농도

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1. 개요
2. 농도의 정의와 종류
3. 농도 관련 기타 단위
4. 농도와 관련된 법적 규제 (일본)
5. 농도의 활용
6. 더 알아보기
참조

1. 개요

농도는 혼합물 내 특정 성분(용질)의 양을 나타내는 값으로, 질량백분율, 몰농도, 몰랄농도, 노르말 농도, 부피 백분율, 몰분율 등 다양한 종류가 있다. 질량백분율은 용액 100g당 용질 g수로, 몰농도는 용액 1L당 용질의 몰수로, 몰랄농도는 용매 1kg당 용질의 몰수로 나타낸다. 농도는 "묽다" 또는 "진하다"와 같은 정성적 표현으로도 사용되며, 용질 추가 또는 용매 제거를 통해 조절할 수 있다. 일본 계량법에서는 농도를 법정 계량 단위로 규정하고 있으며, 화학 및 다양한 분야에서 활용된다.

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농도
일반 정보
정의	혼합물 내 특정 성분의 양을 전체 혼합물 또는 특정 성분과 관련하여 표현하는 방법
관련 분야	화학 약학 환경과학 공학
다른 명칭	농도수, 몰랄 농도
영어	Concentration
일본어	濃度 (のうど, noudo)
농도 종류
몰 농도 (Molarity)	용액 1리터(L)에 녹아 있는 용질의 몰수(mol/L)
몰랄 농도 (Molality)	용매 1kg에 녹아 있는 용질의 몰수(mol/kg)
질량 백분율 (Mass Percentage)	혼합물 전체 질량에 대한 특정 성분의 질량 비율 (%)
부피 백분율 (Volume Percentage)	혼합물 전체 부피에 대한 특정 성분의 부피 비율 (%)
몰 분율 (Mole Fraction)	전체 몰수에 대한 특정 성분의 몰수 비율
ppm (parts per million)	백만 분율 (100만 단위당 특정 성분 함량)
ppb (parts per billion)	십억 분율 (10억 단위당 특정 성분 함량)
ppt (parts per trillion)	일조 분율 (1조 단위당 특정 성분 함량)
노르말 농도 (Normality)	용액 1리터(L)에 녹아 있는 용질의 당량수 (equivalent/L)
참고 사항
주의	온도 변화에 따라 부피가 변하는 용액의 경우, 몰 농도(Molarity)는 온도에 따라 값이 달라질 수 있음.
활용	화학 반응, 용액 제조, 환경 오염 측정 등 다양한 분야에서 사용됨.
관련 개념
용액	두 가지 이상의 물질이 균일하게 섞여 있는 혼합물
용질	용액에 녹아 있는 물질
용매	용질을 녹이는 물질

2. 농도의 정의와 종류

농도는 일정량의 혼합물(용액, 용매 등)에 포함된 특정 성분(용질)의 양을 나타내는 값이다. 주로 사용되는 농도 계산법은 다음과 같다.

질량백분율(mass percent): 주로 퍼센트 농도라고 표현한다. 용액 100g 속에 녹아 있는 용질의 g 수로 나타내며, 단위는 %이다. 예를 들어 물 95g에 소금 5g을 녹이면 5% 소금 수용액이 된다.
몰농도(molarity): 용액 단위 부피 속에 녹아 있는 용질의 물질량을 말하며, 단위는 주로 M(=mol/L)를 사용한다. 몰(mol)은 원자나 분자 약 $6.022 \times 10^{23}$ 개를 한 묶음으로 보는 단위이다. 예를 들어 설탕 분자 약 $3.011 \times 10^{23}$ 개를 물에 녹여 1L의 용액을 만들었다면, 0.5mol의 설탕이 1L의 용액에 녹아 있는 것이므로 0.5M의 설탕 수용액이 된다. 몰농도는 화학 실험에서 가장 흔하게 쓰이는 농도 계산법이다.
몰랄농도(molality): 용매 단위 질량 속에 녹아 있는 용질의 물질량을 말하며, 단위는 주로 mol/kg을 사용한다. 주로 라울의 법칙이나 삼투압 측정 등에 이용된다. 용액의 질량이 아닌 용매만의 질량을 고려하는 농도 계산법이며, 부피가 아닌 질량을 이용해 계산하는 값이기 때문에 온도나 압력에 의한 영향을 받지 않는다는 장점이 있다. 물 2kg에 염화 수소 0.01mol을 넣었다면 0.005mol/kg의 염산이 만들어진다.
노르말농도(normality): 용액 1L 속에 녹아 있는 용질의 g 당량 수로 나타내며, N으로 표시한다.
부피백분율(volume percent): 용액 100mL 속에 녹아 있는 용질의 mL 수로 용질의 부피 백분율을 나타낸다. 단, 알코올이나 물처럼 혼합에 의해서 부피에 변화가 생기는 경우에는 혼합하기 전의 부피를 기준으로 한다.
몰분율(―分率): 용질의 몰수를 용액 전체 몰수로 나눈 값이다.

