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혼합물

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목차

1. 개요

혼합물은 물리적인 방법으로 분리 가능한 물질의 결합으로, 화학 화합물과 구별된다. 혼합물은 균일 혼합물과 불균일 혼합물로 나뉘며, 균일 혼합물은 소금물처럼 조성이 균일하고 불균일 혼합물은 모래와 물처럼 성분을 쉽게 식별할 수 있다. 균일 혼합물은 용액, 기체 등이 있으며, 불균일 혼합물은 유탁액, 거품 등이 있다. 혼합물은 대기 오염과 같은 건강에 영향을 미칠 수 있으며, 균질화 과정을 통해 균일성을 높일 수 있다.

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혼합물
개요
정의두 종류 이상의 순물질이 화학 반응 없이 섞여 있는 물질
특징각 성분의 고유한 성질을 유지함
물리적인 방법으로 분리 가능함
일정한 화학 조성을 가지지 않음
분류
혼합 상태기체 혼합물
액체 혼합물
고체 혼합물
상의 수균일 혼합물 (용액): 단일 상
불균일 혼합물: 두 개 이상의 상
분리 방법
물리적 분리여과
증류
추출
결정화
크로마토그래피
기타 분리 방법원심 분리
자석 이용
예시
균일 혼합물공기
소금물
설탕물
합금 (청동, 황동 등)
불균일 혼합물우유
혈액
시멘트
흙탕물
암석
참고 사항
균일도혼합물의 균일도는 혼합 정도에 따라 달라질 수 있음
용해도용해도에 따라 균일 혼합물 또는 불균일 혼합물이 될 수 있음

2. 혼합물의 특성

혼합물은 정제, 증류, 전기 분해, 크로마토그래피, 열, 여과, 중력적 정렬, 원심 분리와 같은 기계적 방법으로 분리할 수 있다는 특징을 갖는다.[8][9] 혼합물은 화학 화합물과 다음과 같은 점에서 다르다.


  • 혼합물 내 물질은 여과, 냉동, 증류와 같은 물리적 방법을 사용하여 분리할 수 있다.
  • 혼합물이 형성될 때 에너지 변화가 거의 또는 전혀 없다(혼합 엔탈피 참조).
  • 혼합물 내 물질은 개별적인 특성을 유지한다. 예를 들어 모래와 물을 섞어도 두 물질은 섞이기 전과 같은 특성을 유지한다.
  • 혼합물은 가변적인 조성을 갖는 반면, 화합물은 고정되고 명확한 화학식을 갖는다.
  • 혼합 시 개별 물질은 혼합물 내에서 고유한 특성을 유지하는 반면, 화합물을 형성하면 특성이 변경될 수 있다.[10]

2. 1. 혼합물 표

혼합물 표
분산 매체 (혼합물 상)용해 또는 분산 상용액콜로이드현탁액 (조립자 분산)
기체기체기체 혼합물: 공기 (산소 및 기타 기체 in 질소)없음없음
액체없음액체 에어로졸:[11] 안개, 미스트, 증기, 헤어 스프레이스프레이
고체없음고체 에어로졸:[11] 연기, 얼음 구름, 공기 미립자먼지
액체기체용액: 물 속의 산소액체 거품: 휘핑 크림, 셰이빙 크림바다 거품, 맥주 거품
액체용액: 알코올 음료유탁액: 우유, 마요네즈, 핸드 크림비네그레트
고체용액: 물 속의 설탕액체 졸: 안료가 있는 잉크, 혈액현탁액: 진흙 (물에 부유하는 토양 입자), 물에 부유하는 분필 가루
고체기체용액: 금속 속의 수소고체 거품: 에어로젤, 스티로폼, 부석거품: 건조한 스펀지
액체용액: 아말감 (수은 in 금), 헥산 in 파라핀 왁스젤: 한천, 젤라틴, 실리카겔, 오팔젖은 스펀지
고체용액: 합금, 가소제 in 플라스틱고체 졸: 크랜베리 유리점토, 미사, 모래, 자갈, 화강암


3. 균일 혼합물과 불균일 혼합물

균일 혼합물, 불균일 혼합물, 화합물 및 원소의 차이점을 미시적 수준에서 나타낸 다이어그램


혼합물은 균일 혼합물과 불균일 혼합물로 나눌 수 있다. 소금과 물처럼 균일한 조성을 가지며 모든 성분이 동일한 상에 있는 혼합물을 균일 혼합물이라고 하고, 모래와 물과 같이 불균일한 조성을 가지며 구성 성분을 쉽게 식별할 수 있는 혼합물을 불균일 혼합물이라고 한다.

