Chapter 12_용액의 성질 (Properties of Solutions)

용액이라는 말은 많이 들어 봤을 것이다.물론, 용액은 용매와 용질을 포함하는 내용이다. 즉, 물질을 용질, 다시말해 무언가에 녹을 수 있는 물질을 "용질"이라고 말하고, '무언가'가 "용매"라고 말 할 수 있다. 즉, 물질이 녹여져 있는 상태를 "액"이라고 말하는데, 그 액을 "용액"이라고 한다. 말을 어렵게 하는 것 같지만, 왜 이렇게까지 설명하는지는 향후, 화학 실험 등을 할 때 반드시 필요하기 때문이다. 많은 유기화학을 포함한 반응에서 다양한 용질 (화합물)을 다루게 되는데, 그 용질을 녹이는 용매를 찾기란 쉽지 않기 때문이다. 용질을 잘 녹일 수 있어야 반응 수득률도 향상되고, 정제과정도 수월하게 할 수 있기 때문이다. 그래서, 용액과 관련한 용해도를 이번 Chapter 12를 선행하기전에 다루어 볼려고 한다.

 

1. 용해도의 정의

용해도란 어떤 “용매(solvent)”에 “용질(solute)”이 녹을 수 있는 최대 양을 의미한다.
--> 주어진 온도와 압력에서 용매 100g 또는 1L에 용질이 얼마만큼 녹을 수 있는지를 g/100g, mol/L (몰농도) 등으로 표현한다.

예시:

     20℃에서 NaCl(소금)의 물에 대한 용해도 = 36g / 100g H₂O

    ==> 이 말은 100g의 물에 최대 36g의 소금이 녹는다는 뜻.

2. 용해의 기본 개념

용해는 크게 세 단계로 이해할 수 있음:

1. 용질 입자 간 결합을 끊는 과정 (흡열)
2. 용매 입자 간 상호작용을 끊는 과정 (흡열)
3. 용질과 용매가 상호작용하여 결합하는 과정 (발열)

총 에너지 변화(ΔH)와 엔트로피(ΔS)에 따라 용해가 자발적으로 일어나는지 결정됨. (깁스 자유에너지 ΔG = ΔH - TΔS)

Hydrogen bond formations of water molecules with amino acids’ side chains at neutral pH. (출처: Chem. Rev. 2022, 122, 14085−14179)

3. 용해도에 영향을 주는 요인

(1) 온도

• 고체/액체의 경우: 온도가 높을수록 대부분 용해도 증가
  --> 예: 설탕, 소금
• 기체의 경우: 온도가 높을수록 용해도 감소
  --> 예: 콜라에서 기포가 올라오는 이유 (CO₂가 더 녹지 못함)

(2) 압력 (주로 기체에만 영향)

• 헨리의 법칙 (Henry’s Law):

C = kP

C: 기체의 용해도

P: 기체의 분압

k: 상수
--> 압력을 높이면 기체의 용해도 증가

(3) 용질과 용매의 성질

• “Like dissolves like” (유사한 극성끼리 잘 섞임)

• 극성 용매(물)는 극성 또는 이온성 용질과 잘 섞임
• 비극성 용매(헥산)는 비극성 용질(기름)과 잘 섞임

Molecular structures of representative hydrophilic andhydrophobic proteins with high α-helical content. (출처: Chem. Rev. 2022, 122, 14085−14179)

4) pH (특정 물질의 경우)

• 약산이나 약염기 용질의 경우, pH 변화에 따라 용해도 달라짐

       --> 예: 아스피린, 약물 설계 등에서 중요

4. 용해도 곡선 (Solubility Curve)

온도에 따라 용해도가 어떻게 변하는지 그래프로 나타낸 것

• x축: 온도(°C), y축: 용해도 (g/100g H₂O 등)

• 어떤 물질이 포화되었는지, 과포화 상태인지 알 수 있음.

5. 포화, 불포화, 과포화 용액

용액 종류		설명
불포화 용액		용질이 아직 더 녹을 수 있는 상태
포화 용액		더 이상 용질이 녹지 않고, 용해도만큼 녹은 상태
과포화 용액		일시적으로 용해도를 초과해서 녹은 상태 (불안정함, 결정 발생 가능)

6. 용해도 곱 (Ksp, Solubility Product)

• 이온성 고체가 물에 녹는 정도를 나타내는 상수
• 예: BaSO₄(s) ⇌ Ba²⁺(aq) + SO₄²⁻(aq)
  → Ksp = [Ba²⁺][SO₄²⁻]
• 주로 침전 반응에서 용해 여부 예측, 정량적 계산에 사용됨

7. 용해도의 응용

분야	활용 예시
의약품	약물의 용해도를 조절해 생체 흡수율 향상
환경	수질에서 중금속 이온의 용해 여부 판단
산업	결정 성장, 정제, 배터리 전해질 설계 등
화학 실험	침전 반응, 적정 분석 등

 

용해도 관련해서는 자세하게 알았음 한다. 물론, 학부 전공 수업 시간에는 이 용해도와 관련해서, 용매를 분류하기도 하는데, 그러한 분류 작업의 기본은 위의 용해도부터 시작되기 때문이다. 또한, 실험을 진행할 때도 중요한 부분이니 상기 내용을 잘 숙지하기를 바란다.