화학2 : IV-2. 용액

1. 용액과 용해도

(1) 용해와 용액

가. 용해와 용액

① 용해: 두 종류 이상의 순물질이 균일하게 섞이는 현상
② 용액: 두 종류 이상의 순물질이 균일하게 섞여 있는 혼합물

나. 용액의 종류

① 기체 용액 : 반응성이 없는 기체나 증기들이 일정 비율로 균일하게 섞여 있는 것 (공기)
② 액체 용액 : 기체, 액체 또는 고체를 액에체 용해시켜 만든다.(바닷물, 가솔린)
③ 고체 용액 : 여러 가지 합금 등(놋쇠)

다. 용매와 용질

① 용매 : 용액에서 녹이는 물질. (예) 물
② 용질 : 녹는 물질. (예) 설탕, 소금
③ 기체 용액과 고체 용액 : 많은 양의 물질이 용매, 적은 양의 물질이 용질
④ 액체 용액 : 액체 + 고체, 기체의 용액 =>액체 - 용매, 고체나 기체 - 용질.
액체 + 액체 => 많은 물질-용매, 적은 물질 - 용질

라. 용액의 평형

① 포화 용액: 어떤 온도에서 일정량의 용매에 용질이 최대한으로 녹아 있는 용액.
용해속도 = 석출 속도
② 불포화 용액: 용질이 더 녹을 수 있는 용액
용해속도 > 석출 속도
③ 과포화 용액: 용매가 녹을 수 있는 한도 이상으로 용질이 녹아 있는 용액
용해속도 < 석출 속도

마. 용액의 전기적 성질

① 전해질 용액 : 물에 녹아 이온으로 되는 물질을 전해질. 이러한 물질의 용액을 전해질 용액이라 함. 전기를 잘 통함.
② 강한 전해질과 약한 전해질
㉠ 강한 전해질 : 수용액에서 용질이 거의 전부 이온으로 되는 물질(HCl, NaOH, NaCl 등)
㉡ 약한 전해질 : 극히 일부만이 이온으로 되는 물질(Ch₃COOH, NH₃ 등)
③ 비전해질 용액 : 물에 녹을 때 이온이 생기지 않는 물질을 비전해질. 이러한 물질의 용액을 비전해질 용액이라 함. 전기를 전도하지 않음 ☞ 용질이 수용액에서 분자 상태로 존재하기 때문에.(설탕 용액, 포도당 용액 등)

(2) 용해의 원리

가. 기체 용액

: 분자간의 인력이 극히 작아 혼합과정에서 에너지 변화는 거의 없고 무질서도가 증가함으로써 완전히 섞여 균일한 용액이 된다.

나. 액체 용액

다. 수화

: 수용액에서 물 분자가 용질 입자를 둘러 싸는 현상. (예) 염화나트륨의 용해

라. 물질 사이의 용해성

① 이온 결정은 물과 같이 극성이 큰 용매에 잘 녹는다.
② 나프탈렌과 같은 무극성 분자는 벤젠과 같은 무극성 용매에 잘 녹는다.
③ 물과 에탄올은 -OH에 의한 수소 결합 때문에 서로 잘 섞인다.
④ 극성 분자는 극성 용매에, 무극성 분자는 무극성 용매에 잘 녹는다.

(3) 용해도

어떤 온도에서 용매 100g에 최대로 녹을 수 있는 용질의 g수

가. 고체의 용해도

① 용해도는 용매와 용질의 종류에 따라 달라진다.
② 고체의 용해도는 온도에 따라 달라진다.(단, 압력의 영향은 거의 받지 않는다)
㉠ A 의 변화 : 용해 과정이 흡열인 경우. 가열하면 용해도 증가
(예) KNO₃, NaNO₃, 설탕 등 대부분의 고체
㉡ B 의 변화 : 용해 과정이 발열인 경우. 가열하면 용해도 감소.
(예) NH₃, HCl 등 대부분의 기체

③ 용해도 곡선 : 물질의 용해도와 온도의 관계를 나타낸 그래프.