이 외에 혼합 기체에서는 부분 압력으로 농도를 나타내는 등, 여러 종류의 농도 계산법이 있다.

일상에서 농도는 정성적으로 설명하는 경우가 많다. 예를 들어, 농도가 낮은 용액에는 "묽은", 농도가 높은 용액에는 "진한"이라는 형용사를 사용한다. 용액을 '''진하게''' 하려면 용질(예: 알코올)을 더 추가하거나 용매(예: 물)의 양을 줄여야 한다. 반대로 용액을 '''묽게''' 하려면 용매를 더 추가하거나 용질의 양을 줄여야 한다. 두 물질이 혼합되지 않으면, 더 이상 용질이 용액에 녹지 않는 농도가 존재하며, 이때 용액은 포화되었다고 한다. 포화 용액에 용질을 더 추가하면 과포화가 발생할 수 있는 경우를 제외하고는 녹지 않는다. 대신 상 분리가 발생하여 완전히 분리되거나 현탁액으로 혼합된 공존 상이 생성된다. 포화점은 주변 온도와 용매 및 용질의 화학적 특성에 따라 달라진다.

농도는 종종 '''수준'''이라고 불리는데, 이는 그래프의 수직 축의 수준에 대한 정신적 스키마를 반영한다. 이는 높거나 낮을 수 있다(예: "높은 빌리루빈 혈청 수준"은 혈청에 있는 빌리루빈의 농도가 정상보다 높은 경우).

국제순수 및 응용화학연합(IUPAC)은 질량농도(mass concentration), 몰농도(amount concentration), 부피농도(volume concentration), 수농도(number concentration)의 네 가지 양을 혼합물의 조성을 나타내는 양으로 정의한다.^[14] 몰랄농도(molality)는 "농도(concentration)"가 아니다.

^[10]

분자의 양

물질량*
기호 :

n

SI 단위:

\mathrm{mol}

부피*
기호 :

V

SI 단위:

\mathrm{m^3}

질량*
기호 :

m

SI 단위:

\mathrm{kg}

분모의 양

물질량*
기호 :

n

SI 단위:

\mathrm{mol}

물질량 분율*

x_{\rm B} = \frac{n_{\rm B}}{n}

SI 단위:

{\rm {mol/mol}} = 1

몰 부피*

V_{\rm m} = \frac{V}{n}

SI 단위:

\rm{m^3/mol}

몰 질량*

M = \frac{m}{n}

SI 단위:

\rm{kg/mol}

부피
기호 :

V

SI 단위:

\mathrm{m^3}

물질량 농도*

c_{\rm B} = \frac{n_{\rm B}}{V}

SI 단위:

\rm{mol/m^3}

부피 분율*

\varphi_{\rm B} = \frac{x_{\rm B} V_{\rm m,B}^* }{\Sigma x_{\rm A} V_{\rm m,A}^*}

SI 단위:

\rm{m^3/m^3 = 1}

밀도*

\rho = \frac{m}{V}

SI 단위:

\rm{kg/m^3}

질량
기호 :

m

SI 단위:

\rm{kg}

몰랄 농도*

b_{\rm B} = \frac{n_{\rm B}}{m_{\rm A}}

SI 단위:

\rm{mol/kg}

비체적*

v=\frac{V}{m}

SI 단위:

\rm{m^3/kg}

질량 분율*

w_\mathrm{B} = \frac{m_\mathrm{B}}{m}

SI 단위:

\rm{kg/kg=1}

농도는 어떤 혼합물에도 적용할 수 있지만, 가장 많이 사용되는 것은 용액에 대한 것이며, 이 경우 농도는 어떤 용질(solute)이 용매(solvent)에 얼마나 녹아 있는지를 나타낸다.