균일 혼합물은 입자가 균등하게 분포되어 균일한 외관 또는 단일 상을 가진다. 불균일 혼합물은 서로 다른 상에 있으며 서로 쉽게 구별되는 구성 물질을 가지고 있다.

3. 1. 균일 혼합물 (Homogeneous mixtures)

균일 혼합물은 구성 물질이 전체적으로 균일하게 분산되어 있어, 혼합물 내 어느 지점에서 표본을 채취하든 물질의 비율이 동일한 혼합물이다. 예를 들어 소금이나 설탕과 같은 고체 물질은 물에 녹아 균일 혼합물, 즉 용액을 형성한다. 공기도 용액의 예로, 기체 질소 용매에 산소와 소량의 다른 기체 용질이 녹아 있는 균일 혼합물이다. 고체-액체 용액을 동일한 부피의 두 부분으로 나누면 각 부분에는 액체 매질과 용해된 고체(용매와 용질)가 동일한 물질량으로 포함된다.[12] 혼합물 내 물질의 수나 양에는 제한이 없지만, 대부분의 용액에서 용질 대 용매 비율은 용해도에 도달하면 혼합물이 분리되어 불균일해진다.

3. 1. 1. 용액 (Solutions)

용액은 "균일 혼합물"과 동일하다. 용액에서 용질은 시간이 지나도 가라앉지 않으며, 필터나 원심분리기와 같은 물리적 방법으로 제거할 수 없다.[12] 균일 혼합물로서 용액은 한 개의 상(고체, 액체 또는 기체)을 가지며, 용질과 용매의 상이 처음에 다를 수도 있다(예: 소금물).

3. 1. 2. 기체 (Gases)

기체는 원자 또는 분자 사이에 가장 넓은 공간(그리고 결과적으로 가장 약한 분자간 힘)을 나타낸다. 액체 및 고체에서 분자간 상호 작용에 비해 분자간 상호 작용이 매우 작기 때문에, 희석된 기체는 서로 매우 쉽게 용액을 형성한다. 공기는 그 예시 중 하나인데, 산소 및 기타 기체가 질소(주요 구성 요소)에 용해된 기체 용액으로 더 구체적으로 설명될 수 있다.

3. 1. 3. 균일 혼합물의 일반적 특성


  • 모든 용액은 균일 혼합물의 예시이다.
  • 균일 혼합물의 입자 크기는 1nm 미만이다.
  • 균일 혼합물은 틴들 현상을 나타내지 않는다.
  • 균일 혼합물의 구성 성분은 원심 분리나 데칸테이션(침전)을 사용하여 분리할 수 없다.

3. 2. 불균일 혼합물 (Heterogeneous mixtures)

불균일 혼합물은 구성 성분이 서로 다른 상(Phase)에 존재하며, 육안이나 현미경으로 쉽게 구별할 수 있다.[13]

3. 2. 1. 불균일 혼합물의 종류

불균일 혼합물의 예로는 유탁액과 거품이 있다. 대부분의 경우 혼합물은 두 가지 주요 성분으로 구성된다. 유탁액의 경우, 물과 기름과 같은 혼합되지 않는 유체이다. 거품의 경우, 고체와 유체 또는 액체와 기체이다. 더 큰 규모에서 두 성분 모두 혼합물의 모든 영역에 존재하며, 잘 혼합된 혼합물에서는 동일하거나 거의 변하지 않는 농도로 존재한다. 그러나 미세한 규모에서는 충분히 작은 거의 모든 영역에서 한 성분이 없다. (이러한 부재가 거시적인 규모에서 흔하다면, 성분의 조합은 분산 매체이지 혼합물이 아니다.) 한 성분의 연속 침투 유무에 따라 이질 혼합물의 다양한 특성을 구별할 수 있다. 거품의 경우, 한 성분이 다른 성분이 자유롭게 침투할 수 있는 연결된 네트워크를 형성하는 망상 거품과, 한 성분이 다른 성분으로 형성된 벽 내부에 갇힌 작은 세포로 존재하는 폐쇄 세포 거품을 구분한다. 유사한 구분이 유탁액에서도 가능하다. 많은 유탁액에서 한 성분은 일반적으로 구형의 형태로 분리된 영역으로 존재하며 다른 성분 전체에 분산되어 있다. 그러나 각 성분이 크고 연결된 네트워크를 형성하는 것도 가능하다. 이러한 혼합물을 '''양연속'''이라고 한다.[13]