㉠ 용해도 곡선상의 모든 점은 포화상태이다.
㉡ 각 온도에서의 용해도를 알 수 있다.
㉢ 포화용액을 식힐 때 석출되는 용질의 양을 알 수 있다.

④ 재결정 : 온도에 따라 용해도가 크게 변하는 물질의 경우 순수한 결정을 얻기 위해 포화용액을 냉각시키는 방법.

★ 재결정으로 석출되는 양 계산 방법 ★

(100 + m₂)g : (m₂ - m₁)g = w g : x g
∴ x = 석출량

나. 기체의 용해도

① 기체의 용해도와 온도와의 관계 : 기체가 용해될 때 발열 반응이 진행되기 때문에 온도가 낮을수록 기체의 용해도는 증가한다.

② 기체의 용해도와 압력과의 관계 : 헨리의 법칙
: 용해도가 작은 기체일 때 일정한 온도에서 일정량의 용매에 용해하는 기체의 질량은 압력에 비례한다

〔B〕= KPB 〔B〕: 녹은 기체의 농도, K : 헨리의 법칙 상수 PB : 기체의 부분 압력

㉠ 기체의 부피는 압력에 반비례하고 녹는 기체의 양은 압력과 비례
☞ 녹는 기체의 부피는 압력과 무관(부피는 불변)
㉡ 헨리의 법칙이 잘 적용되는 기체 : H₂, O₂, N₂, CO₂ => 무극성분자
헨리의 법칙이 잘 적용되지 않는 기체 : HCl, NH₃, SO₂ => 극성분자

(4) 용액의 농도

가. 퍼센트(%) 농도

: 용액 100 g 중에 녹아 있는 용질의 질량 (단위 : %)

나. 몰 농도

: 용액 1L 중에 녹아 있는 용질의 mol 수 (단위 : M 또는 mol/L)

◈표준 용액 만들기◈ NaCl 1M 농도 용액 만들기 1. 비이커에 NaCl 넣고 저울로 58.44g을 잰다. 2. 비이커의 1/2 정도 물을 넣어서 녹인다. 3. 깔때기를 이용하여 메스 플라스크에 옮겨넣는다. 4. 비이커를 깨끗한 물로 씻어 메스플라스크에 넣는다. 5. 메스 플라스크 벽과 깔때기에 묻어있는 NaCl용액을 세척병으로 씻는다. 6. 80%정도 물이 채워졌으면 흔들어 잘 섞는다. 7. 물을 채워서 눈금선에 일치시킨다.

다. 혼합 용액의 몰 농도

① 희석 용액의 농도

용질의 몰 수 = MV = 일정, M1 × V1 = M2 × V2 (단, M1과 V1은 처음 용액의 몰 농도 및 부피, M 2와 V2는 나중 용액의 몰 농도 및 부피)

② 혼합 용액의 농도

용질의 전체 몰 수 = MV + M1V1= M2V2 (단, M과 V는 처음 용액의 몰 농도 및 부피, M 1과 V1는 나중 용액의 몰 농도 및 부피 M 2과 V2는 혼합 용액의 몰 농도 및 부피)

③ 용질과 용액의 혼합 : 용질 wg을 M몰 농도, VL에 혼합한 경우

M` = (w/분자량 + MV)몰/VL ( M` : 혼합 용액의 몰 농도)

라. 몰랄 농도

① 용매 1 kg 중에 용해되어 있는 용질의 mol 수
② 단위 : m 또는 mol/kg
③ 온도의 영향을 받지 않으므로 온도 변화에 대해 몰랄 농도는 항상 일정함.

용질의 몰 수(mol) 몰랄 농도(m) = ------------------- 용매의 질량(kg)

마. 농도의 환산

① % 농도와 몰 농도의 환산

(예) 비중이 1.47g/mL인 황산(H2SO4)의 M농도는 얼마인가?

∴ 15mol/1000mL = 15M

② 몰 농도와 몰랄 농도의 환산

㉠ 비중을 이용하여 용액 1L의 질량을 구한다.
㉡ 용액의 질량에서 용질의 질량을 빼서 용매의 질량을 구한다.
㉢ 용매 1000g에 대한 용질의 몰 수를 구한다.

