[몰의 개념과 농도]용액(solution)과 용해 3부









먼저 용액과 용해에 대하여 정의를 해 볼 필요가 있다. 모든 물질들은 순물질과 혼합물로 나타낼 수 있으며, 혼합물이란 두 종류 또는 두 종류 이상의 물질이 섞여 있는 것을 의미한다. 또한 혼합물은 균일과 불균일 혼합물로 나타낼 수 있고, 이러한 혼합물중 균일혼합물을 용액이라 한다. 용액은 기체, 액체, 고체 세가지 물리적인 상태중 어느 상태로 존재하는 것을 의미한다. 용해란 두 종류 이상의 순물질이 균일하게 섞이는 현상을 의미한다. 한편, 용액이 수용액일 경우 물을 용매(solvent)라하고, 물에 녹아있는 어떤 물질을 용질(solute)이라 한다.




이온결합 화합물의 용해


이온결합화합물은 물에 녹아서 각 각의 이온을 형성한다. 예를 들면 Na+와 Cl-로 이루어져 있는 NaCl과 같은 염을 들 수 있다. 이 염은 물에 녹아 자유로와진 이온으로 해리되고, 전류가 흐르게 된다. 즉 다음과 같은 식으로 나타 낼 수 있다.


NaCl(s) → Na+(aq) + Cl-(aq)

그림 2 Na+과 Cl-의 수화


즉 NaCl이 물에 녹을 때 Na 양이온과 Cl 음이온들은 물분자들에게 둘러싸이게 되는데데 그림 2에서 보는것처럼 물분자(H2O)는 전기적으로 음성인 산소원자가 Na+쪽으로 향하고 있고, Cl-를 둘러싸는 물분자는 전기적으로 양성인 수소원자가 음이 온 쪽으로 향하여 배열되어있다. 이와 같이 물분자로 둘러싸이게 되는 현상을 수화(hydration)이라고 한다. Al(H2O)63+나 Zn(H2O)2+처럼 완전히 수화된 현태로 존재하기도 한다.


한편, NaCl과같이 물에 녹았을때, 전류가 통하는 물질을 전해질이라 하며, 강산이나 강염기 등은 강전해질에 속한다. 즉 물에 녹아서 거의 전부 이온으로 되는 물질을 의미한다. 예를 들면 HCl, H2SO4, HNO3등의 강산과 NaOH, KOH등의 강염기가 이에 속한다. 그리고 일부만 이온으로 존재하는 물질을 약전해질이라하며, 초산이나 암모니아 순수한 물 등이 이에 속한다. 이와는 반대로 물에 녹았을 때 이온으로 존재하지 않는 물질을 비전해질이라 한다. 대부분의 유기화합물이 이에 속한다. 예를 들면 설탕이나 메틸알코올 등이 이에 속한다.



공유결합 화합물의 용해

 

위에서 이온결합화합물인 NaCl은 물에 녹아서 자유로운 양이온과 음이온을 각각 생성하지만, 공유결합 화합물인 순수한 센산인 HCl은 물과의 화학반응을 통하여 즉 수용액에서 이온을 형성한다. 즉 수화된 H+와 Cl-만이 존재하고 수화된 HCl분자은 존재하지 않는다. 정확하게 나타내면 다음과 같다. 이 과정을 이온화라고 부르며 센염기에 경우에도 이와 비슷하게 진행한다. 일반적으로 H3O는 생략해서 H+로 나타낸다.


HCl(g) + H2O(l) → H3O+(aq) + Cl-(aq)


즉 HCl은 강전해질이기 때문에 물속에서 완전이 해리하여 겉으로 보기에는 마치 다른 이온결합 화합물과 유사하게 녹는다고 볼 수 있다. 기타 다른 센산의 경우인 질산(HNO3)이나 황산(H2SO4)들도 이와 같이 진행하여 녹는다고 할 수 있다. 반면에 약전해질인 아세트산(CH3COOH)과 플루오르산(HF)등은 덜 이온화된다. 따라서 물에 녹는 과정을 다음과 같이 나타낼 수 있다. ⇌ 표시는 반응이 가역적임을 나타낸다. 즉 물속에서 부분적으로 이온화하며 강산에 비해 반응이 완전하게 진행하지 않음을 의미한다.


