용해도

용해도는 용질이 용매에 녹아 용액을 형성할 때 용질의 특성을 나타내는 것이다. 즉, 어떤 물질의 용매에 대한 용해도(solubility)는 이 물질이 주어진 온도에서 주어진 부피의 용매에 대해 용해되어 평형을 이루는 최대량(g이나 mol로 표시)으로 정의된다. 특정 용질의 용해도는 용질의 물리적 화학적 특성과 온도, 압력 등에 의존한다. 기체, 액체, 고체 상의 모든 물질이 용질과 용매로 사용될 수 있으므로 만들어질 수 있는 용액은 매우 다양하지만, 기체에 녹아있는 용액은 매우 드물다. 그 구성 물질의 원래의 상에 따라 용액을 6가지로 구분할 수 있다(표 1).

용질을 녹일 수 있는 능력에 따라 용액을 구분하기도 한다. 먼저 포화 용액(satu­rated solution)이란 주어진 온도에서 주어진 용매 내에 최대의 용질이 포함되어 있는 용액이다. 용액이 녹일 수 있는 한계보다 적은 양의 용질을 포함하는 용액을 불포화 용액(unsaturated solution)이라 한다. 마지막 유형은 과포화 용액(supersaturated solution)이라 하는데, 포화 용액에 존재하는 용질보다 더 많은 양의 용질을 포함하는 용액을 말한다. 과포화 용액은 그다지 안정하지 않다. 시간이 흐름에 따라 어느 정도의 용질이 용액으로부터 빠져나와 결정을 만들게 된다.

용해도는 포화 상태에 있는 용액에 녹아있는 용질의 양으로 구할 수 있다. 일정한 양의 용매에 용해되는 용질의 양에 따라 용해도를 구분할 수 있는데, 25 ℃의 용해도가 0.1 g/L 이하인 것을 불용성(insoluble)이라 하고 용해도가 10 g/L 이상일 때 가용성(soluble)이라 한다. 중간 정도일 경우(0.1~10 g/L)는 난용성(slightly soluble)이라고 한다. 용해도에 더한 더 자세한 구분은 표2에 나타내었다.

IUPAC 정의

IUPAC 정의에 따르면, 용해도란 특정 용매에 녹아있는 특정 용질의 비율로 표현되는 포화 용액의 분석적 구성이다. 용해도는 몰 분율, 부피(용제)및 기타 단위와 같은 다양한 농도 단위로 나타낼 수 있다.

목차

한 물질(용질)이 다른 물질(용매)에 녹을 때, 용질 입자들은 용매 내로 분산된다. 용질 입자는 용매 입자들이 차지하고 있던 위치를 차지하게 된다. 용질 입자가 용매 분자들의 공간을 얼마나 수월하게 대신 차지하는가는 다음 세 가지 상호작용의 상대적 크기에 달려있다.

• 용매-용매 상호작용

• 용질-용질 상호작용

• 용매-용질 상호작용

단순화시켜 말하자면 용해 과정은 세 가지 특징적인 단계로 일어난다고 가정할 수 있다(그림 1). 단계 1은 용매 분자 간의 분리이고, 단계 2는 용질 분자 간의 분리 과정이다. 이 과정은 분자 간 인력을 끊는 과정이므로 흡열 과정이다. 단계 3에서는 용매와 용질 분자가 섞이는데, 이 과정은 흡열일 수도 있고 발열일 수도 있다.

용해 과정의 분자적 관점

용해열 ΔH_용해는 다음과 같이 주어진다.

ΔH_용해 = ΔH₁ + ΔH₂ + ΔH₃

용질-용매간 인력이 용매-용매간 인력과 용질-용질간 인력의 합보다 크면 용해되는 것이 유리한 과정이며, 발열 과정(ΔH_용해 < 0)이다. 만일 용질-용매간 인력이 용매-용매간 인력이나 용질-용질간 인력의 합보다 작으면 용해 과정은 흡열 과정 (ΔH_용해 > 0)이다.

용질 분자들간의 인력이 용질과 용매 분자들 간의 인력보다 큼에도 불구하고 결국 용질이 용매에 녹는 것에 의아해 할 수도 있을 것이다. 용해 과정은 두 가지 요인에 의해 지배되는데, 첫째는 에너지로서, 용해 과정이 발열 반응인지 흡열 반응인지를 결정한다. 둘째는 모든 자연 현상에서처럼 무질서하게 되려는 경향이다. 용매와 용질이 용액을 형성하면서 섞이게 되면 무질서도가 증가한다. 순수한 상태에서 용매와 용질은 3차원 공간에서 원자, 분자, 이온이 다소 규칙적인 배열을 이루어 어느 정도의 질서도를 갖는다. 이러한 질서도의 대부분은 용질이 용매에 녹을 때 파괴된다. 그러므로 용해 과정은 항상 무질서도의 증가를 수반한다. 이러한 계의 무질서도 증가 때문에 용해 과정이 흡열 반응이더라도 어떤 물질의 용해가 유리하게 진행될 수 있다.