(예) 비중이 d이고 농도가 M인 용액의 m농도는 얼마인가? ( 1L )

용액의 질량 = 1000d
용질의 질량 = M × 분자량
용매의 질량 = 1000d - (M × 분자량)
용매 : 용질 = 1000d - (M×분자량) : (M×분자량)/분자량 = 1000 : n
1000d - (M×분자량) : M = 1000 : n
n = 1000M/{1000d - (M × 분자량)}

∴ n은 1000g중의 mol수이므로 몰랄 농도 m은 n과 같다.

2. 용액의 성질

(1) 묽은 용액의 성질

가. 라울의 법칙

: 묽은 용액에서 한 성분의 증기압력은 그 성분의 몰분율에 순수한 상태에 있을 때 그 성분의 증기압력을 곱한 것과 같다.

① 벤젠과 톨루엔은 분자의 모양과 크기가 유사하다.
② 벤젠과 톨루엔이 1:1로 섞여있다.

벤젠의 부분압력 , 톨루엔의 부분압력
는 순수한 액체일 때의 증기압력
그러므로 전체 압력 P는 다음과 같다.

(2) 용액의 증기 압력 내림

: 용액의 증기 압력이 순수한 용매의 증기 압력보다 낮아지는 현상을 말하는데,
같은 부피의 순수한 물과 설탕 용액 그림과 같이 연결하면 물이 설탕물보다 먼저 증발한다.
=>설탕 용액의 증기 압력이 순수한 물의 증기 압력보다 낮기 때문

가. 용액의 증기 압력

: 비휘발성 용질이 녹은 용액의 증기 압력은 순수한 용매의 증기 압력보다 낮아지는데, 이는 용액 표면의 용매 분자 수가 줄어들기 때문이다.

나. 증기 압력 내림(ΔP)

: 비휘발성 용질을 녹인 용액의 증기 압력이 용매의 증기 압력보다 낮아지는 현상.

① 증기 압력 내림(ΔP)는 용질의 종류에 관계없이 용질의 몰 분율에 비례한다.

② 공식 유도 : 용매 A에 비휘발성 용질 B를 녹인 용액에서 P_B=0 이므로 용액의 증기 압력은 용매의 부분 압력 P_A와 같다.

③ 전해질 용액의 증기압력 내림 : 용액의 증기압력 내림은 입자의 수에 따라 달라지므로, 용액 중 입자의 몰 수에 비례한다.
㉠ 1.0m NaCl 용액 : ▷ 비전해질 2.0m 용액과 같은 변화
㉡ 1.0m CaCl₂ 용액 : ▷ 비전해질 3.0m 용액과 같은 변화

(3) 용액의 끓는점 오름과 어는점 내림

가. 용액의 끓는점 오름

① 끓는점 : 비휘발성 용질이 녹은 용액의 끓는점 > 용매의 끓는점
☞ 용매의 증기 압력이 1기압이 되는 온도(=끓는점)에서 용액의 증기 압력은 1기압이 되지 못하고 온도를 더 높여야 증기 압력이 1기압이 되어 끓는점에 도달하기 때문에

② 끓는점 오름(ΔT_b)
㉠ 용액의 끓는점(T_b`)와 용매의 끓는점(T_b)의 차.
㉡ 비휘발성 용질의 몰랄 농도에 비례한다.

ΔTb = Kb · m (Kb: 몰랄 오름 상수, m: 몰랄 농도)

③ 몰랄 오름 상수(K_b)
㉠ 일정 용매에 대한 1m(몰랄 농도) 용액에서 갖는 일정 상수
㉡ 용질의 종류와 관계없는 용매의 고유한 값이다.

나. 용액의 어는점 내림

① 어는점
㉠ 첫 결정이 생기는 온도.
㉡ 비휘발성 용지을 녹인 용액의 어는점 < 순수한 용매의 어는점

② 용액의 어는점 내림(ΔT_f) : 순수한 용매의 어는점과 용액의 어는점 차이. 몰랄 농도에 비례한다.

