수용액
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1. 개요
수용액은 물을 용매로 하는 용액으로, 용질의 용해도에 따라 친수성 물질은 잘 녹고 소수성 물질은 잘 녹지 않는다. 수용액은 수소 이온과 수산화 이온의 평형을 이루며, 산과 염기의 아레니우스 정의에 따라 산은 수소 이온을, 염기는 수산화 이온을 생성한다. 수용액은 전해질과 비전해질로 나뉘며, 전해질은 전류를 잘 통하는 물질, 비전해질은 전류를 통하지 않는 물질이다. 수용액에서의 반응은 메타테제 반응, 특히 침전 반응이 흔하며, 용해도 표를 통해 침전물 형성을 예측할 수 있다. 용해는 열역학적 평형 반응이며, 이온 결정과 극성 분자 결정의 용해 메커니즘은 격자 에너지와 용매화 에너지, 분자간 인력에 의해 결정된다. 일상생활에서 소금물, 설탕물, 탄산수, 석회수, 염산 등이 수용액의 예시이다.
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| 수용액 | |
|---|---|
| 개요 | |
 | |
| 정의 | 물을 용매로 사용하여 만들어진 용액 |
| 구성 요소 | 용매: 물 용질: 용해되는 물질 |
| 용매 | 물 (H₂O) |
| 특성 | |
| 전해질 | 이온성 화합물이 용해되면 전해질 용액이 됨 |
| 전기 전도도 | 이온 농도에 따라 전기 전도성을 가짐 |
| pH | 용존된 산 또는 염기의 양에 따라 산성, 중성, 염기성을 나타냄 |
| 용해 | |
| 용해 과정 | 용질 입자가 용매에 분산되어 용액을 형성함 |
| 용해도 | 특정 온도에서 용매에 용해될 수 있는 용질의 최대량 |
| 요인 | 온도 압력 (기체의 경우) 용매-용질 간의 상호작용 |
| 예시 | |
| 일반적인 예 | 소금물 (염화 나트륨 수용액) 설탕물 (자당 수용액) 식초 (아세트산 수용액) |
| 생물학적 예 | 혈액 (혈장) 세포질 |
| 화학적 예 | 산 염기 염 |
| 반응 | |
| 산-염기 반응 | 수용액에서 산과 염기가 반응하여 물과 염을 생성함 |
| 침전 반응 | 용해도가 낮은 이온들이 만나 침전물을 형성함 |
| 산화-환원 반응 | 전자가 이동하는 반응 |
| 활용 | |
| 화학 | 다양한 화학 반응의 매개체 |
| 생물학 | 생명체의 필수적인 부분 |
| 산업 | 다양한 산업 공정에서 용매 또는 반응 매체로 사용 |
| 일상 생활 | 음료, 세척제 등 다양한 형태로 사용 |
2. 수용액의 특징
수용성이 아닌 물질은 소수성(물을 두려워하는)이고, 용해성이 좋은 물질은 친수성(물을 좋아하는)이다. 염화 나트륨이 친수성 물질의 예시이다.
수용액은 특히 알칼리 영역이거나 방사선 분해를 받을 때 수화된 원자 수소와 수화 전자를 포함할 수 있다.
2. 1. 수소 이온과 수산화 이온
수용액에서 수소 이온(H+|에이치 플러스영어)과 수산화 이온(OH−|오에이치 마이너스영어)은 아레니우스 평형을 이룬다. 298 K에서2. 2. 산과 염기
산과 염기는 아레니우스 정의에 따른 수용액이다.[1] 아레니우스 산의 예로는 염화 수소(HCl)가 있는데, 이는 물에 용해될 때 수소 이온이 해리되기 때문이다. 수산화 나트륨(NaOH)은 물에 용해될 때 수산화 이온이 해리되므로 아레니우스 염기이다.[3]프로톤산과 염기는 물속에서 쉽게 수소 결합을 형성하므로 수용성이 크다. 물속에서 전리된 이온은 더욱 수화되기 쉬우므로 산과 염기는 상대적으로 물에 대한 용해도가 크다.