CH3COOH(l) + H2O(l) ⇌ H3O+(aq) + CH3COO-(aq)


비전해질인 대부분의 유기화합물은 거의 공유결합으로 이루어져있고, 물질의 구조 및 종류들 그리고 물을 포함한 용매에 따라 녹아들어가는 과정이 다르다.

비전해질화합물은 분자상태로 물에 녹고, 전기장내에서 전류가 흐르지 않는다. 설탕과 에탄올에 대해서 물에 녹는 과정을 나타내면 다음과 같다.


C12H22O11(s) → C12H22O11(aq)

C2H5OH(l) → C2H5OH(aq)


특히 알콜인 에탄올은 OH그룹를 갖고 있어서, 이것이 물과 수소결합을 이루어 녹는다고 할 수 있다. 따라서 어떤 물질, 용질이 어떤 용매에 녹는다는 것은 용질과 용매의 고유성질이나 상호작용 예를 들면 수소결합등, 용액이 될 때의 온도, 경우에따라 압력등이 작용한다고 할 수 있다.



농도 : 몰농도, 몰랄농도, 몰분율

 

용액중에 구성성분, 즉 용질과 용매와의 구성성분비를 나타낸 것을 농도라고 한다. 농도에는 몰농도, 노르말농도, 몰랄농도, 몰분율 등의 여러 가지가 있다.


1. 몰농도(㏖arity, 또는 ㏖ar concentration)

용액 1L중에 포함되어있는 용질의 몰수를 몰농도라고한다. 단위는 M을 사용한다.


M = 몰농도 = 용질의 몰수/용액의 리터수


예를 들면 1.0M NaOH 용액 1L는 NaOH가 1.0몰(40.0g) 녹아있다는 의미이다.

몰농도를 아는 용액을 만드는 법은 다음과 같다. 0.6 M NaOH 용액 0.250L를 만들려고 할 경우, 용질의 무게를 정확히 달고 깔대기를 통해 물을 플라스크에 붓는다. 고체가 담긴 용액을 조심스럽게 흔들어 녹인다. 모든 고체를 녹인후, 용액이 용량 플라스크의 눈금에 정확히 이르도록 물을 천천히 붓는다.

 

그림 3 몰농도를 아는 용액을 만드는 법

예제) C2H5OH(에탄올) 4.00 ㏖을 포함하는 수용액 2.00L의 몰농도를 구하라.

몰농도(M) = 4.00 ㏖/2.00L = 2.00M

 

예제) NaCl 20.0 mg을 포함하는 용액 1.20 ml의 몰농도는 얼마인가?

NaCl의 무게를 ㏖로, 부피를 L로 각각 변환한 후, 계산을 진행한다.

20.0mg × 1g/1000mg × 1㏖/58.5g = 3.42 × 10-4 ㏖

1.20 ml × 1L/1000ml = 1.20 × 10-3 L

NaCl 의 몰농도 = 3.42 × 10-4 ㏖/1.20 × 10-3 L = 0.285M

기호 M은 L당 몰수나 ml당 m㏖수로 사용할 수도있다.

 

2. 용액의 묽힘

일반적으로 실험실에서 사용하기전의 액체시약은 처음에 진한 용액이라 할 수 있다. 우리는 필요에 따라 이용액에 물을 넣고 묽혀서 사용한다. 이것을 희석(dilution)이라고 한다. 처음에 진한 용액이 묽혀서 희석된 용액이 될 경우 처음의 용질의 량은 변화가 없고, 부피나 농도가 변했다고 할 수 있다. 따라서 수식으로 나타내면 다음과 같이 나타낼 수 있다.