ΔTf = Kf · m (Kf : 몰랄 내림 상수)

③ 몰랄 내림 상수(K_f)
㉠ 몰랄 농도(m)와 어는점 내림(ΔT_f)의 비례상수
㉡ 용질의 종류와 관계없는 용매의 고유한 값이다.

다. 전해질 용액

: 용액 중의 이온수와 이온화되지 못한 입자의 총 수에 비례한다.

구분	이온화 여부	이온화 후 입자 수	끓는점 오름의 효과
설탕 NaCl CaCl2	이온화하지 않는다. NaCl --->Na+ + Cl- CaCl2 ---> Ca2+ + 2Cl-	1배 2배 3배	1배 2배 3배

라. 비전해질의 분자량 측정

① 끓는점오름이나 어는점 내림을 구한다.
② 용액의 몰랄 농도를 구한다.
③ 주어진 용액에서 1000g의 용매에 녹아 있는 용질의 질량을 구하고 그 값으로부터 몰랄농도와 분자량을 구한다.
④ 용매 Wg에 비전해질 wg을 녹였다면 용매 1000g 중에 녹은 용질의 g수(m)

(4) 삼투압

가. 삼투 현상

① 반투막 : 물과 같은 용매 분자를 통과시키고 설탕과 같은 용질 분자를 통과시키지 못하는 막.
(예) 셀로판지, 동물의 방광막 등

② 삼투 : 반투막을 사이에 두고 농도가 작은 용액 속의 용매 분자가 농도가 큰 쪽으로 이동하는 현상

나. 삼투압

: 삼투 현상에 의해 높아진 용액의 높이를 처음과 같은 높이로 만드는 압력.

다. 반트 호프의 법칙

① 비전해질인 묽은 용액의 삼투압(π)은 용매와 용질의 종류에 관계없이 용액의 몰 농도(C)와 절대 온도(T)에 정비례한다.

②

③ 삼투압과 분자량

3. 콜로이드 용액

(1) 콜로이드 용액

: 빛을 산란할 수 있을 정도의 크기를 갖는 입자가 분산된 용액

가. 콜로이드 입자 :

지름이 0^-7∼10^-5cm . 거름종이 통과, 반투막 통과하지 못함

(참고) 입자의 크기와 용액 분류
ⓐ 참용액 : 10^-7cm 이하의 입자(반투막 통과)
ⓑ 콜로이드 용액 : 10^-7∼ 10^-5cm 사이의 입자 (거름종이 통과, 반투막 통과 못함)
ⓒ 서스펜션: 10^-5∼ 10^-1cm 사이의 입자

나. 콜로이드 용액의 성분

① 분산매(dispersion media): 참용액의 용매에 해당하는 콜로이드 입자.
② 분산질(dispersoid): 참용액의 용질에 해당하는 콜로이드 입자.
③ 분산계(dispersion system): 분산매 + 분산질

다. 콜로이드의 분류

① 졸(sol) : 액체 분산매에 고체 분산질이 분산되어 있는 유동성이 있는 콜로이드 용액.
(예) 먹물, 잉크, 아교, 녹말, 젤라틴 용액, 달걀의 흰자위 등

② 에어로졸(aerosol) : 공기를 분산매로 하고 있는 분산계.
(예) 연기, 안개

③ 겔(gel) : 콜로이드 입자가 반고체로 된 것.
(예) 젤리, 두부, 실리카 겔, 비스킷 등

④ 서스펜션(suspension) : 보통 콜로이드 입자보다 큰 입자가 분산된 계. 넓은 의미의 콜로이드.
(예) 흙탕물

⑤ 에멀션(emulsion): 액체에 액체가 분산된 것
(예) 우유, 크림

(2) 콜로이드 상태의 성질

가. 틴들 현상

: 콜로이드 용액에 빛을 비추면 빛의 산란으로 빛의 진로가 보이는 현상. ☞ 큰 입자들이 빛을 산란시키기 때문에 생김.
(예) 먼지가 가득한 극장의 영사기에서 나오는 빛이나 어두운 방에서 문틈으로 들어오는 햇빛의 진로가 보이는 현상

나. 브라운 운동

: 콜로이드 입자가 분산매의 분자들과의 충돌때문에 일어나는 불규칙적인 운동.

