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수화

[ hydration ]

용질 분자나 이온이 용매 분자와 상호작용하여 용액 속에서 안정화되는 것을 용매화(solvation)라고 하며, 특히 용매가 물인 경우 다른 경우와 구별하여 수화(hydration)라고 한다.

기체 상태 이온은 @@NAMATH_INLINE@@Na^+ (g)@@NAMATH_INLINE@@그리고 수화된 이온은 @@NAMATH_INLINE@@Na^+ (aq)@@NAMATH_INLINE@@로 나타낸다. 기체 상태 이온은 전하가 고립되어 있기 때문에 불안정하나, 수화된 이온은 이온을 둘러싸고 있는 물 분자들로 인해 전하가 분산되어 안정하다.

그림 1. 물에 수화된 @@NAMATH_INLINE@@Na^+@@NAMATH_INLINE@@ 이온. ()

수화 엔탈피(enthalpy of hydration, @@NAMATH_INLINE@@\Delta H_{hyd}@@NAMATH_INLINE@@) 또는 수화열(heat of hydration)은 기체 상태 이온이 수화될 때 엔탈피 변화량을 가리킨다. 즉, 다음 과정의 엔탈피 변화량을 수화 엔탈피로 정의하며, 이온의 수화 엔탈피는 항상 음이다.

@@NAMATH_INLINE@@Na^+ (g) \xrightarrow{H_2O} Na^+ (aq)@@NAMATH_INLINE@@ @@NAMATH_INLINE@@\ \ \ \ \ \Delta H_{hyd} = -406 \ kJ/mol@@NAMATH_INLINE@@

표 1은 몇 가지 양이온과 음이온의 수화 엔탈피 값을 보여준다. 기체 상태 이온은 크기가 작고 전하량이 클수록 불안정하다. 전기적으로 불안정한 기체 상태 이온은 수화되면서 안정화된다. 따라서 이온의 크기가 작고 전하량이 클수록 수화 엔탈피의 절댓값은 더 커진다.

표 1. 수화 엔탈피 (@@NAMATH_INLINE@@\Delta H_{hyd}@@NAMATH_INLINE@@, kJ/mol) ¹⁾
이온	@@NAMATH_INLINE@@\Delta H_{hyd}@@NAMATH_INLINE@@	이온	@@NAMATH_INLINE@@\Delta H_{hyd}@@NAMATH_INLINE@@	이온	@@NAMATH_INLINE@@\Delta H_{hyd}@@NAMATH_INLINE@@
H⁺	-1130	Be²⁺	-2494	F^-	-505
Li⁺	-520	Mg²⁺	-1921	Cl^-	-363
Na⁺	-406	Ca²⁺	-1577	Br^-	-336
K⁺	-322	Al³⁺	-4665	I^-	-295

물에 대한 이온 결합 화합물의 용해 엔탈피(enthalpy of solution, @@NAMATH_INLINE@@\Delta H_{solution}@@NAMATH_INLINE@@) 또는 용해열은 이온 결합 화합물이 물에 녹는 과정의 엔탈피 변화량이다. 즉, 다음 반응의 엔탈피 변화량이다.

@@NAMATH_INLINE@@NaCl(s) \xrightarrow{H_2O} Na^+ (aq) + Cl^- (aq)@@NAMATH_INLINE@@ @@NAMATH_INLINE@@\ \ \ \ \ \Delta H_{solution} = +3.88 \ kJ/mol@@NAMATH_INLINE@@

표 2는 몇 가지 이온 결합 화합물의 물에 대한 용해 엔탈피 및 용해도를 보여준다. @@NAMATH_INLINE@@\Delta H_{solution} > 0@@NAMATH_INLINE@@이면 용해 과정이 흡열 과정이며, @@NAMATH_INLINE@@\Delta H_{solution} < 0@@NAMATH_INLINE@@ 이면 용해 과정이 발열 과정이다. 용해 과정이 흡열인가 발열인가는 용해도와는 전혀 관계가 없다. 염화 소듐의 용해 과정은 흡열인 반면 브로민화 소듐의 용해 과정은 발열 과정이지만 모두 물에 잘 녹는다. 하지만 황산 바륨과 수산화 마그네슘 모두 물에 잘 녹지 않는 염이지만, 황산 바륨의 용해 과정은 흡열이나 수산화 마그네슘은 발열 과정이다.

표2. 이온 결합 화합물의 물에 대한 용해열 및 용해도 ²⁾, ³⁾
이온 화합물	용해열 (kJ/mol) 25°C H₂O	물에 대한 용해도 (g / 100 mL H₂O)
LiCl	-37.03	89.8
LiBr	-48.83	211
NaCl	+3.88	36.1
NaBr	-0.60	98.4
BaSO₄	+26.32	~10^-4
Mg(OH)₂	-2.17	~10^-3

수화 엔탈피와 용해 엔탈피의 관계는 그림 2와 같은 에너지 도표로 쉽게 이해할 수 있다. 브로민화 리튬 결정이 기체 상태 리튬 양이온과 브로민화 음이온으로 분해될 때 필요한 에너지가 격자 에너지이다. 그러한 양이온과 음이온이 수화될 때의 에너지 변화량이 수화 엔탈피(수화열)이며, 브로님화 리튬 결정성 고체가 물에 용해될 때 에너지 변화량이 용해 엔탈피(용해열)이다. 수화 엔탈피와 격자 에너지의 차이에 따라 용해 과정은 발열 혹은 흡열 과정이 된다. 이처럼 에너지 관계를 나타내는 에너지 도표를 본-하버 순환 (Born-Haber cycle)이라고 한다. 본-하버 순환 도표를 이용하면 직접 측정하기 매우 어려운 격자 에너지를 계산을 통해 결정할 수 있다.

그림 2. 수화 엔탈피, 용해 엔탈피, 격자 에너지의 관계. (출처: 대한화학회)

참고 문헌

1. https://chem.libretexts.org/Bookshelves/Physical_and_Theoretical_Chemistry_Textbook_Maps/Supplemental_Modules_(Physical_and_Theoretical_Chemistry)/Thermodynamics/Energies_and_Potentials/Enthalpy/Hydration
2. https://sites.chem.colostate.edu/diverdi/all_courses/CRC%20reference%20data/enthalpies%20of%20solution%20of%20electrolytes.pdf
3. https://en.wikipedia.org/wiki/Solubility_table#L

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목차

수화열(수화 엔탈피)과 용해열(용해 엔탈피)

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