7. 용액의 성질

용액은 한 물질이 다른 물질 전체에 고르게 분산할 때 형성된다.

혼합(mixing)에 대한 엔트로피 증가와 용해 과정에 관여하는 분자간 상호작용의 형태가 용액을 형성하는 능력에 영향을 준다.

• 용질-용질 상호작용을 극복해야 용질 입자들이 용매 속으로 분산된다.
• 용매-용매 상호작용을 극복해야 용매에서 용질 입자들이 차지할 공간을 만든다.
• 용매-용질 상호작용이 발생할 때 입자들이 서로 혼합된다.

(무극성 물질이 무극성 물질에 용해될 때는 분산력이 지배적인 역할,

 이온성 물질이 물에 녹을 때는 이온-쌍극자 힘이 지배적인 역할을 한다.)

 

용액 형성 단계

1. (용질)n ↔ n개 용질                $\Delta H_{용질} > 0$ (흡열)
2. (용매)n ↔ n개 용매                $\Delta H_{용매} > 0$ (흡열)
3. n개 용질 + n개 용매 ↔ 용액   $\Delta H_{혼합} < 0$ (발열)

($\Delta H_{용액}$이 너무 큰 흡열 과정이라면, 용질은 잘 용해되지 않을 것이다.)

(용액을 형성하기 위해서는 용매-용매 상호작용이 1번과 2번을 합한 값과 비슷할 정도로 충분히 커야만 한다.)

 

용액을 만들었을 때 화학 반응 없이 물리적인 용해 과정만 일어날 수도 있다. (ex. NaCl + H20)

수화물(hydrate)이란, 결정 격자 내에 일정 수의 물 분자를 갖는 화합물을 말한다.

 

용해의 역과정인 결정화(crystallization)는 용액 중 증가한 용질 입자가 고체의 표면과 충돌할 기회가 늘어나 다시 용질이 고체와 결합하는 과정이다.

(용해와 결정화의 반응속도가 같을 때 동적 평형이 일어난다.)

 

용해도 (solubility)

특정 온도에서 주어진 용매 100ml 당 녹을 수 있는 용질의 g 수.

(용해시킬 수 있는 용질의 최대량)

• 포화 용액(saturated): 용액이 용해되지 않은 용질과 평형 상태일 때
• 불포화 용액(unsaturated): 용해도보다 적은 양의 용질이 녹은 용액
• 과포화 용액(supersaturated): 용해도보다 많은 양의 용질을 포함한 용액
  (일시적이며 온도 변화나 화학적 힘이 작용하면 용질이 석출된다.)

 

용해도에 영향을 주는 인자

1. 용매와 용질의 성질: 용질-용매 상호작용

• 비슷한 것은 비슷한 것을 녹인다 (like dissolves like)
• 기체의 몰질량이 클수록, 물에 대한 기체의 용해도는 증가한다.
• 용질-용매 상호작용이 클수록, 그 용매에 대한 용질의 용해도는 커진다.

 

2. 압력의 영향

고체와 액체의 용해도는 압축률이 낮아서 압력에 의해 크게 영향을 받지 않는다.

어떤 용매에 대한 기체의 용해도는 용매 위에 있는 기체의 부분 압력에 정비례하여 증가한다.

 

Henry's law       ($S_{g}=kP_{g}$)

용액에 녹아 있는 기체의 농도는 용액 위에 있는 기체 용질의 분압에 비례한다.

 

3. 온도의 영향

• 대부분의 고체 용질의 물에 대한 용해도는 용액의 온도가 상승하면 증가한다. (예외 존재)
• 물에 대한 기체의 용해도는 온도 상승에 따라 감소한다.

 

총괄성 (Colligative Properties)

용질 입자의 종류와는 무관하고 용질 입자의 수에만 의존하는 용매의 물리적 성질이다.

(증기압 내림, 끓는점 오름, 어는점 내림, 삼투압 등)

 

증기압 내림 (Vapor-pressure lowering)

증기 압력이란 증기가 액체와 평형에 있을 때 증기에 의해서 미치는 압력이다.

증기 압력을 측정할 수 없는 물질을 비휘발성(nonvaolatile)이라고 한다.

 

용질-용매 분자간 인력 때문에 비휘발성 용질의 농도가 클수록, 용매가 증기 상태로 탈출하는 것을 어렵게 만든다.