다. 투석(dialysis)

: 참용액의 용질 입자는 통과하나 콜로이드 입자는 통과하지 못하는 성질을 이용하여 콜로이드를 정제하는 방법
(예) 녹말과 소금의 혼합물을 투석하면 녹말은 반투막 밖으로 나오지 못하고, 옥소늄이온(물), 나트륨, 염소 이온 등만 셀로판 주머니 밖으로 빠져 나온다.

라. 흡착(adsorption)

: 콜로이드 입자는 질량에 비해 표면적이 커서 자신의 주위에 다른 물질을 부착시키는 현상. ☞ 표면적이 크면 클수록 흡착력이 커진다.
(예) 물감에 의해 착색된 용액을 활성탄 가루를 넣었을 때 색깔이 없어지는 현상, 탈취제가 냉장고의 냄새를 없애 주는 것, 구운 김 포장지속의 실리카겔이 수분을 제거하는 것 등.

마. 전기 이동(electrophoresis)

: 콜로이드 입자가 한 종류의 전하만을 띠고 있어 전하가 반대인 전극으로 이동하는 현상.

① 양성 콜로이드(예: 수산화알루미늄(Al(OH)₃), 금속 단체(Fe, Cu, Zn) 등): (-)극으로 이동함.
② 음성 콜로이드(예: 점토, 황화물(CuS, HgS, CdS), 비금속 단체(황, 탄소) 등): (+)극으로 이동함.
(예) 공장 굴뚝의 집진기(매연 제거), 방직 공장의 코트렐 집진기(먼지 제거, 공해 방지) 등

바. 엉김과 염석

① 엉김(coagulation) : 불안정한 소수 콜로이드 용액에 소량의 전해질을 넣으면 콜로이드 입자가 서로 엉켜 가라앉는 현상.
(예) 백반을 넣어 수돗물을 만들거나 강의 하구에 삼각주가 형성되는 것.

② 염석(salting out) : 안정한 친수 콜로이드 용액에 다량의 전해질을 넣으면콜로이드 입자가 서로 엉겨 가라앉는 현상.
(예) 두부를 만들 때 간수(주성분 MgCl₂)를 넣는 것.

③ 엉김과 염석의 효과 : 가해준 이온의 전하량이 클수록 효과적이다. 즉, 양성 콜로이드 입자는 음이온의 전하량이 클수록, 또 음성 콜로이드 입자는 양이온의 전하량이 클수록 효과적이다.
(예) ☆ 양성 콜로이드 입자 : Fe(CN)₆^4-> PO₄^3-> SO₄^2-> Cl^-
☆ 음성 콜로이드 입자 : Al³⁺> Ca²⁺> Na⁺

사. 소스 콜로이드와 친수 콜로이드

① 소수 콜로이드 : 소량의 전해질에 의해 쉽게 침전되는불안정한 콜로이드,즉 엉김이 일어나는 콜로이드.
(예) 금속 산화물, 금속 수산화물, 점토 콜로이드 등

② 친수 콜로이드 : 콜로이드 입자가 표면에 친수성 원자단을 가져가 물분자에 의해 둘러 싸여 있는 콜로이드. ☞ 쉽게 엉기지 않는 안정한 콜로이드.
(예) 녹말, 단백질, 우무 등

③ 보호 콜로이드 : 소수 콜로이드에 친수 콜로이드를 조금 가하면 친수 콜로이드가 소수 콜로이드 입자를 둘러 싸서 안정화시키기 때문에 전해질을 소량 가해도 엉김이 일어나지 않는다. 이때 소수 콜로이드에 가해주는 친수 콜로이드를 말함.
(예) 화장품에 넣는 유화제, 잉크에 넣는 아라비아 고무, 먹물에 넣는 아교 등

[정리]