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용해

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목차

1. 개요

용매화는 용질이 용매와 상호 작용하여 용액 내에서 용질 종을 안정화시키는 과정이다. 용해도와는 개념적으로 구분되며, 용매와 용질 간의 분자간 상호작용, 특히 용매의 극성이 용매화에 중요한 영향을 미친다. 용매화는 열역학적으로 깁스 에너지가 감소할 때 유리하며, 용매화 엔탈피와 엔트로피 변화를 고려해야 한다. 거대 분자와 집합체, 단백질 접힘, 주인-손님 복합체 등 생물학적 구조와 과정에 중요하며, 컴퓨터 시뮬레이션에서도 용매화 효과를 고려하는 것이 중요하다.

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용해
개요
정의용매화는 용질의 분자나 이온이 용매의 분자들과 결합하거나 상호작용하는 현상이다.
설명용매화는 용액 내에서 용질 입자를 안정화시키고, 용매의 종류, 용질의 성질, 온도, 압력 등 다양한 요인에 의해 영향을 받는다. 용매화 과정에서 에너지가 방출되거나 흡수될 수 있으며, 이는 용해도의 중요한 결정 요인이 된다.
용매의 종류에 따른 용매화
물 (수용액)물을 용매로 사용하는 경우, 용매화를 특히 수화라고 부른다.
기타 용매물 이외의 용매를 사용하는 경우에는 일반적인 용매화라고 칭한다.
용매화 과정
단계용매화는 여러 단계를 거쳐 진행될 수 있으며, 각 단계마다 다른 종류의 상호작용이 일어난다. 예를 들어, 이온성 화합물의 용매화는 이온-쌍극자 상호작용, 수소 결합, 반 데르 발스 힘 등의 다양한 힘이 작용한다.
용매화 에너지
정의용매화 과정에서 방출되거나 흡수되는 에너지를 용매화 에너지라고 한다.
활용용매화 에너지는 용해도를 예측하고, 용액의 열역학적 성질을 이해하는 데 중요한 지표로 활용된다.

2. 용해도와의 구분

IUPAC 정의에 따르면,[3] 용매화는 용질이 용매와 상호 작용하여 용액 속에서 용질 종의 안정화를 유도하는 과정이다. 용매화 상태에서 용액 내 이온 또는 분자는 용매 분자로 둘러싸이거나 착물을 형성한다.

개념적으로 용매화는 용해도와 구별된다. 용매화 또는 용해는 속도론적 과정이며, 그 속도로 정량화된다. 용해도는 용해 속도와 침전 속도가 같아질 때 달성되는 동적 평형 상태를 정량화한다. 용해 속도의 일반적인 단위는 mol/s이며, 용해도의 단위는 농도를 나타낸다(질량/부피(mg/mL), 몰농도(mol/L) 등).

3. 용매와 분자간 상호작용

용해는 수소 결합, 이온-쌍극자 상호작용, 반데르발스 힘(쌍극자-쌍극자, 쌍극자-유도 쌍극자, 유도 쌍극자-유도 쌍극자 상호작용 포함) 등 여러 종류의 분자간 상호작용을 포함한다.[4] 이러한 상호작용은 용매와 용질의 분자 구조 및 특성에 따라 달라지며, 용매와 용질 간 특성의 유사성이나 상보성이 용매화 정도를 결정한다.

나일 레드(Nile red)는 다른 용매에서 햇빛(위쪽 줄)과 자외선(두 번째 줄) 아래에서 다르게 보인다. 왼쪽에서 오른쪽으로: 1. 물, 2. 메탄올, 3. 에탄올, 4. 아세토니트릴, 5. 디메틸포름아미드, 6. 아세톤, 7. 에틸아세테이트, 8. 디클로로메탄, 9. n-헥산, 10. 메틸-tert-부틸에테르, 11. 시클로헥산, 12. 톨루엔. 사진작가: Armin Kübelbeck, CC-BY-SA, Wikimedia Commons


용매의 극성은 용매화에 가장 중요한 요소이다.[4] 극성 용매는 분자 쌍극자를 가지며, 용매 분자의 부분 전하를 통해 극성 용질과 이온을 정전기적 인력으로 용해시킨다. 이는 용매화 껍질을 생성하여 시스템을 안정화시키며, 용질 입자 근처의 용매 분자는 다른 용매와 다른 배열을 가지는데, 이를 사이보택틱 영역이라고 한다.[4] 물은 가장 일반적인 극성 용매이며, 에탄올, 메탄올, 아세톤, 아세토니트릴, 디메틸술폭시드 등도 극성 용매에 속한다. 극성 용매는 높은 유전율을 갖는 경향이 있지만, 용매 극성을 나타내는 다른 척도도 사용된다. 극성 용매는 염과 같은 무기 또는 이온 화합물을 용해하는 데 사용되며, 용액의 전도도는 이온의 용매화에 따라 달라진다. 비극성 용매는 이온을 용해시킬 수 없어 이온 쌍을 형성한다.