따라서 용액의 증기압은, 순수한 용매의 증기압보다 낮다.

 

Raoult's law

$P_{용액} = X_{용매}P_{용매}^{º}$

비휘발성 용질을 포함하는 용액 위의 휘발성 용매의 증기압은 존재하는 용매의 농도(몰분율)에 정비례한다.

(라울의 법칙을 따르는 용액을 이상 용액이라고 부른다.)

 

결론적으로 증기압력 내림은 용질의 몰분율에 정비례하며 이를 측정하여 용질의 분자량을 구할 수 있다.

$\Delta P=X_{용질}P_{용매}^{º}=P_{용매}^{º}-P_{용액}$

 

끓는점 오름

액체의 정상 끓는점은 그 증기 압력이 1 atm일 때의 온도이다.

용액은 순수한 용매보다 낮은 증기 압력을 갖기 때문에 더 높은 온도를 필요로 한다.

따라서 용액의 끓는점은 순수한 용매의 끓는점보다 더 높다.

 

$\Delta T_{b}=T_{b}(용액)-T_{b}(용매)=iK_{b}m$

i = (용액 속에 있는 입자의 총 몰수) / (용질의 몰수)

i는 van't Hoff 지수로, 용질이 특별한 용매 속에서 이온으로 분리될 때 분리된 이온의 수이다.

$K_b$는 용매의 몰랄 끓는점 오름 상수로, 각 용매에 대해서 실험적으로 결정되는 비례 상수다.

m은 용질의 몰랄 농도이다.

 

어는점 내림

액체상-고체상의 증기압력 곡선은 삼중점에서 만난다.

용액이 순수 액체보다 낮은 증기 압력을 갖기 때문에 용액의 삼중점 온도가 순수 액체의 삼중점 온도보다 낮다.

끓는점 오름과 마찬가지로, 어는점 내림은 van't Hoff 지수를 고려한 용질의 몰랄 농도에 정비례한다.

$\Delta T_{f}=T_{f}(용액)-T_{f}(용매)=-iK_{f}m$

$K_f$는 몰랄 어는점 내림 상수이다.

용액은 순수한 용매보다 낮은 온도에서 얼기 때문에 $\Delta T_f$는 음의 값을 가진다.

 

삼투 현상 (osmosis)

용매 분자만이 두 개의 다른 농도의 용액 사이에 놓여 있는 반투막을 통과할 수 있다고 할 때, 용질의 농도가 낮은 용액에서 농도가 높은 용액으로 용매 분자의 알짜 이동이 있게 된다. 이 과정을 삼투 현상이라고 한다.

용매의 알짜 이동은 항상 용질의 농도가 높은 용액 쪽으로 일어나서 용액이 같은 농도를 가지게 된다.

물의 실질적 이동이 멈추는, 평형을 위해 요구되는 압력을 삼투압이라고 한다.

$\Pi = i\Bigg(\displaystyle\frac{n}{V}\Bigg)RT=iMRT$

 

콜로이드(colloid)란, 이온과 분자보다는 큰 입자이지만 중력에 의해 가라앉기에는 너무 작은 분산 입자이다.

콜로이드 입자는 이온과 분자에 비해 커서 빛을 산란 시키는 틴들 효과(Tyndall effect)를 야기한다.

 

용액의 농도 표시

1. 질량 백분율 (mass percentage)

성분의 질량 백분율(%) = (용액 속의 성분의 질량) / (용액의 총질량) * 100

 

2. 백만분율 (ppm), 10억분율 (ppb)

질량 백분율이 100을 곱했다면 100 대신에 백만분율은 10^6을, 10억분율은 10^9을 곱한다.

 

3. 몰분율 (X)

용액의 총 몰수에 대한 물질의 몰 비로, 그 물질이 용질이냐 용매냐는 중요하지 않다.

성분의 몰분율 = (성분의 몰수) / (모든 성분의 총 몰수)

 

4. 몰 농도 (Molarity, M) , 몰랄 농도 (Molality, m)

몰 농도는 용액 1L에 들어 있는 용질의 몰수이다.

몰랄 농도는 용매 1kg에 들어 있는 용질의 몰수이다.

(몰랄 농도는 온도에 따라 변하지 않는 반면, 몰 농도는 온도에 따라 부피가 변해서 값이 변한다.)