성분량과 전체량을 측정하는 값의 종류에 따라 농도는 다음과 같이 불린다.

질량 - '''질량 농도'''
부피 - '''부피 농도(용량 농도)'''
물질량 - '''몰분율'''

질량 농도의 경우 전체량은 질량으로, 부피 농도의 경우 전체량을 부피로 측정한다.

특별히 언급하지 않는 한 "혼합물의 성분을 측정하는 대상"과 "혼합물 전체를 측정하는 대상"의 값과 종류는 동일하지만, 이용 목적에 따라 다른 종류의 측정값의 비율을 농도로 하는 경우도 많다. 일반적으로 '''w/w''' 또는 '''w/v''' 등으로 기호로 표기하는 경우가 많다.

단순한 부피의 비율을 나타내는 "부피(용량) 퍼센트 농도"에서는 "'''vol%'''" 기호를 사용하는 등, 농도의 단위를 나타내는 항에 volume을 줄인 '''vol'''이라는 단어를 붙이는 것이 일반적이다.

2. 1. 질량 백분율 (Mass Percent, wt%)

질량 백분율은 주로 퍼센트 농도라고 표현하며, 용액 100g 속에 녹아 있는 용질의 g 수로 나타내며, 단위는 %이다.^[13] 예를 들어 물 95g에 소금 5g을 녹이면 5% 소금 용액이 된다. 질량/질량 농도에서는 질량 퍼센트 농도가 자주 사용되며, "wt%"를 사용하여 나타낸다.^[13] 단순히 "%"를 사용하는 경우도 있지만, 부피 퍼센트 농도와 혼동될 수 있으므로 정식 표기는 아니다.^[13]

질량 백분율은 그 지수를 사용하여 용질의 양을 간단하게 계산할 수 있고, 농도의 크기를 직관적으로 다룰 수 있다.^[13] 한국에서 질량 백분율은 식품, 의약품 등의 성분 함량을 표시하는 데 널리 사용된다.

매우 묽은 용액에 대해서는 백만분율이나 십억분율의 단위가 사용된다. 다음은 예시하는 양을 나타내는 SI 접두어와 조합한 보조 단위로 묽기에 맞춰 농도가 표시된다.

백분율 (%) 농도: 비의 절대값에 10²을 곱한 값으로 한다.
천분율 (‰) 농도: 비의 절대값에 10³을 곱한 값으로 한다.
백만분율 (ppm) 농도: 비의 절대값에 10⁶을 곱한 값으로 한다.
십억분율 (ppb) 농도: 비의 절대값에 10⁹을 곱한 값으로 한다.
일조분율 (ppt) 농도: 비의 절대값에 10¹²을 곱한 값으로 한다.

2. 2. 몰농도 (Molarity, M)

몰농도(Molarity, M)는 용액 1L에 포함된 용질의 몰(mol) 수로 나타내며, 단위는 M(mol/L)이다. 화학 실험에서 가장 흔하게 사용되는 농도 단위이다. 예를 들어, 설탕 0.5mol을 물에 녹여 1L 용액을 만들면 0.5M 설탕 용액이 된다.

몰농도

c_i

는 용액의 부피

V

로 나눈 성분

n_i

(몰)의 물질량으로 정의된다.

:

c_i = \frac {n_i}{V}.

SI 단위는 mol/m³이지만, mol/L (= mol/dm³) 단위가 더 일반적으로 사용된다.

체적 몰농도는 가장 많이 사용되는 농도이며, 단순히 '''몰농도'''라고 하면 이 체적 몰농도를 가리킨다. 따라서, 체적 몰농도의 단위 "'''mol/L'''"을 '''M''' 또는 '''mol/L'''로 표기하고, "몰" 또는 "몰 농도"라고 읽는 경우가 있다.