4. 혼합물 종류 구별

균일 혼합물과 불균일 혼합물을 구별하는 것은 표본 추출 규모에 따라 달라진다. 충분히 큰 규모에서는 모든 혼합물을 균일하다고 할 수 있지만, 매우 미세한 규모에서는 모든 혼합물을 불균일하다고 할 수 있다. 실질적으로 혼합물의 관심 속성이 어떤 표본을 채취하든 동일하다면 그 혼합물은 균일하다고 판단한다.

Gy의 표본 추출 이론에 따르면, 표본 추출 과정에서 입자의 불균일 혼합물에서 표본 추출 오차의 분산은 일반적으로 0이 아니다. 피에르 기는 푸아송 표본 추출 모델에서 표본의 질량 농도에서 표본 추출 오차의 분산에 대한 공식을 도출하였다. Gy의 이론에서 정확한 표본 추출은 모든 입자가 표본에 포함될 확률이 동일한 경우를 의미한다.

4. 1. Gy의 표본 추출 이론

Gy의 표본 추출 이론은 입자의 '''불균일성'''을 다음과 같이 정량적으로 정의한다.[14]

:h_i = \frac{(c_i - c_\text{batch})m_i}{c_\text{batch} m_\text{aver}},

여기서 h_i, c_i, c_\text{batch}, m_i, 및 m_\text{aver}는 각각 모집단의 i번째 입자의 불균일성, 모집단의 i번째 입자에서 관심 속성의 질량 농도, 모집단에서 관심 속성의 질량 농도, 모집단의 i번째 입자의 질량, 모집단에서 입자의 평균 질량이다.

5. 건강 영향

대기 오염 연구[15][16]는 혼합물에 노출된 후의 생물학적 및 건강 영향이 개별 성분에 대한 노출로 인한 영향보다 더 강력하다는 것을 보여준다.[17]

6. 균질화 (Homogenization)

균질화는 혼합물 내에 존재하는 물질의 분산을 감소시키고 균일성을 증가시키는 다양한 과정을 의미한다.

7. 혼합물의 성질

혼합물은 두 가지 이상의 물질이 섞여 있어도 각 물질의 고유한 성질을 잃지 않는다. 예를 들어 소금물은 짠맛(소금의 성질)과 물맛(물의 성질)이 동시에 나타난다.

참조

[1] GoldBookRef mixture
[2] 서적 General chemistry Saunders College Publishing
[3] 서적 General chemistry: principles and modern applications https://archive.org/[...] Prentice Hall 2002
[4] 서적 Atkins' Physical Chemistry Oxford University Press
[5] 서적 Molecular Biology of the Cell, 4th Ed. Garland Science
[6] 서적 Physical chemistry with biological applications Benjamin/Cummings
[7] 서적 CRC Handbook of chemistry and physics Chemical Rubber Publishing Company
[8] 서적 Home Front
[9] 간행물 Mixture Facts on File
[10] 웹사이트 Definition of mixture - Chemistry Dictionary https://www.chemicoo[...] 2018-11-30
[11] 간행물 Manual of Symbols and Terminology for Physicochemical Quantities and Units. Appendix II Definitions, Terminology and Symbols in Colloid and Surface Chemistry. Part I https://www.iupac.or[...] International Union of Pure and Applied Chemistry: Division of Physical Chemistry 1971-07-23
[12] 간행물 Solution (chemistry) Online publisher: Science Online. Facts on File, Inc.
[13] 서적 Heterogeneous Materials I: Linear Transport and Optical Properties Springer 2006-05-26
[14] 서적 Sampling of Particulate Materials: Theory and Practice Elsevier
[15] 웹사이트 Exposure and Health Effects of Mixtures of Air Pollutants https://19january201[...] 2022-11-10
[16] 웹사이트 Multipollutant Mixtures https://www.healthef[...] 2022-11-10
[17] 논문 Aerosol physicochemical determinants of carbon black and ozone inhalation co-exposure induced pulmonary toxicity 2022-10-27


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