화합물의 구조에 따른 용해도를 예측하는 기본 법칙은 비슷한 것은 비슷한 것을 녹인다(like dissolves like)는 것이다. 극성 또는 이온성 용질은 극성 용매에서 용해도가 높고, 비극성 용질은 비극성 용매에서 용해도가 높다. 그 이유는 위에서 설명한 용액이 형성되는 세 가지 단계에서 살펴볼 수 있다.

비극성 용질의 분자 간 인력은 오로지 분산력에 의해 결정된다. 전형적인 비극성 용질의 ΔH₂은 분자의 크기에 따라 달라질 수 있지만, 비교적 작은 값일 것으로 예상된다. 비극성 용질 분자와 극성 물 분자 사이의 인력은 무시할 수 있기 때문에 ΔH₃은 작은 값이다. 그러나 극성 분자 사이의 인력에는 쌍극자-쌍극자 간의 힘이 존재한다. 극성 용매 분자간 인력을 끊는 데는 상당한 에너지가 필요하므로, ΔH₁은 큰 양의 값일 것이다. 따라서 ΔH_용해는 ΔH₁과 ΔH₂ 때문에 큰 양의 값을 갖는다. 이로 인해 비극성 용질과 극성 용매는 용액을 형성할 것으로 기대하기 힘들다.

그림 2는 물에서 몇 가지 이온 화합물의 용해도에 대한 온도 의존성을 나타낸 것이다. 대부분의 경우 고체 물질의 용해도는 온도에 따라 증가한다. 하지만, ΔH_용해의 부호와 온도에 따른 용해도 변화의 상관 관계는 명확하지 않다. 예를 들어, CaCl₂와 NH₄NO₃의 용해도는 온도가 증가함에 따라 함께 증가한다. 그러나 CaCl₂의 용해 과정은 발열이고, NH₄NO₃의 경우는 흡열이다. 일반적으로 용해도에 관한 온도의 영향은 실험적으로 결정된다.

대체글=몇 가지 염의 용해도의 온도 의존성

고체나 액체의 경우와 다르게, 기체의 용해도는 온도가 증가함에 따라 감소한다. 비커에서 물을 가열하면 물이 끓기 전에 유리 벽면에 공기 방울이 생기는 것을 볼 수 있다. 이는 온도가 올라감에 따라 물에 용해되어 있던 공기 분자들이 물이 끓기 전에 용매로부터 끓어 나오는 현상이다.

이와 반대로 고체나 액체의 용해도는 압력에 영향을 거의 받지 않지만, 기체의 용해도는 압력이 높아지면 상당히 증가한다. 용액과 평형 상태에 있는 기체는 기체 분자가 용액에 녹아 들어가는 것과 같은 속도로 용액에서 빠져 나온다. 압력이 높아지면 단위 부피에 들어 있는 기체 분자의 수가 증가함에 따라 기체가 빠져 나오는 속도보다 용액 속으로 녹아 들어가는 속도가 빨라지게 된다. 용액과 기체가 새로운 평형에 도달하게 되면 용액 속에는 이 전보다 더 많은 기체 분자가 녹아 있게 된다. 기체 압력과 녹아 있는 기체의 농도 사이의 관계는 헨리 법칙(Henry’s law)으로 나타낼 수 있다.

C = kP

여기서 C는 용액에 녹아 있는 기체의 농도를, k는 각 용액 종류에 의존하는 상수를 나타내고, P는 용액 위에 있는 기체 용질의 분압이다.

이온성 고체인 염화 은이 물에 녹아 고체 염화 은과 평형을 이루고 있는 포화 용액의 용해도 평형은 다음과 같이 표현할 수 있다.

AgCl의 용해 평형식

물에 녹은 소량의 AgCl은 모두 Ag⁺와 Cl^- 이온으로 완전히 해리한다고 가정하면, AgCl의 용해에 대한 평형 상수는 다음과 같이 쓸 수 있다.

K_sp = [Ag⁺][Cl^-] = 1.77×10^-10

아래 첨자 "sp"는 용해도곱(solubility product)을 의미한다.

가용성 염(CsCl 등)의 경우 그 포화 수용액은 이온 농도가 매우 높아서, 용액 속의 이온 간에 많은 결합이 존재하게 된다. 하전된 이온들의 일시적인 이온 쌍이나 덩어리가 생성되기도 하는 등 비이상적 용액처럼 행동한다. 이러한 경우에는 평형식을 적용할 수 없다. 따라서 K_sp는 물에서 불용성이거나 난용성인 이온성 고체의 용해에 관한 평형 상수를 나타낸다.