.

구성 분자(용매와 용질)의 크기가 거의 같다.
혼합열(엔탈피 변화)이 0이다. 즉, 용액이 만들어질 때 열의 출입이 없다.
혼합에 의한 부피 변화가 0이다. 즉, 용매와 용질을 섞었을 때 전체 부피는 각 성분의 부피 합과 같다.

실제 용액 중 이상 용액에 가까운 예로는 벤젠과 톨루엔의 혼합물 등을 들 수 있다.

대부분의 실제 용액은 이상 용액이 아니지만, 용질의 농도가 매우 낮은 묽은 용액의 경우, 용질 분자 간의 상호작용을 무시할 수 있을 정도로 작아지기 때문에 이상 용액으로 근사할 수 있다. 이러한 묽은 용액에서는 라울의 법칙과 헨리의 법칙이 성립한다.

4. 2. 정칙 용액

용질과 용매 사이의 응집력이 반데르발스 힘(엄밀하게는 런던 분산력)인 경우, 그 용액을 정칙 용액(regular solution)이라고 부른다. 이는 정전기적 상호작용(이온 결합), 회합(수소 결합), 쌍극자 상호작용(분극) 등이 주된 상호작용으로 작용하지 않는 용액을 의미한다. '정칙 용액'이라는 용어는 1929년 힐데브란트(J.H. Hildebrand)가 명명하였다.

경험적으로 정칙 용액은 다음과 같은 특징을 가진다.

혼합열은 0이 아니다. 즉, 용해 과정에서 발열 또는 흡열 반응이 일어난다. 이는 용질-용질 간, 용매-용매 간의 응집력과 용질-용매 간의 응집력에 차이가 있음을 나타낸다.
혼합 엔트로피 변화는 이상 용액과 동일하다. 이는 분자들이 무작위하게 혼합되는 정도는 이상 용액과 같다는 것을 의미한다.

정칙 용액의 성질은 주로 용질과 용매의 용해 파라미터 차이에 의해 결정되며, 용해도는 이론적으로 용해 파라미터를 이용하여 정량적으로 나타낼 수 있다.

성분 1(

n_1

mol, 몰 부피

V_1

)과 성분 2(

n_2

mol, 몰 부피

V_2

)가 혼합하여 정칙 용액을 형성할 때의 혼합 에너지(

\Delta E_M

, 용해열에 해당)는 다음과 같이 표현될 수 있다. 이 식은 각 성분의 증발 에너지(

\Delta E_1^V

,

\Delta E_2^V

)와 몰 부피(

V_1

,

V_2

)를 사용하여 유도된다. 정칙 용액에서는 분자간 힘이 런던 분산력이므로, 서로 다른 성분 간의 상호작용 에너지를 각 성분의 상호작용 에너지의 기하 평균으로 근사할 수 있다.

\Delta E_M = \frac{n_1 V_1 \cdot n_2 V_2}{n_1 V_1 + n_2 V_2} \left\{ \left( \frac{\Delta E_1^V}{V_1} \right)^{1/2} - \left( \frac{\Delta E_2^V}{V_2} \right)^{1/2} \right\}^2

여기서 각 성분의 용해 파라미터(solubility parameter,

\delta

)를

\delta_1 = \left( \frac{\Delta E_1^V}{V_1} \right)^{1/2}

와

\delta_2 = \left( \frac{\Delta E_2^V}{V_2} \right)^{1/2}

로 정의하면, 혼합 에너지는 다음과 같이 간단하게 표현된다.

\Delta E_M = \frac{n_1 V_1 \cdot n_2 V_2}{n_1 V_1 + n_2 V_2} ( \delta_1 - \delta_2 )^2

이 식은 두 성분의 용해 파라미터(

\delta_1

,

\delta_2

) 차이가 클수록 혼합 에너지가 커짐을 보여준다. 즉, 용해 파라미터 값이 비슷한 물질끼리 더 잘 섞이는 경향이 있다.

혼합 에너지를

n_2

에 대해 편미분하면 성분 2의 부분 몰 용해 에너지(

\Delta \overline{E}_2

)를 얻을 수 있다. 여기서

\phi_1 = \frac{n_1 V_1}{n_1 V_1 + n_2 V_2}

는 성분 1의 부피 분율이다.

\Delta \overline{E}_2 = V_2 \phi_1^2 ( \delta_1 - \delta_2 )^2

또한, 성분 2의 용해에 관한 부분 몰 깁스 자유 에너지(

\Delta \overline{G}_2

)는 부분 몰 용해 엔트로피가 이상 용액과 같고, 부분 몰 용해 엔탈피(

\Delta \overline{H}_2

)가 부분 몰 용해 에너지(

\Delta \overline{E}_2

)와 거의 같다고 가정하여 다음과 같이 근사할 수 있다. 이 식은 정칙 용액에서 성분 2(용질)의 용해도(

X_2

)를 결정하는 기본 식이 된다.

a_2

는 성분 2의 활량(activity)이다.