3. 전해질 및 비전해질
수용액은 전류가 잘 흐르는 정도에 따라 전해질과 비전해질로 나뉜다. 강한 전해질은 수용액에서 전류를 효율적으로 전도하는 반면, 약한 전해질은 전도성이 낮다. 비전해질은 물에 녹아도 이온으로 해리되지 않고 분자 상태를 유지한다.
3. 1. 강전해질
강전해질은 물에서 완전히 이온화되어 전류를 효율적으로 전도하는 수용액을 만드는 물질이다.[1] 이온이 용매를 통해 자유롭게 이동하는 능력은 수용성 강전해질 용액의 특징이다.[1]3. 2. 약전해질
약전해질은 물에 부분적으로 이온화되어 전류를 약하게 흐르게 하는 물질이다. 강한 전해질은 물에서 완전히 이온화되는 반면, 약한 전해질은 물에서 약간의 이온화만 나타낸다.[1] 용매를 통해 이온이 자유롭게 이동하는 능력은 수용성 강전해질 용액의 특징이다. 약한 전해질 용액의 용질은 이온으로 존재하지만 그 양은 적다.[3]3. 3. 비전해질
비전해질은 물에 녹지만 분자 상태를 유지하며 이온으로 나누어지지 않는 물질이다. 설탕, 요소, 글리세롤, 메틸설포닐메테인(MSM) 등이 비전해질의 예시이다.4. 수용액에서의 반응
수용액에서의 반응은 주로 이온 간의 복분해 반응인 메타테제 반응으로 일어난다.[1] 수용액에서 흔히 일어나는 메타테제 반응에는 침전 반응이 있다.[3]
4. 1. 메타테제 반응
메타테제 반응은 복분해 반응의 다른 용어이며, 양이온이 다른 음이온과 이온 결합을 형성하기 위해 치환될 때를 말한다. 후자의 음이온과 결합된 양이온은 해리되어 다른 음이온과 결합한다.[1]수용액에서 흔한 메타테제 반응은 침전 반응이다. 이 반응은 두 개의 수용성 강전해질 용액이 섞여 불용성 고체, 즉 침전물을 생성할 때 발생한다. 물질이 물에 용해되는 능력은 해당 물질이 물 분자 사이에 생성되는 강력한 인력에 상응하거나 이를 초과할 수 있는지 여부에 따라 결정된다. 물질이 물에 용해되는 능력이 부족하면 분자가 침전물을 형성한다.[3]
침전 반응의 반응식을 작성할 때 침전물을 결정하는 것이 중요하다. 침전물을 결정하기 위해서는 용해도 표를 참조해야 한다. 가용성 화합물은 수용성이며, 불용성 화합물은 침전물이다. 항상 침전물이 있는 것은 아니다. 완전 이온 반응식과 순 이온 반응식은 메타테제 반응에서 해리된 이온을 보여주기 위해 사용된다. 하나 이상의 수용액의 화학 반응에 관한 계산을 수행할 때, 일반적으로 수용액의 농도, 즉 몰 농도를 알아야 한다.
4. 2. 침전 반응
침전 반응은 두 수용성 강전해질 용액이 섞여 불용성 고체, 즉 침전물을 생성할 때 발생하는 반응이다.[3] 침전물을 결정하기 위해서는 용해도 표를 참조해야 한다. 가용성 화합물은 수용성이며, 불용성 화합물은 침전물이다. 항상 침전물이 있는 것은 아니다. 완전 이온 반응식과 순 이온 반응식은 메타테제 반응에서 해리된 이온을 보여주기 위해 사용된다.5. 용해 메커니즘
용해는 열역학적인 평형 반응이며, 물질의 용해 과정과 결정화 과정이 동시에 진행된다. 평형이 어느 쪽으로 치우치는가는 결정화 에너지와 수화 에너지의 차이에 따라 달라진다.