예를 들어, 100 L의 시료 용액에 32 g의 메탄올이 섞여 있을때, 32g의 메탄올의 물질량은 분자량으로부터 약 1mol로 산출 할 수 있다. 즉 100L의 용액에는 1mol의 메탄올이 섞여 있으며, 1mol/100L 로 농도를 나타낼수 있다. 이것을 단위 체적당 농도로 조정하면 0.01mol/L이 되고, 체적 몰농도를 구할 수 있다. 식으로 나타내면, ''' ''M''=''n''/''V''('''M''=체적 몰농도, ''n''=물질량, ''V''=체적)'''이다.

만약, 밀도 1000 g/L인 질량 퍼센트 농도 32 wt%의 메탄올 수용액이 주어진 경우, 체적 1 L의 수용액에 포함되는 메탄올의 질량은 밀도와 질량 퍼센트 농도로부터 320 g으로 구할 수 있다. 이때의 물질량은 분자량으로부터 10 mol로 산출할 수 있으며, 그로부터 체적 몰농도를 10 mol/L로 결정할 수 있다.

2. 3. 몰랄농도 (Molality, m)

몰랄농도(

b_{\rm B}

)는 용매 단위 질량 속에 녹아 있는 용질의 물질량(몰수)으로 정의되며,

b_i = \frac{n_i}{m_\mathrm{solvent}}

로 나타낸다. 여기서

n_i

는 용질의 몰수,

m_\mathrm{solvent}

는 용매의 질량(kg)이다. 몰랄농도의 SI 단위는 mol/kg이다.

몰랄농도는 라울의 법칙이나 삼투압 측정 등에 주로 이용되며, 온도나 압력 변화에 영향을 받지 않는다는 장점이 있어 정밀한 과학적 측정에 유용하다. 예를 들어, 물 2 kg에 염화수소 0.01 mol을 넣었다면 0.005 mol/kg의 염산이 만들어진다.

몰랄 농도는 용액 전체가 아닌 '''용매'''의 질량을 기준으로 계산한다는 점에 유의해야 한다.

2. 4. 노르말 농도 (Normality, N)

노르말 농도(normality)는 용액 1L 속에 녹아 있는 용질의 그램(g)당량수로 나타내며, N으로 표시한다. 과거에 산-염기 적정 등에 사용되었으나, 현재는 사용 빈도가 줄고 있다. 일본에서는 1997년 이후 법정계량단위에서 제외되었으며, 대한민국에서도 점차 사용하지 않는 추세이다.

노르말 농도는 몰 농도(molar concentration)

c_i

를 당량 계수(equivalence factor)

f_\mathrm{eq}

로 나눈 값으로 정의된다. 당량 계수의 정의는 문맥(어떤 반응이 연구되고 있는지)에 따라 달라지기 때문에, 국제순수 및 응용화학연합(IUPAC)과 미국표준기술연구소(NIST)는 노르말 농도의 사용을 권장하지 않는다.

2. 5. 부피 백분율 (Volume Percent, vol%)

부피 백분율은 용액 100mL에 포함된 용질의 mL 수를 나타내며, 단위는 %이다. 액체 혼합물의 농도를 나타낼 때 주로 사용된다. 알코올이나 물처럼 혼합에 의해 부피에 변화가 생기는 경우에는 혼합하기 전의 부피를 기준으로 한다.

체적 농도

\sigma_i

는 구성 성분

V_i

의 부피를 혼합물의 부피

V

로 나눈 값으로 정의된다.^[3]

:

\sigma_i = \frac {V_i}{V}.

차원이 없으므로 0.18 또는 18%와 같이 숫자로 표현된다.

체적농도(용량농도)는 전체량을 체적 단위로 측정하여 산출하는 농도로, 기본 단위가 L(리터)인 경우와 세제곱미터인 경우가 있다.^[9] 화학 분야에서 특정 농도의 수용액을 조제하는 경우, 시료를 정확한 양만큼 측정하여 메스플라스크와 같은 기구를 사용하여 정확한 체적으로 희석하여 조제하는 경우가 많으며, 주요 화학 약품도 "체적 몰 농도"로 표시되는 것이 일반적이다.

