용해도(Solubility)

용해도(Solubility)

 

용해도(Solubility)란 무엇인가?

 

용해도란 다른 물질(용매)에 용해될 수 있는 어떤 물질의 최대 양(g)으로 정의됩니다. 이를 다시 말하면, 평형상태에서 용매에 용해될 수 있는 용질의 최대량으로 정의되며, 이 상태에서는 포화용액이 만들어집니다. 만약 특정 조건이 만족된다면 평형상태의 용해도 지점을 넘어 추가 용질이 용해되는 과포화 용액이 생성됩니다. 하지만 지나치게 많은 용질이 추가되면 더 이상 용액의 농도는 증가하지 않고 용매에 용질이 침전되지 시작합니다.

 

물질이 녹는 과정과 용해도는 어떠한 관계가 있을까요? 사실 용해도는 용질이 용매에 얼마나 빨리 용해되는지를 나타내는, 즉 용해 속도를 나타내는 특성이 아닙니다. 즉, 화학적 변화를 수반하는 화학 반응의 결과로 물질이 다른 물질을 용해시키는 능력을 나타내지 않습니다. 예를 들면, 아연 금속은 염산 용액에 넣게 되면 수소 기체를 방출하며 아연 이온을 생성하는 화학반응을 통해 염산 용액에 '용해'됩니다.

 

Zn(s) + 2HCl(l) = Zn2+ + 2Cl- + H2 (g)

 

하지만 이 화학반응은 아연의 용해도와는 전혀 상관이 없는 문제입니다.

 

우리가 일반적으로 '용해'라고 생각하면 용질은 고체, 용매는 액체를 생각하는 경우가 많습니다. 즉, 설탕이나 소금과 같은 고체 상태의 물질을 물이나 알코올 같은 액체에 넣어 녹이는 과정을 생각하기 쉽지만 사실 기체, 액체 및 고체 모두 가능합니다. 또한, 용매는 순수한 물질이 아닌 혼합물일 수도 있습니다.

 

우리가 어떤 물질이 다른 물질에 잘 용해되지 않는 경우 불용성(Insoluble)이라는 단어를 사용합니다. 즉, 용질이 용매에 잘 용해되지 않음을 의미하지만 사실 전혀 녹지 않는 완벽한 불용성 물질은 거의 없습니다. 대부분의 불용성 물질은 아주 적은 양이긴 하지만 약간은 용해됩니다. 따라서, 불용성 물질을 정의하는데 불명확한 부분이 있지만 일반적인 경우 용매 100 ml당 0.1 g 미만의 양이 용해된다면 불용성 물질이라고 칭할 수 있습니다.

 

혼화성(Miscibility)과 용해도

 

어떤 물질이 특정 용매에서 모든 비율(농도)로 용해될 수 있는 경우, 그 물질은 혼화성이 있다고 이야기합니다. 가장 대표적인 예는 물과 에탄올입니다. 물과 에탄올은 서로 모든 농도에서 완전히 섞일 수 있습니다. 이와 반대로, 물과 기름은 어떠한 농도에서도 서로 섞이거나 녹지 않습니다. 이 경우 물과 기름은 비혼화성(immiscible)을 가지고 있다고 할 수 있습니다.

 

다양한 용매들의 혼화성 관계

 

 

용질이 용해되는 방식

 

용질이 용해되는 방식은 용질과 용매가 어떠한 화학 결합으로 이루어져 있는지에 따라 다르게 나타납니다. 앞에서 언급한 물과 에탄올을 예로 들면, 에탄올이 물에 용해될 경우 에탄올 분자는 그대로 유지되지만 에탄올과 물 분자 사이에는 새로운 수소결합이 형성됩니다. 이렇게 형성된 수소결합으로 인해 에탄올과 물을 혼합하면 각각의 부피보다 더 적은 부피의 혼합 용액이 만들어집니다.

 

에탄올과 물의 수소결합

 

염화나트륨(NaCl)이 물에 용해되는 과정은 에탄올이 물에 용해되는 과정과 다릅니다. 염화나트륨은 대표적인 이온성 물질로 물에 용해되면 Na 이온과 Cl 이온으로 해리됩니다. 이 이온들은 극성을 가지는 물 분자들에 의해 둘러싸여 용해됩니다.

 

NaCl 결정(왼쪽)과 수용액에서의 NaCl 이온들(오른쪽)

 

용해과정은 용해 뿐 아니라 침전을 모두 포함하는 동적 평형상태를 포함합니다. 즉, 용해와 같은 속도로 침전이 일어난다면 평형상태에 도달하였다고 이야기 할 수 있습니다.

 

용해와 침전의 동적평형상태

 

용해도의 단위

 

화학 실험을 위해서는 다양한 용매와 용질을 이용하게 되는데 이 경우 다양한 화합물, 용매, 온도를 나타내는 용해도 차트를 이용합니다. IUPAC에서는 보통 용매에 대한 용질의 비율로 용해도를 정의합니다. 이때의 농도 단위는 부피 당 질량 (g/L), 몰 농도(M), 몰 비율(mole ratio), 몰 분율(mole fraction) 등 다양한 파라미터들이 사용되니 단위를 명확히 확인 할 필요가 있습니다.

 

용해도에 영향을 끼치는 요인

 

용해도는 다양한 변수들에 의해 변할 수 있습니다. 일반적으로 언급되는 온도와 압력 뿐 아니라 용매에 이미 존재하는 다른 화학 물질의 존재(농도), 용질과 용매의 상(기체인지, 액체인지, 고체인지), 용직 입자의 크기와 극성에도 영향을 받습니다.

 

참고

 

1) butane.chem.uiuc.edu/pshapley/genchem1/l21/1.html

2) www.sigmaaldrich.com/chemistry/solvents/solvent-miscibility-table.html