M = 용질의 몰수/용액의 L수 이므로 용질의 몰수(n) = M × 용액의 부피(L)이다.

따라서 용질의 몰수(n) = MV (묽힘 전의 용질의 몰수) = M'V' (묽힘 후의 용질의 몰수)

 

예제) 0.150M NaCl 1.20L를 물로 묽혀 a) 3.00L가 되게 했을 때, b)물 2.50L를 추가했을 때의 각각의 NaCl의 농도를 구하라.

a) 처음용액의 NaCl의 몰수는 1.20L × 0.150㏖/1L = 0.18 ㏖

MV = M' × V' 이므로 1.20L × 0.150㏖/1L = M' × 3.00L

M' (묽힌후 농도) = 0.06 M

b) MV = M' × V' 이므로 1.20L × 0.150㏖/1L = M' × (1.20 + 2.50)L

M' = 0.049M이다.

 

3. 몰랄농도(㏖ality)

용매 1000g(1 kg) 중에 녹아있는 용질의 몰수를 몰랄농도, m이라고 한다. 이 농도는 용액의 끓는 점(boiling point)이나 어는점(freezing point)에서 사용하는 단위이다. 묽은 용액에서는 거의 몰농도와 같다고 할 수 있다.

 

예제) 2.30g의 NaCl을 물 800g에 녹였다. 이 용액의 몰랄농도를 구하라.

2.30g ×( 1㏖ NaCl/ 58.5g) = 0.0393 ㏖ NaCl

800g × (1 kg H2O/1000g) = 0.800 kg H2O

m = 0.0393 ㏖ NaCl / 0.800 kg H2O = 0.0491

 

예제) 물150g에 황산 12g이 포함되어 있는 황산용액의 몰랄농도를구하라.

m = 용질의 몰수/용매의 무게(kg)

H2SO4 의 ㏖수 = 12g H2SO4 × (1㏖ H2SO4/98.08g) = 0.12 ㏖

150g × ( 1 kg H2O/1000g) = 0.15 kg

m = 0.12 ㏖/0.15 kg = 0.80 m

 

4. 몰분율(㏖e fraction)

용액을 구성하고있는 한 성분에대하여 특정한 성분의 몰수 를 용액의 총몰수로 나눈값을 몰분율이라한다. 몰분율은 전체에 대하여 일부분을 나타낸 것을 의미하며, 전체합은 1이 되어야한다. 몰분율은 단위가 없다. 예를 들어 성분 1과 2로된 용액의 몰분율은 다음과 같이 나타낸다. 몰분율은 용질과 용매 사이를 구분하지 않지만 상대적인 수사이의 관계를 의미할 때 유용하다.


x1 = 성분1의 몰수/용액 전체의 몰수 = n1/(n1 + n2)

x2 = 성분2의 몰수/용액 전체의 몰수 = n2/(n1 + n2) ; n1, n2 성분1과 2의 몰수이다.


임의의 성분 ni에 대해서 다음과 같은 식이 나타낸다.


x1 = n1/(n1 + n2 + n3 + 〮 〮+ ni)

x2 = n2/(n1 + n2 + n3 + 〮 〮+ ni)


따라서 몰분율의 합은 언제나 1이다.


x1 + x2 + x3 + … + xi = 1

 

예제) 메탄올(CH3OH) 0.6 ㏖과 에탄올(CH3CH2OH) 0.4 ㏖ 이 혼합된 용액의 각각의 몰분율과 몰분율의 합을 구하라.


xMeOH = 0.6 ㏖/(0.6 ㏖ + 0.4 ㏖) = 0.6 ㏖

xEtOH = 0.4 ㏖/(0.6 ㏖ + 0.4 ㏖) = 0.4 ㏖


따라서 전체 몰분율의 합은 다음과같이 1이다.


xMeOH + xEtOH = 0.6 ㏖ + 0.4 ㏖ = 1.0 ㏖






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