5. 1. 이온 결정의 용해
용해는 열역학적인 평형 반응이며, 물질의 용해 과정과 결정화 과정은 항상 동시에 진행된다. 즉 평형이 어느 쪽으로 치우치는가는 결정화 에너지와 수화 에너지의 차이에 따른다. 이온 결정은 명확한 전하가 존재하기 때문에, 결정 에너지는 큰 값을 가진다. 이는 이온 결정의 융점이 높다는 성질로도 나타난다. 이온에 대한 수화의 정도와 수화 에너지는 이온의 종류나 전하량에 따라 각각 다르며, 양이온과 음이온 각각의 수화 에너지의 합이 된다.예를 들어 염화 은의 융점은 455℃, 염화 나트륨은 801℃이며, 융해 에너지의 관점에서는 염화 은 쪽이 결정에서 이온쌍이 떨어져 나오기 쉽다. 하지만, 이는 염화 은 쪽이 공유 결합성의 기여가 강해지기 때문이다.[3] 전해질의 용해도는 주로 결정 격자의 이온 결합 강도의 지표인 격자 에너지와 용매 중 이온의 안정화 지표인 용매화 에너지에 의해 지배되며, 그 외 분자간 인력 등의 기여도 더해진다.
염화 나트륨 및 염화 은의 물에 대한 용해 과정은 다음과 같다.
: MX(s) → M(g) + X(g) (격자 에너지)
: M(g) + X(g) → M(aq) + X(aq) (수화)
: MX(s) + X(g) → M(aq) + X(aq) (용해)
5. 1. 1. 염화나트륨과 염화은의 용해도 비교 (표)
| 물질 | 격자 에너지 | 수화 엔탈피 변화 | 용해 엔탈피 변화 | 용해 엔트로피 변화 | 용해 깁스 자유 에너지 변화 |
|---|---|---|---|---|---|
| 염화 나트륨 | 787.4 kJ mol-1 | -783.5 kJ mol-1 | 3.9 kJ mol-1 | 43.4 J mol-1K-1 | -9.0 kJ mol-1 |
| 염화 은 | 915.7 kJ mol-1 | -850.2 kJ mol-1 | 65.5 kJ mol-1 | 33.0 J mol-1K-1 | 55.7 kJ mol-1 |
5. 2. 극성 분자 결정의 용해
용해는 열역학적인 평형 반응이며, 물질의 용해 과정과 결정화 과정은 항상 동시에 진행된다. 평형이 어느 쪽으로 치우치는가는 결정화 에너지와 수화 에너지의 차이에 따라 결정된다.분자 결정의 결정 에너지는 분자간력 중 반 데르 발스 힘, 쌍극자 상호작용, 수소 결합에 기인한다. 이러한 결정의 결합력은 이온 결정에 비해 훨씬 약하지만, 분자량이 증가할수록 결정 에너지(즉, 융점)도 커진다. 극성 분자 결정 중 분자량이 작은 것, 또는 다수의 수소 결합을 갖는 것은 물에 잘 녹는다. 분자량이 작은 것은 수화하는 표면이 상대적으로 넓어 물에 잘 용해된다. 아세트산 에틸은 아세톤보다 극성이 크지만, 분자량이 크고 수화되지 않는 영역이 넓어 수화의 기여가 거의 없기 때문에 물에 잘 녹지 않는다. 당과 같이 어느 정도 분자량이 큰 극성 분자 결정은 수소 결합이 많은 경우 물에 잘 용해된다.
5. 2. 1. 산과 염기의 용해
산과 염기는 아레니우스 정의에 따른 수용액이다.[1] 아레니우스 산의 예로는 염화 수소 (HCl)가 있는데, 이는 물에 용해될 때 수소 이온이 해리되기 때문이다. 수산화 나트륨 (NaOH)은 물에 용해될 때 수산화 이온이 해리되므로 아레니우스 염기이다.[3]프로톤산과 염기는 물속에서 쉽게 수소 결합을 형성하므로 수용성이 크다. 물속에서 전리된 이온은 더욱 수화되기 쉬우므로 산과 염기는 상대적으로 물에 대한 용해도가 크다.
6. 주요 수용액 (예시)
참조
[1]
서적
Chemistry (4th ed.)
Houghton Mifflin Company
[2]
논문
Amphiphiles in aqueous solution: well beyond a soap bubble
https://pubs.rsc.org[...]
2013-10-07
[3]
서적
Chemical Principles: The Quest for Insight (3rd ed.)
W.H. Freeman and Company
2004-03-19
[4]
웹사이트
What Is an Aqueous Solution? Chemistry Definition and Example
https://www.thoughtc[...]
2024-08-24
[5]
웹사이트
Solutions
http://www.chemistry[...]
Washington University
2018-04-13
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