액체는 어떤 성질을 가지고 있을까?

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• 용해에 대하여 설명할 수 있다.

• 용해도에 대해 설명할 수 있다.

용액

하나 이상의 물질이 다른 물질 속에 균일하게 섞여 있는 혼합물

용액 = 용매 + 용질 (소금물 = 물 + 소금)
용매

녹이는 성분, 많이 들어 있는 성분(예: 물) (물은 항상 용매로 간주한다.)

용질

녹아 있는 성분, 적게 들어 있는 성분 (예: 소금)

다음의 그림 자료를 보고 NaCl과 설탕 입자의 물에 대한 용해에서 차이점을 탐구해 보자.

그림 Ⅱ-25 NaCl과 설탕의 용해

NaCl과 설탕은 물과 인력 때문에 균일하게 섞이는 현상이 일어난다. [용해]
NaCl은 물에서 이온화된다. 물분자는 이온에 뚜렷한 배열 방향을 가지며 수화된다.
설탕은 이온화되지는 않는다. 물분자는 설탕분자에 뚜렷한 배열 방향 없이 수화된다.

용매화(solvation)

이온성 물질인 염화나트륨을 물에 넣으면, 극성 물질인 물 분자가 나트륨 이온 (Na+)과 염화 이온(Cl-)을 끌어당기므로, 결정을 이루고 있는 나트륨 이온과 염화이온 사이의 인력이 약해져서 나트륨 이온과 염화 이온은 떨어져 나오게 된다.
떨어져 나온 나트륨 이온과 염화 이온은 그림 Ⅱ-26과 같이 여러 개의 물 분자들에둘러싸이게 된다.
용질 입자가 용매 분자에 둘러싸이는 현상
물이 용매일 때를 수화(hydration)

그림 Ⅱ-26 이온의 수화[Cl^-(aq), Na⁺(aq)]

설탕의 용해

설탕을 물에 넣으면 물 분자가 설탕에 접근하여 설탕 분자를 각각 떼어낸다.
설탕 분자 사이의 인력이 설탕 분자와 물 분자 사이의 인력보다 약하기 때문에 설탕분자가 떨어져 나와 물 분자에 둘러싸이는 수화가 진행되면서 물에 녹게 된다.
설탕은 물에 용해될 때 이온화가 진행되지 않기 때문에 비전해질이다.

그림 Ⅱ-27 설탕의 용해

설탕 입자 주변에 물 분자의 배열은 NaCl의 경우와는 다르다. 뚜렷한 배열 방향이 있는 것이 아니다. 따라서 설탕은 매우 진한 용액을 만들 수 있다.

용해의 원리

그림 Ⅱ-28 극성 용매와 극성 용질 그림 Ⅱ-29 극성 용매에 무극성 용질

그림 Ⅱ-30 무극성 용매에 극성 용질 그림 Ⅱ-31 무극성 용매에 무극성 용질

용매와 용질이 극성도가 비슷하면 잘 용해된다. 즉, 극성은 극 성끼리 무극성은 무극성끼리 잘 섞인다.
용해 : 용매와 용질간 인력 ≧ 용질과 용질 사이 인력
용질과 용매의 분자 구조가 비슷하거나 같은 원자단이 있으면 잘 용해된다. 그 예로 설탕(-OH있음), 에탄올(C₂H₅-OH) 등은 물에 잘 용해된다.

다음 물질 중 사염화 탄소(CCI4)와 잘 혼합될 것으로 예상되는 것은?

① 물(H₂O)

② 벤젠(C₆H₆)

③ 암모니아(NH₃)

④ 염산(HCl)

⑤ 에탄올(C₂H₅OH)

다음의 그림 자료를 보고, 고체 물질들의 용해도를 탐구해 보자.

그림 Ⅱ-32 여러 가지 물질들의 온도에 따른 용해도와 용해도 곡선

일반적으로 온도가 높을수록 고체의 용해도는 증가한다. [예외, 강염기인 Ca(OH)₂]
염화나트륨은 온도 변화에 따른 용해도 변화율이 적다. [재결정법이 어렵다.]

고체의 용해도

고체는 물의 온도가 증가할수록 용해도가 증가
대부분 고체들이 물에 용해되면 액체와 같은 운동을 하게 되므로 열을 흡수, 물이 고온일수록열 흡수가 쉬워짐
온도가 올라가면 대부분 용해도가 증가한다.
압력은 영향을 주지 못한다.
결정 석출 방법

용액을 증발, 냉각시킨다.

