화학 고3 용액의 성질

용해도

Q: 바닷물의 짠맛도 용해도와 관련이 있나요?

네. 바닷물에 녹아 있는 염류의 양이 해수의 염분 이고, 그 물질들이 물에 잘 녹기 때문에 오랜 시간 동안 축적될 수 있었습니다.

특정 온도에서 용매 100 g에 최대 용해될 수 있는 용질의 질량(g). 고체는 온도 상승으로 보통 증가, 기체는 온도 상승으로 감소(헨리 법칙).

일정한 온도에서 용매

100 g

에 최대로 녹을 수 있는 용질의 질량(g)으로, 그 온도에서 더 이상 녹지 않는 한계점을 나타냅니다.

정원이 정해진 주차장과 같습니다. 자리가 남아 있으면 계속 들어오지만, 가득 차면 한 대가 나가야 한 대가 들어옵니다. 이 '가득 찬 상태'가 포화 용액입니다.

쉽게 말하면

용해도를 '녹는 속도'로 오해하기 쉽지만, 용해도는 속도가 아니라 한계량입니다. 그리고 그 한계는 용해가 멈춘 상태가 아니라, 녹는 속도와 다시 결정으로 석출되는 속도가 같아져 겉보기에 변화가 없어진 동적 평형 상태입니다. 포화 용액 바닥의 결정을 현미경으로 들여다볼 수 있다면, 녹아 나가는 입자와 붙어 들어가는 입자가 끊임없이 자리를 바꾸고 있을 것입니다.

용해도가 얼마인지는 용해 과정과 용해열 이 결정합니다. 용질-용매 인력이 셀수록 더 많이 녹습니다. 여기에 온도가 개입하는 방식이 고체와 기체에서 정반대라는 점이 이 단원의 핵심입니다.

대부분의 고체는 온도를 올리면 용해도가 커집니다. 고체가 녹는 과정이 흔히 흡열이라, 온도를 올려 주면 그 방향으로 더 진행되기 때문입니다. 반대로 기체는 온도를 올리면 용해도가 작아집니다. 기체가 물에 녹는 과정은 자유롭게 날던 분자가 물 분자에 붙잡히는 발열 과정이라, 열을 넣어 주면 오히려 튀어나갑니다. 따뜻해진 사이다에서 김이 빠르게 빠지고, 여름철 강물의 용존 산소가 줄어 물고기가 힘들어하는 것이 같은 이유입니다.

기체는 온도뿐 아니라 압력에도 크게 좌우되는데, 이 관계를 정리한 것이 헨리 법칙 입니다. 반면 고체나 액체의 용해도는 압력을 바꿔도 거의 변하지 않습니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

재결정 — 용해도 곡선을 이용한 정제

온도에 따라 용해도가 크게 변하는 물질에 불순물이 섞여 있을 때, 뜨거운 물에 모두 녹인 뒤 천천히 식히면 용해도가 급히 줄어드는 주성분만 결정으로 빠져나옵니다. 용해도가 작아 이미 다 녹지도 않았거나, 반대로 양이 적어 여전히 녹아 있는 불순물은 용액에 남습니다.
예시 2

포화 용액에서 온도를 내리면 얼마가 석출될까

어떤 고체의 용해도가 $6 0^{\circ} C$ 에서 $50$ , $2 0^{\circ} C$ 에서 $20$ 이라고 합시다. $6 0^{\circ} C$ 포화 용액을 물 $100 g$ 기준으로 만든 뒤 $2 0^{\circ} C$ 로 식히면, 자리를 잃은 $50 - 20 = 30 g$ 이 결정으로 나옵니다. 물의 양이 변하지 않았다는 점이 계산의 전제입니다.
예시 3

여름철 강물의 용존 산소

수온이 오르면 산소의 용해도가 떨어져 물에 녹아 있는 산소가 줄어듭니다. 더울수록 물고기의 호흡량은 늘어나는데 산소는 오히려 부족해지므로, 여름철 수온 상승은 수중 생태계에 이중으로 부담이 됩니다.

온도·압력이 용해도에 미치는 영향

구분	고체 용질	기체 용질
온도를 올리면	대체로 용해도 증가	용해도 감소
압력을 올리면	거의 변화 없음	용해도 증가(헨리 법칙)
대표 예	설탕, 질산 칼륨	이산화 탄소, 산소

자주 하는 오해

용해도를 '용액 100 g 기준'으로 착각하기

이렇게 생각하기 쉬움용해도가

40

이면 용액

100 g

속에 용질이

40 g

있다

실제로는용해도

40

은 용매(물) $100 g$ 에 용질

40 g

이 녹는다는 뜻이고, 이때 용액의 질량은

140 g

입니다.

분모가 용매냐 용액이냐가 뒤바뀌면 석출량 계산이 통째로 어긋납니다. 특히 '포화 용액

280 g

을 식히면 몇 g이 석출되는가' 같은 문제에서, 용액

280 g

은 물

200 g

+ 용질

80 g

처럼 먼저 갈라 놓고 시작해야 합니다.

모든 물질은 온도를 올리면 잘 녹는다고 일반화하기

이렇게 생각하기 쉬움뜨거운 물에 설탕이 잘 녹으니, 이산화 탄소도 뜨거운 물에 더 잘 녹겠다

실제로는기체는 정반대입니다. 온도를 올리면 오히려 덜 녹아 밖으로 빠져나갑니다.

고체가 녹는 과정은 흔히 흡열이라 가열이 도움이 되지만, 기체가 녹는 과정은 발열이라 가열이 방해가 됩니다. 열을 '넣어 주면 도와주는 것'으로만 외우지 말고, 그 반응이 열을 흡수하는지 방출하는지를 먼저 따져야 합니다. 냄비의 물을 끓이기 전부터 바닥에 작은 기포가 맺히는 것이 기체 용해도가 떨어지고 있다는 증거입니다.