\Delta \overline{G}_2 = R T \ln a_2 \cong R T \ln X_2 + V_2 \phi_1^2 ( \delta_1 - \delta_2 )^2

여기서 성분 2의 활동도 계수(activity coefficient,

\gamma_2 = a_2 / X_2

)는 다음과 같이 주어진다.

\gamma_2 = \mbox{exp} \frac{V_2 \phi_1^2 ( \delta_1 - \delta_2 )^2}{R T}

4. 3. 전해질 용액

이온성 물질(염)이 용매에 녹아 양이온과 음이온으로 나뉘는(전리) 용액을 전해질 용액이라고 한다.^[1] 이 용액은 자유롭게 움직이는 이온 때문에 전기 전도성을 가진다. 이때 용매 분자가 이온 주위를 둘러싸 안정화시키는 현상을 용매화라고 부른다.^[1]

4. 3. 1. 전해질 용액과 비전해질 용액

이온성 물질(소금과 같은 염)은 양이온과 음이온으로 이루어져 있으며, 이들 이온 사이에는 정전기적 상호작용에 의한 강한 결합력이 작용한다. 이러한 이온성 물질이 녹아 있는 용액은 특별한 성질을 나타내며 전해질 용액이라고 부른다.^[1]

용매 분자가 극성을 띠는 경우, 이온의 전하 주위를 극성 용매 분자가 둘러싸 전하를 가리는 효과(차폐)를 나타낸다. 이로 인해 이온 간의 정전기적 상호작용이 약해진다. 극성 용매 속에서 이온성 물질이 양이온과 음이온으로 나뉘어 녹는 현상을 전리라고 하며, 이렇게 만들어진 용액이 전해질 용액이다. 따라서 전해질 용액은 주로 극성이 높은 용매에서 만들어진다. 예를 들어, 벤젠과 같이 극성이 약한 용매는 이온성 물질을 잘 녹이지 못한다.^[1]

용액 내에서 이온 쌍이 얼마나 잘 나뉘는지를 나타내는 해리 상수는 J. Bjerrum의 이론식으로 설명될 수 있다. 이 식은 이온 간의 정전기력에 기반하며, 용매의 유전율

\varepsilon

값에 크게 영향을 받는다. 일반적으로 극성이 강하고 유전율이 높은 용매일수록 전해질을 더 잘 해리시켜 용해도가 커진다.^[1]

\mbox{p}K_d = A + \frac{N_A e^2}{\ln 10 \cdot RT} \cdot \frac{z_{\rm{X}}z_{\rm{Y}}}{r_{\rm{X}} + r_{\rm{Y}}} \cdot \frac{1}{\varepsilon}

여기서

A

는 상수,

N_A

는 아보가드로 수,

e

는 기본 전하량,

z_{\rm{X}}

는 이온 X의 전하,

r_{\rm{X}}

는 이온 반지름을 나타낸다.^[1]

이온의 전하 주위에 극성 용매 분자가 달라붙는 현상을 용매화(solvation)라고 한다. 용매화는 중심 이온의 전하가 클수록, 이온의 크기가 작을수록 강하게 일어난다. 또한 용매의 극성이 클수록 용매화는 더 안정적으로 이루어진다. 반대로 용매 분자의 크기가 너무 크면 이온 주위에 충분한 수의 용매 분자가 배열되기 어려워 용매화 효과가 약해진다.^[1]

양이온과 음이온에 대한 용매화 효과는 이온의 전하 밀도에 따라 다르기 때문에 항상 동일하지는 않다. 예를 들어, 상전이 촉매로 사용되는 크라운 에테르는 금속 양이온을 둘러싸 용매화와 유사한 효과를 낸다. 중크롬산칼륨의 경우, 칼륨 이온이 크라운 에테르에 잡히면 원래 벤젠에 녹지 않던 중크롬산 음이온도 벤젠에 녹게 된다. 이는 중크롬산 음이온이 전하에 비해 분자 크기가 커서, 벤젠의 약한 극성으로도 전하가 충분히 가려져 안정화될 수 있기 때문이다.^[1]

5. 용액의 총괄성

용질과 용매 사이, 그리고 각각의 분자들 사이의 인력이 모두 동일하다고 가정하는 이상 용액에서는 용질의 종류와 관계없이 오직 용질 입자의 수, 즉 농도에만 의존하여 용액의 성질이 결정된다. 이러한 성질을 용액의 총괄성이라고 부르며, 이는 다음 네 가지 특성의 원인이 된다.