용매와 용질 간 수소 결합은 각각 수소 결합을 주거나 받는 능력에 따라 달라진다.[5][6] 수소 결합을 줄 수 있는 용매는 프로톤성(protic) 용매, 수소 결합을 받을 수 있는 용매는 비프로톤성(aprotic) 용매라고 한다. 물은 수소 결합을 주고받을 수 있어, 수소 결합을 하는 용질을 용해하는 데 효과적이다.

일부 화합물은 용매변색성을 나타내는데, 이는 용매 극성에 따라 색이 변하는 현상이다. 이는 서로 다른 용매가 동일한 용질과 다르게 상호작용하는 것을 보여준다. 다른 용매 효과에는 용질의 배향, 이성질체 선택성, 산도 변화 등이 있다.

3. 1. 용매변색성

4. 용매화 에너지와 열역학적 고려 사항

용액의 전체 깁스 에너지가 분리된 용매와 고체(또는 기체 또는 액체)의 깁스 에너지와 비교하여 감소할 때만 용매화 과정이 열역학적으로 유리하다. 즉, 엔탈피 변화에서 엔트로피 변화(절대 온도 곱)를 뺀 값이 음수이거나 시스템의 깁스 에너지가 감소하는 것을 의미한다. 음의 깁스 에너지는 자발적인 과정을 나타내지만 용해 속도에 대한 정보는 제공하지 않는다.[4]

용매화는 에너지 결과가 다른 여러 단계를 포함한다. 첫째, 용질을 위한 공간을 만들기 위해 용매에 공동이 형성되어야 한다. 이는 용매의 질서가 증가하고 용매-용매 상호작용이 감소함에 따라 엔트로피적으로나 엔탈피적으로 불리하다. 용매 분자 간의 상호 작용이 강할수록 공동 형성에 대한 엔탈피적 손실이 커진다. 다음으로, 용질 입자가 벌크로부터 분리되어야 한다. 이는 용질-용질 상호 작용이 감소하기 때문에 엔탈피적으로 불리하지만, 용질 입자가 공동에 들어가면 결과적으로 용매-용질 상호 작용이 엔탈피적으로 유리하다. 마지막으로, 용질이 용매에 혼합됨에 따라 엔트로피가 증가한다.[4]

용매에 의한 용질의 용매화


용해 엔탈피는 용액의 엔탈피에서 분리된 시스템의 엔탈피를 뺀 값인 반면, 용액의 엔트로피는 엔트로피의 해당 차이이다. 용매화 에너지(깁스 자유 에너지 변화)는 엔탈피 변화에서 온도(켈빈 단위)와 엔트로피 변화의 곱을 뺀 값이다. 기체는 기체가 용해됨에 따라 기체 부피가 감소하기 때문에 용액의 엔트로피가 음수이다. 용해 엔탈피는 온도에 따라 크게 감소하지 않고, 용액의 엔트로피는 음수이며 온도에 따라 크게 변하지 않으므로 대부분의 기체는 고온에서 용해도가 낮다.

용매화 엔탈피는 일부 이온 격자에서는 용매화가 일어나지만 다른 이온 격자에서는 일어나지 않는 이유를 설명하는 데 도움이 될 수 있다. 이온을 격자에서 방출하는 데 필요한 에너지와 용매 분자와 결합할 때 방출되는 에너지의 차이를 용액의 엔탈피 변화라고 한다. 용액의 엔탈피 변화에 대한 음의 값은 용해될 가능성이 높은 이온에 해당하는 반면, 높은 양의 값은 용매화가 일어나지 않음을 의미한다. 양의 엔탈피 값을 갖는 이온도 용해될 수 있다. 필요한 추가 에너지는 이온이 용해될 때 발생하는 엔트로피 증가에서 비롯된다. 엔트로피의 도입으로 인해 계산만으로 물질이 용해될지 여부를 결정하기 어렵게 된다. 용매의 용매화 능력에 대한 정량적 척도는 주게 수로 나타낸다.[7]

초기에는 양이온의 이온 전하 대 이온 반지름 비율 또는 전하 밀도가 높을수록 용매화가 더 많이 일어난다고 생각했지만, 철(III) 또는 란타넘족 원소와 악티늄족 원소와 같이 가수분해되어 불용성(수화) 산화물을 쉽게 형성하는 이온의 경우에는 이러한 생각이 옳지 않다. 이러한 이온들은 고체이므로 용매화되지 않는다는 것이 분명하다.

