용해도와 용질의 석출

용해와 용액

한 물질이 다른 물질에 녹아서 섞이는 현상을 용해(dissolution)라고 합니다. 여기서 다른 물질에 녹는 물질을 용질(solute), 다른 물질을 녹이는 물질을 용매(solvent), 그리고 용질이 용매에 녹아서 섞여 있는 물질을 용액(solution)이라고 합니다. 소금물을 예로 들어보자면 소금물은 용액, 소금은 용질, 물은 용매가 됩니다.

 

용해도

어떠한 특정 온도에서 용매 100g에 녹을 수 있는 최대 용질의 g수가 용해도(solubility)의 정의입니다. 단위는 g/g이므로 무차원이 되지요. 단위가 없다는 뜻입니다. 특정 온도에서 어느 용매에 대한 용해도는 물질에 따라 상이하기 때문에 이 자체로 물질의 특성이 됩니다. 다시 말하자면, 용해도는 용매나 용질의 종류 및 온도에 따라서 다른 값을 가진다는 의미입니다.

 

포화용액과 불포화용액

포화 용액이란 용매에 용질이 녹을 수 있는 최대한의 양이 녹아 있는 용액입니다. 용해도만큼 용질이 녹아 있는 상태를 말하는 것으로, staturation이라는 단어를 사용합니다. 반면에 포화용액보다 용질이 적게 녹아 있어서 용질이 더 녹을 수 있는 용액은 불포화 용액이라고 합니다.

 

용해도 곡선, 곡선 상의 지점은 포화용액이 되고, 이를 기준으로 과포화 및 불포화 상태로 구분할 수 있다.

 

위의 용해도 곡선을 보면 포화용액과 과포화, 불포화 상태를 쉽게 구분할 수가 있습니다. 만약에 불포화 용액이 있는데 포화 용액으로 만들고 싶다면 온도를 내리거나 용질의 양을 늘려주면 됩니다. 그래프 상에서 보면 불포화 상태의 영역에 있는 어떤 지점을 좌측으로 이동시키거나 위쪽으로 이동시켜 주는 것으로 이해를 하면 되겠죠. 물론 온도를 내리면서 용질의 양을 늘려주어 좌측 대각선으로 이동을 시켜주어도 됩니다.

 

고체의 용해도와 용질의 석출

고체의 경우 대부분의 물질은 온도가 높을수록 용해도가 증가하고 압력의 영향은 크게 받지 않습니다. 하지만, 물에 녹을 때 발열반응을 일으키는 물질의 경우에는 온도가 높으면 반응이 저해되어 용해도가 감소할 수 있습니다. 산화칼슘이나 수산화칼슘의 용해 반응이 그 예가 될 수 있겠네요. 그리고, 용해도 곡선 상에서 쉽게 이해할 수 있는데 용액의 온도를 낮춰서 냉각을 하게 되면 용해도가 감소하기 때문에 용해도 이상의 용질은 석출이 됩니다.

 

예를 들어서 50℃에서 물에 대한 용해도가 35인 물질이 20℃에서는 용해도가 20이라고 할 때, 이 물질을 50℃ 물 100g에  35g 첨가하여 포화용액을 만든 다음에 온도를 20℃까지 내리게 되면 20g만 녹을 수 있는 상태가 되므로 나머지 15g은 결정으로 석출이 됩니다. 만약에 물의 질량이 100g이 아니라면 물의 질량에 맞추어서 비율로 계산을 하면 되고 용액의 질량으로 표현되었다면 물의 질량을 계산하여 찾을 수가 있겠죠. 위에 예로 든 사례에서 용액의 질량이 135g이라면 용해도가 35이므로 물 100g과 용질 35g이라는 것이고, 숫자에 대해서 비율로 생각을 하면 되겠습니다.

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기체의 용해도와 관련한 내용은 아래의 링크를 참조하시기 바랍니다.

2023.12.04 - [과학] - 기체의 용해도와 잠수병 원인

기체의 용해도와 잠수병 원인