2. 6. 몰분율 (Mole Fraction)

몰분율(―分率)은 용질의 몰수를 용액 전체 몰수로 나눈 값이다. 용액의 총 몰수는 용매와 용질의 몰수를 모두 합한 값이다. 예를 들어, 메탄올 32g(1 mol)을 물 68g(3.8 mol)에 녹인 수용액의 경우, 메탄올의 몰분율은 1.0 mol / (1.0 mol + 3.8 mol) = 0.21 이다. 물의 몰분율은 약 0.79이다.

몰분율은 혼합물 내 성분 ''i''의 물질량 ''n_i''(몰)을 혼합물 전체 성분의 총 물질량 ''n_tot''으로 나눈 값으로 정의된다. 몰분율은 전체량과 혼합 시료 모두 물질량을 기준으로 계산하는 단위로, 온도에 의존하지 않기 때문에 물성이 다른 다성분을 포함한 계에 자주 사용된다. 포함된 모든 물질의 몰분율의 총합이나 순물질의 몰분율은 1이다.

몰분율은 기체의 부분 압력을 계산하는 등, 기체 혼합물의 농도를 나타낼 때 유용하게 사용될수 있다. SI 단위는 mol/mol이지만, 작은 몰분율을 나타낼 때는 ppm 등의 농도 표시가 종종 사용되기도 한다.

3. 농도 관련 기타 단위

혼합물의 조성을 설명하는 데 사용할 수 있는 다른 여러 가지 양이 있다. 이러한 양을 농도라고 부르면 안 된다.^[1] 국제순수 및 응용화학연합(IUPAC)은 명백히 이전 JIS의 입장이며, IUPAC이 발행하는 Gold Book에서는 질량농도(mass concentration), 몰농도(amount concentration), 부피농도(volume concentration), 수농도(number concentration)의 네 가지 양의 그룹으로 정의하고 있으며, 이는 혼합물의 조성을 나타내는 양이라고 정의하고 있다.^[14] 또한, concentration은 amount (of substance) concentration의 약어로도 사용된다고 명시하고 있다. 이러한 입장에서는, 몰랄농도(molality)는 일본어로는 “질량몰농도”로 번역되지만 "농도(concentration)"는 아니다.

질량 농도 ρ_i는 혼합물의 부피 V로 나눈 성분 m_i의 질량으로 정의된다.

:ρ_i = m_i/V

SI 단위는 kg/m³이며, g/L와 같다.

예를 들어, 공기 중의 분진량을 나타내는 데 사용된다.

수 농도 ''C_i''는 혼합물의 부피 ''V''로 나눈 혼합물 내 성분 ''i''의 입자 수 ''N_i''로 정의된다.

: ''C_i = N_i/V''

SI 단위는 m⁻³이다.

질량 분율(매스 프랙션/mass fraction^영어) ''w_i''는 전체 혼합물의 질량 ''m_tot''에 대한 특정 물질의 질량 ''m_i''의 비율로, 다음과 같이 정의된다.

:w_i = m_i/m_tot

SI 단위는 kg/kg이다. 하지만, 작은 질량 분율을 설명할 때는 더 이상 사용되지 않는 parts-per 표기법이 자주 사용된다.

성분의 질량 m_B을 혼합물의 질량 m으로 나누어 질량분율 w_B을 얻을 수 있다.

: w_B = m_B/m

몰비는 혼합물 내의 구성 성분 ''n_i''의 양을 혼합물의 모든 다른 구성 성분의 총량으로 나눈 값으로 정의된다.

:r_i = n_i/(n_tot-n_i)

n_i가 n_tot보다 훨씬 작다면, 몰비는 몰 분율과 거의 동일하다.

SI 단위는 mol/mol이다. 그러나 작은 몰비를 나타낼 때는 사용되지 않는 parts-per 표기법이 종종 사용된다.

3. 1. 질량 농도

질량 농도 ρ_i는 혼합물의 부피 V로 나눈 성분 m_i의 질량으로 정의된다.

:ρ_i = m_i/V

SI 단위는 kg/m³이며, g/L와 같다.