강한 용매-용질 상호 작용은 용매화 과정을 더욱 유리하게 만든다. 용질의 용해가 서로 다른 용매에서 얼마나 유리한지를 비교하는 한 가지 방법은 전달 자유 에너지를 고려하는 것이다. 전달 자유 에너지는 두 가지 다른 용매에서 용질의 묽은 용액 간의 자유 에너지 차이를 정량화한다. 이 값은 본질적으로 용질-용질 상호 작용을 포함하지 않고 용매화 에너지를 비교할 수 있게 한다.[4]

일반적으로 용액의 열역학적 분석은 반응으로 모델링하여 수행된다. 예를 들어, 물에 염화나트륨을 첨가하면 염이 나트륨(+aq) 이온과 염화물(-aq) 이온으로 해리된다. 이 해리에 대한 평형 상수는 이 반응의 깁스 에너지 변화에 의해 예측할 수 있다.

본 방정식은 기체 이온의 용매화 깁스 자유 에너지를 추정하는 데 사용된다.

최근 시뮬레이션 연구에 따르면 이온과 주변 물 분자 사이의 용매화 에너지 변화가 호프마이스터 계열의 메커니즘을 기반으로 한다.[8][9]

5. 거대 분자와 집합체

용매화(특히, 수화)는 많은 생물학적 구조와 과정에 중요하다. 예를 들어, 수용액에서 이온 및/또는 DNA와 단백질과 같은 하전된 고분자의 용매화는 이종 집합체의 형성에 영향을 미치며, 이는 생물학적 기능에 책임이 있을 수 있다.[10] 단백질 접힘은 부분적으로 단백질과 주변 물 분자 사이의 상호 작용의 유리한 변화 때문에 자발적으로 발생한다. 접힌 단백질은 펼쳐진 상태에 비해 용매화와 접힌 단백질 구조 내 더 강한 분자 내 상호 작용(수소 결합 포함)의 조합으로 인해 5-10 kcal/mol만큼 안정화된다.[11] 접힌 단백질 중앙에 소수성 측쇄를 묻어 물에 노출되는 소수성 측쇄의 수를 최소화하는 것은 용매화와 관련된 구동력이다.

용매화는 주인-손님 복합체에도 영향을 미친다. 많은 주인 분자는 소수성 손님을 쉽게 캡슐화하는 소수성 기공을 가지고 있다. 이러한 상호 작용은 약물 전달과 같은 응용 분야에 사용될 수 있으며, 소수성 약물 분자는 용해도를 높이기 위해 약물을 공유 결합으로 변형할 필요 없이 생물학적 시스템에서 전달될 수 있다. 주인-손님 복합체의 결합 상수는 용매의 극성에 따라 달라진다.[12]

수화는 생체 분자의 전자적 및 진동적 특성에 영향을 미친다.[13][14]

6. 컴퓨터 시뮬레이션에서의 용매화 중요성

거대 분자 구조에 대한 컴퓨터 시뮬레이션에서 용매화 효과를 고려하는 것은 매우 중요하다.[15] 초기 컴퓨터 시뮬레이션에서는 용매 효과를 고려하지 않고 진공 상태에서 거대 분자의 거동을 모델링했기 때문에, 용액에서 얻은 실험 데이터와 비교했을 때 부정확한 결과를 초래하기도 했다.[15] 작은 분자들 또한 진공 상태에서 시뮬레이션될 때 더욱 밀집된 구조를 취할 수 있는데, 이는 용매가 존재할 경우 감소될 반데르발스 상호작용 및 분자 내 정전기적 상호작용이 유리하기 때문이다.[15]

참조

[1] 서적 Chemistry - California Edition Pearson Prentice Hall
[2] 문서 Greenwood&Earnshaw2nd
[3] 문서 solvation
[4] 서적 Modern Physical Organic Chemistry University Science Books
[5] 논문 The solvatochromic comparison method. 2. The .alpha.-scale of solvent hydrogen-bond donor (HBD) acidities
[6] 논문 The solvatochromic comparison method. 1. The .beta.-scale of solvent hydrogen-bond acceptor (HBA) basicities
[7] 논문 Solvent effects on the reactivities of organometallic compounds
[8] 논문 Coarse-Grained Model of the Dynamics of Electrolyte Solutions
[9] 논문 Influence of Ion Solvation on the Properties of Electrolyte Solutions
[10] 논문 Polyelectrolyte association and solvation
[11] 논문 Forces contributing to the conformational stability of proteins
[12] 서적 Supramolecular Chemistry Wiley
[13] 논문 Hydration strongly affects the molecular and electronic structure of membrane phospholipids
[14] 논문 Interfacial Water Facilitates Energy Transfer by Inducing Extended Vibrations in Membrane Lipids
[15] 서적 Molecular modelling : principles and applications https://www.worldcat[...] Prentice Hall
[16] 서적 化学Ⅰ・Ⅱの新研究
[17] 서적 Chemistry - California Edition Pearson Prentice Hall
[18] 문서 Greenwood&Earnshaw2nd


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