순수한 용매에 대한 비휘발성 용질이 용해된 용액의 증기압 내림
끓는점 오름
어는점 내림
삼투 현상

이러한 총괄성은 용질의 종류에 상관없이 농도에만 의존하는 용액의 특성값들이다.

총괄성은 분자량을 결정하는 데 이용될 수 있다. 순수한 용매에서의 증기압, 끓는점 등을 측정한 후, 일정 농도의 용질을 첨가한 용액에서 같은 성질을 측정하고 비교하여 비휘발성 용질의 분자량을 구할 수 있기 때문이다. 고분자 물질의 분자량을 구할 때는 삼투압을 이용하기도 한다.

화합물의 물리적 특성, 예를 들어 녹는점과 끓는점은 다른 화합물이 첨가되면 변하는데, 이러한 특성들을 통틀어 용액의 총괄성이라고 한다. 한 화합물이 다른 화합물에 녹아 있는 양을 정량화하는 방법은 여러 가지가 있으며, 이러한 방법들을 통틀어 농도라고 한다. 예로는 몰농도, 체적분율, 몰분율 등이 있다.

이상 용액의 특성은 그 구성 성분의 특성의 선형 결합으로 계산할 수 있다. 용질과 용매가 동일한 양으로 존재하는 경우(예: 50% 에탄올, 50% 물 용액) "용질"과 "용매"의 개념은 덜 중요해지지만, 일반적으로 용매로 더 자주 사용되는 물질을 용매로 지정한다(이 예에서는 물).

5. 1. 증기압 내림

순수한 용매에 비휘발성 용질이 녹아 있는 용액의 증기압은 순수한 용매의 증기압보다 낮아지는 현상을 보인다. 이는 용액의 총괄성 중 하나이다.

증발은 액체 표면에서 일어나는 현상이다. 밀폐된 용기 안에서 액체가 증발하면 기체 분자 수가 늘어나 압력이 증가하는데, 어느 시점에서는 증발 속도와 응축 속도가 같아져 겉보기에는 변화가 없는 동적 평형 상태에 도달한다. 이때 증기가 나타내는 압력을 증기압이라고 한다.

비휘발성 용질이 녹아 있는 용액의 경우, 용액 표면의 일부를 용질 입자가 차지하게 된다. 용매 분자만 있을 때보다 표면에서 증발할 수 있는 용매 분자의 수가 줄어들기 때문에 용매의 증발이 방해를 받는다. 즉, 용질의 농도가 높을수록(용질 입자 수가 많을수록) 용매 분자가 증발할 수 있는 표면적이 상대적으로 줄어들어 증발 속도가 느려지고, 결과적으로 용액의 증기압이 순수한 용매보다 낮아진다.

이러한 증기압 내림 현상은 용질의 종류보다는 용질 입자의 수(농도)에 의존하며, 이를 식으로 나타내면 다음과 같다.

\rm \ P = P_{0} \times X_{solvent} = P_{0}(1 - X_{solute}) \

여기서

\rm P

는 용액의 증기압,

\rm P_{0}

는 순수한 용매의 증기압,

\rm X_{solvent}

는 용매의 몰 분율,

\rm X_{solute}

는 용질의 몰 분율을 의미한다. 이 식은 용액의 증기압이 순수한 용매의 증기압에 용매의 몰 분율을 곱한 값과 같다는 라울의 법칙을 나타낸다. 용질의 몰 분율(

\rm X_{solute}

)이 클수록 증기압(

\rm P

)은 더 많이 감소한다.

5. 2. 끓는점 오름

끓는점 오름 현상은 증기압 내림 현상과 밀접한 관련이 있다. 어떤 온도에서 용액의 증기압이 순수한 용매보다 낮아진다는 것은, 순수한 용매가 끓는 온도에서 용액의 증기압은 아직 외부 압력(보통 1기압)에 도달하지 못한다는 것을 의미한다.

액체가 끓기 시작하는 온도, 즉 끓는점은 액체의 증기압이 외부 압력과 같아지는 지점이다. 용액은 순수한 용매보다 증기압이 낮으므로, 증기압을 외부 압력과 같게 만들기 위해서는 순수한 용매의 끓는점보다 더 높은 온도로 가열해야 한다. 따라서 비휘발성 용질이 녹아 있는 용액의 끓는점은 순수한 용매의 끓는점보다 높아지게 된다.

끓는점 오름(ΔT_b)의 정도는 용질의 몰랄농도(m_s)에 비례하며, 다음과 같은 식으로 표현할 수 있다.

:

\rm \ \Delta T_{b}=K_{b} \cdot m_{s} \

여기서 K_b는 용매의 종류에 따라 결정되는 상수인 '몰랄 끓는점 오름 상수'이다. 이 식에서 볼 수 있듯이 끓는점 오름은 용질의 종류가 아닌 용질 입자의 농도에만 의존하는 용액의 총괄성 중 하나이다.