그림 Ⅱ-33 고체의 온도와 용해도와의 관계

용해도 곡선(solubility curve)

그림 Ⅱ-32와 같이, 온도에 따른 용해도 변화 그래프
온도에 따른 용해도 차이를 이용하면 불순물이 섞여 있는 고체의 혼합물로부터순수한 물질을 얻을 수 있다.

예를 들면 질산칼륨(KNO₃)은 온도에 따라 용해도가크게 변하므로, 높은 온도에서 포화 용액을 만든 다음, 이 용액을 냉각시키면 용해 도가 감소되어 여분의 용질이 결정으로 석출되고, 고체 속의 소량의 불순물은 용액속에 그대로 녹아 있다.
이와 같은 방법으로 물질을 정제하는 방법을 재결정(recrystallization)이라고 한다.

그림 Ⅱ-34 용해 평형 [ : 용해되는 입자 수, : 석출되는 입자 수]

용해도

용해도

일정 온도에서 일정량의 용매에 녹을 수 있는 용질의 최대량

용해 평형(equilibrium of dissolution

고체가 액체에 녹을 때, 용해되는 용질의 입자 수가 증가함에 따라 이들 중에는다시 고체로 되돌아가는 것도 있다.
고체로부터 떨어져 나오는 용해 속도와고체로 되돌아가는 석출 속도가 같아지면, 고체는 더 이상 용해되지 않는 것처럼 보인다.

포화 용액

용해도만큼 녹아 있는 용액

불포화 용액

용해도보다 덜 녹아 있는 용액

60℃ 질산칼륨 포화 수용액 300g을 10℃로 냉각시키면 몇 g의 결정이 석출되는가? (단, 물에 대한 질산칼륨의 용해도는 60℃에서 109, 10℃에서 22이다.)

질산칼륨은 재결정에 의하여 정제하기 쉬우나 염화나트륨은 재결정에 의해 정제하기 어려운 이유는 무엇인가?

다음의 자료들을 보고, 기체 물질들의 용해도에 대해 탐구해 보자.

표 Ⅱ-4 각 온도에서 기체의 용해도

그림 Ⅱ-35 헨리의 실험

표 Ⅱ-5 물 1L에 녹는 산소의 질량과 부피

온도가 높을수록 기체의 용해도는 감소한다.
압력이 증가할수록 기체 용해도는 증가한다. 단, 용해된 기체 부피는 일정하다.

기체의 용해도

일정 압력에서 온도가 증가하면 용해도가 감소한다.

그림 Ⅱ-36 기체의 온도와 용해도와의 관계

온도가 높아지면 기체분자 운동에너지가 증가하고 액체로부터 빠져 나오기 쉽다. (예: 사이다)
기체 용해도는 용액에 작용하는 기체의 압력에 비례한다.
헨리의 법칙

기체의 용해도는 압력에 정비례한다.단, 물에 잘 녹는 기체는 헨리의 법칙을 따르지 않는다.(예:암모니아)

수심이 깊어지면 수압이 높아진다. 그 결과 잠수부의 몸 조직 내의 질소(N2) 중 일부가 혈액 속으로 녹아 들어 간다. 만약 잠수부가 깊은 수심으로부터 급히 올라오면 몸에 받고 있던 수압이 갑자기 감소되어 혈액 중에 기포 가 생기게 되고, 이 기포가 관절과 골수 속에 모이게 되 어 심한 통증을 주게 된다. 이것을 잠수병이라고 한다. 이 병은 보통 상태로는 치명적인 것이 아니지만, 만약 기포가 골수나 척수에 모이게 되면, 생명이 위험하게 된다. 잠수병에 걸린 잠수 부를 고압실에 넣고, 일정한 압력 하에 두면, 기포는 다시 혈액 중에 용해되어 버린다. 그 다음 서서히 압력을 낮추어 정상 기압이 되면, 혈액 중에 과포화 상 태로 있던 질소는 서서히 폐를 통하여 방출되고 병은 치료된다. 그러므로 잠수부가 잠수 후에 중간 중간 쉬면서 천천히 올라 온다면, 혈액 중에 용존되어 있는 질소(N2)가 허파를 통하여 방출되어 버리고 기포로서 유리되지 않 을 정도로 서서히 정상 압력 상태로 돌아오게 되므로, 잠수병에 걸리지 않게 된다.

4. 27℃, 질소 기체의 압력이 1기압일 때 물 100g에 용해되는 질소 기체의 질량은 1.8×10^-4g이다. 질소 기체의 압력이 2.5기압일 때의 용해도는 얼마인가?

0℃, 1기압에서 1L의 물에 산소가 AmL 녹는다면 0℃, 3기압에서 1L의 물에 녹는 산소는 몇 mL가 되겠는가?

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사랑해요 어머니(I Love you, Mom)(5분 24초)