예를 들어, 공기 중의 분진량을 나타내는 데 사용된다.

3. 2. 수 농도

수 농도 ''C_i''는 혼합물의 부피 ''V''로 나눈 혼합물 내 성분 ''i''의 입자 수 ''N_i''로 정의된다.

: ''C_i = N_i/V''

SI 단위는 m⁻³이다.

3. 3. 질량 분율

질량 분율(매스 프랙션}}) ''w_i''는 전체 혼합물의 질량 ''m_tot''에 대한 특정 물질의 질량 ''m_i''의 비율로, 다음과 같이 정의된다.

:

w_i = \frac {m_i}{m_\mathrm{tot}}.

SI 단위는 kg/kg이다. 하지만, 작은 질량 분율을 설명할 때는 더 이상 사용되지 않는 parts-per 표기법이 자주 사용된다.

성분의 질량

m_{\rm B}

을 혼합물의 질량

m

으로 나누어 질량분율

w_{\rm B}

을 얻을 수 있다.

w_{\rm B} = \frac{m_{\rm B/mass fraction

^영어{m}

3. 4. 몰비

몰비는 혼합물 내의 구성 성분 ''n_i''의 양을 혼합물의 모든 다른 구성 성분의 총량으로 나눈 값으로 정의된다.

:

r_i = \frac{n_i}{n_\mathrm{tot}-n_i}.

n_i가 n_tot보다 훨씬 작다면, 몰비는 몰 분율과 거의 동일하다.

SI 단위는 mol/mol이다. 그러나 작은 몰비를 나타낼 때는 사용되지 않는 parts-per 표기법이 종종 사용된다.

4. 농도와 관련된 법적 규제 (일본)

일본의 계량법 체계에서 "농도"는 89종의 "물상 상태의 양" 중 하나이며, 18종의 법정 계량 단위를 규정하고 있다.^[5]^[6]^[7] 이 중 SI 단위는 몰/세제곱미터, 킬로그램/세제곱미터, 그램/세제곱미터 뿐이며, 나머지는 비SI 단위이다. (리터는 비SI 단위이나 SI와 병용 가능하다.)

농도의 법정계량단위
분류	계량단위(SI 단위)	계량단위(비SI 단위)
소위 SI에 관한 단위	몰/세제곱미터 킬로그램/세제곱미터 그램/세제곱미터	몰/리터 그램/리터
SI 단위가 있는 양에 대한 비SI 단위		질량 백분율 질량 천분율 질량 백만분율 질량 십억분율 질량 일조분율 질량 천조분율 체적 백분율 체적 천분율 체적 백만분율 체적 십억분율 체적 일조분율 체적 천조분율 pH

위의 18종 이외의 농도 단위는 모두 비법정계량단위이며, 거래·증명에 사용하면 50만 엔 이하의 벌금이 부과된다.^[8] 규정도는 1997년 10월 1일 이후 법정계량단위가 아니므로 거래·증명에 사용할 수 없다.

5. 농도의 활용

6. 더 알아보기

참조

_[1] GoldBook concentration
_[2] OED concentration
_[3] GoldBook volume fraction
_[4] 서적 JISハンドブック 49 化学分析
_[5] 문서 밀도의 단위이기도 하다.
_[6] 문서 밀도의 단위이기도 하다.
_[7] 문서 밀도의 단위이기도 하다.
_[8] 웹사이트 2．取引又は証明における規制 https://www.meti.go.[...] 経済産業省
_[9] 웹사이트 NIST SI Guide Section 8.6.2 http://physics.nist.[...]
_[10] 웹사이트 NIST Guide to the SI 8 いくつかの量とその単位についての注 http://physics.nist.[...]
_[11] 웹사이트 mass concentration http://goldbook.iupa[...] 2019-05-14
_[12] 웹사이트 http://www9.ocn.ne.j[...]
_[13] 웹사이트 化学測定におけるトレーサビリティ化学測定において相互に比較できる結果を得るためのガイド（JCLA PR-24テクニカルノート(3) 附属書B） http://www.citac.cc/[...] 2019-05-14
_[14] 문서 concentration IUPAC Gold Book

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