5. 3. 어는점 내림

어는점은 액체가 고체로 변하기 시작하는 온도를 의미하는데, 화학적으로는 액체 상태의 증기압과 고체 상태의 증기압이 같아지는 온도로 정의할 수 있다. 순수한 용매가 얼 때는 용매 분자만 고체가 되므로, 용액이 얼 때도 순수한 용매의 고체가 석출된다. 따라서 용액의 고체 상태 증기압 곡선은 순수한 용매의 증기압 곡선과 동일하다.

그러나 비휘발성 용질이 녹아 있는 용액은 순수한 용매보다 증기압이 낮다. 이는 용액 표면의 일부를 용질 입자가 차지하여 용매 분자의 증발을 방해하기 때문이다. 따라서 용액의 증기압 곡선은 순수한 용매의 증기압 곡선보다 아래쪽에 위치하게 된다.

결과적으로, 용액의 증기압 곡선과 고체 상태의 증기압 곡선이 만나는 지점, 즉 어는점은 순수한 용매의 어는점보다 더 낮은 온도에서 형성된다. 이것이 어는점 내림 현상이다.

어는점 내림의 정도(T_f)는 용질의 몰랄농도(m_s)에 비례하며, 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다.

:

\rm \ T_{f}=K_{f}*m_{s} \

여기서 T_f는 어는점 내림 정도를 나타내고, K_f는 용매의 종류에 따라 결정되는 몰랄 어는점 내림 상수이다. m_s는 용질의 몰랄농도이다.

몰랄농도는 용질의 몰수와 비례하는 값이므로, 어는점 내림 현상 역시 증기압 내림이나 끓는점 오름과 마찬가지로 용질의 양에 비례하는 용액의 총괄성 중 하나라고 할 수 있다.

5. 4. 삼투압

삼투 현상에 대한 기본적인 내용은 해당 문서를 참조하라. 삼투 현상은 반투막을 사이에 두고 농도가 다른 두 용액이 있을 때, 농도 평형을 이루기 위한 과정이다. 반투막이 없다면 용질이 이동하여 농도가 균일해지지만, 반투막은 용질 입자는 통과시키지 못하고 용매 분자만 통과시키므로, 농도가 낮은 쪽의 용매가 농도가 높은 쪽으로 이동하게 된다. 이 용매의 이동으로 인해 반투막 양쪽에 압력 차이가 발생하는데, 이를 삼투압이라고 부른다. 삼투압(Π)은 용액의 몰 농도(C), 기체 상수(R), 절대 온도(T)의 곱으로 나타낸다:

::

\Pi = CRT

6. 용액의 활용

용액은 우리 주변에서 매우 다양하게 활용된다. 대표적인 예로 용액의 총괄성을 이용한 분자량 측정이 있다. 이 외에도 화학 반응의 매개체, 물질 분리 및 정제, 의약품 제조, 식품 가공 등 다양한 산업 및 연구 분야에서 중요한 역할을 수행한다.

6. 1. 분자량 측정

총괄성은 용질의 분자량을 결정하는 데 이용된다. 순수한 용매에서의 증기압, 끓는점, 어는점 등의 성질을 측정한 후, 일정 농도의 용질을 첨가한 용액에서 같은 성질을 측정하고 비교하면 비휘발성 용질의 분자량을 구할 수 있다. 예를 들어, 어는점 내림이나 끓는점 오름 정도를 측정하고, 용액의 몰랄 농도(

m_s

)와의 관계식(

T_f = K_f \cdot m_s

,

T_b = K_b \cdot m_s

)을 이용하면 용질의 몰 수를 알 수 있으며, 이를 통해 분자량을 계산할 수 있다. 특히 고분자 물질처럼 분자량이 매우 큰 경우에는 삼투압을 측정하여 분자량을 결정하는 방법이 유용하게 사용된다.

7. 묽은 용액

설탕을 물에 녹였을 때, 설탕의 양이 적은 묽은 용액은 겉으로 보기에는 물과 거의 다르지 않다. 그러나 설탕을 많이 녹이면 시럽 상태가 되어 끈적끈적해진다. 이와 같이, 용액은 묽을 때와 진할 때 그 성질이 달라진다. 묽은 용액에 대해서는 지금까지 많은 연구가 이루어졌으며, 용질의 종류가 달라도 공통적인 성질을 나타내는 것으로 알려져 있다.^[3]

참조

_[1] 웹사이트 Solution https://goldbook.iup[...]
_[2] 웹사이트 Solutions http://www.chemistry[...] Washington University 2018-04-13
_[3] 글로벌2 묽은 용액의 성질

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