4-2-1. 용액과 용해도
용해는 용질이 용매에 녹아 들어가는 것을 말하며,
일상 생활에서도 소금물, 설탕물처럼
많은 용액을 쓰고 있습니다.
여기서는 용해 현상과 용해 평형에 대해서
주로 공부하게 됩니다.
액체 상태의 용액에는 (액체+고체;소금물),
(액체+액체;식초), (액체+기체;사이다) 등이 있죠.
여기서 용질은 녹는 물질이고, 용매는 녹이는 물질을 말합니다.
녹이는 물질과 녹는 물질의 구별이 어려울 때는
양이 많은 쪽을 용매로 생각하면 됩니다.
가령, 물 90g + 에탄올 10g일 때는 물을 용매로,
물 10g + 에탄올 90g일 때는 에탄올을 용매로 보면 되는 겁니다.
(1) 용해도
어떤 물질을 용매에 녹일 때,
용질은 일정한 온도에서 용매 일정 질량에 대하여 어떤 한계까지만 녹는데,
이와 같은 용해 상태를 포화 상태라 하고,
용질이 포화 상태보다 적게 녹아 있는 경우를 불포화 상태라 합니다.
예를 들자면, 20도에서 물 100g에 소금은 36g까지만 녹는데
이 용액이 포화 용액이고,
같은 조건에서 소금을 30g 녹인 용액은 불포화 용액이죠.
어떤 온도에서 용해도는
포화 용액에서 용매 100g 속에 녹아 있는 용질의 질량(g)으로 나타냅니다.
고체의 용해도는 대개 온도가 높을수록 커집니다. ==> 흡열적 용해
찬물보다 더운 물에 설탕이 더 잘녹는 것처럼...
(2) 용해 평형
포화 상태의 용액에 용질을 더 넣어도
겉보기에는 더 이상 녹지 않는 것처럼 보입니다.
예를 들면, 어떤 온도에서 설탕물을 포화 용액으로 만들어 놓고
여기에 설탕을 더 넣으면 더 이상은 설탕이 녹지 않고
바닥에 가라앉아 있는 것처럼 보이죠.
하지만 이 설탕물에 흑설탕을 넣으면 설탕물의 색깔이 무색에서
점점 흑설탕의 색깔처럼 누렇게 변하는 것을 볼 수 있습니다.
이것이 용해 평형을 보여주는 증거입니다.
즉, 포화 용액에서도 용해와 석출이 계속되고 있다는 사실이죠.
일반적으로 다음과 같이 소금물이 물에 녹는 과정을 나타낼 때,
포화 용액은 용해 속도가 석출 속도와 같아서
겉보기에는 더 녹지 않는 것처럼 보이며,
불포화 용액은 용해 속도가 석출 속도보다 빠른 것을 나타냅니다.
다음 그림에서 포화 상태인 E 용액에 용질을 더 넣어 A 상태로 만든 뒤
온도를 올려 B에 이르면
남아 있던 용질이 모두 녹아 새로운 포화 용액이 되며,
더 온도를 높여 C에 이르면 불포화 용액으로 변합니다.
C에서 포화 용액으로 만드는 방법은 온도를 낮춰 B로 가든지,
아니면 용질을 더 넣어 D로 가는 방법이 있겠죠.
그러나 각 상태에서 몰랄 농도를 비교하면
D>C=B>A=E 순서가 될 것입니다.
왜냐 하면, 몰랄 농도는 용액 속에 녹아 있는
용질의 몰 수를 용매의 질량(kg)으로 나눈 것이므로
용매 100g을 기준으로 하여 녹아 있는 용질의 몰 수는
D>C=B>A=E 순서이기 때문이죠.
기체는 활발하게 운동하므로 온도가 높을수록
운동 에너지가 커져서 물에 녹기 어렵습니다.
또한 극성이 매우 작거나 무극성인 기체들은
물에 녹기가 더 어렵습니다.
여러분이 잘 먹는 사이다나 콜라는
무극성 분자인 이산화탄소를 높은 압력으로 녹여 놓은 것이죠.
그래서 사이다나 콜라 병뚜껑을 따면 이산화탄소 거품이 올라오는 겁니다.
(1) 온도에 따른 기체의 용해도
온도가 올라가면 물에 녹아 있던 기체도 운동 에너지가 커져서
물에서 탈출하게 되니까 물 속에 남아 있는 기체가 줄어들겠죠?
이래서 기체의 용해도는 온도가 올라갈수록 줄어듭니다.==>발열적 용해
(2) 압력에 따른 기체의 용해도 : 헨리의 법칙
물에 잘 녹지 않는 무극성 기체나 극성이 매우 작은 기체는
용해하는 질량이 압력에 비례하게 된다는 법칙입니다.
1 기압에서 물 1 L에 산소가 0.4g 녹는다면
같은 온도에서 2 기압이면 0.8g, 3 기압에서는 1.2g이 녹게 되는 것이죠.
그러나 용해하는 기체의 부피는 압력과 관계없이 일정합니다.
위 그림에서 녹아 들어가는 기체 a g의 부피가 V mL라면
같은 압력에서 2a g의 부피는 2V mL이겠죠.
압력이 두 배로 늘어나면 용해하는 질량이 두 배로 늘어나 2a g이 녹겠지만,
보일의 법칙에 따라 부피는 2V mL의 반으로 줄어들게 되어
녹아 들어가는 기체의 부피는 여전히 V mL가 되는 겁니다.
용해 현상은 평형의 일종이라는 사실을 이해하는 것이 중요합니다.