통합과학 중2 물질의 특성 심화

용해도·끓는점·녹는점

순물질의 고유한 물리적 특성인 용해도·끓는점·녹는점을 이용하여 혼합물을 분리하는 원리를 이해한다.

용해도는 어떤 온도에서 용매 100 g에 최대로 녹을 수 있는 용질의 g수이고, 끓는점과 녹는점은 물질이 상태를 바꾸는 온도로, 셋 다 물질마다 정해진 고유한 값이라 혼합물을 분리하는 데 쓰입니다.

물질마다 '녹는 한계'와 '상태가 바뀌는 온도'가 지문처럼 정해져 있습니다. 섞여 있는 물질들의 지문이 서로 다르다는 점을 이용하면, 온도를 조절하는 것만으로 하나씩 골라낼 수 있습니다.

쉽게 말하면

용해와 용액에서 용질이 용매에 녹아 고르게 퍼진다는 것을 배웠습니다. 그런데 용질은 얼마든지 녹지 않습니다. 어떤 온도에서 용매 100 g에 녹을 수 있는 최대량이 정해져 있는데, 이것이 용해도입니다. 더 이상 녹지 않는 상태를 포화 용액이라고 하고, 이때부터 넣는 용질은 그대로 가라앉습니다.

용해도는 물질의 종류와 온도에 따라 달라집니다. 대부분의 고체는 온도가 높을수록 더 많이 녹습니다. 반면 기체는 반대로, 온도가 높을수록 덜 녹고 압력이 높을수록 더 많이 녹습니다. 사이다 뚜껑을 열면 기포가 솟는 것(압력이 낮아져 이산화 탄소가 덜 녹음)과 미지근한 탄산음료가 김이 빨리 빠지는 것(온도가 높아 덜 녹음)이 같은 이야기입니다.

끓는점과 녹는점도 물질마다 정해져 있습니다. 물은 1기압에서 100 °C에서 끓고 0 °C에서 얼거나 녹습니다. 여기서 중요한 것은, 순물질은 상태가 변하는 동안 온도가 일정하게 유지된다는 점입니다. 가열 곡선에 나타나는 수평 구간이 그것입니다. 이때 넣어 준 열은 온도를 올리는 데 쓰이지 않고 상태를 바꾸는 데 쓰입니다.

이 세 가지가 물질마다 다르다는 사실이 분리의 열쇠입니다. 끓는점이 다르면 증류로(물과 에탄올, 원유의 분별 증류), 용해도가 다르면 재결정으로(불순물이 섞인 소금·질산 칼륨) 분리할 수 있습니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

탄산음료를 흔들거나 데우면 김이 빠지는 이유

음료 속 이산화 탄소는 높은 압력으로 억지로 녹여 넣은 것입니다. 뚜껑을 열면 압력이 낮아져 기체 용해도가 떨어지고, 온도가 높아도 용해도가 떨어집니다. 차가운 사이다가 더 톡 쏘는 이유입니다.
예시 2

재결정 — 용해도 차이로 골라내기

질산 칼륨은 온도에 따라 용해도가 크게 달라지고, 소금은 거의 변하지 않습니다. 둘이 섞인 뜨거운 포화 용액을 식히면, 용해도가 급격히 줄어든 질산 칼륨만 결정으로 나옵니다. 소금은 그대로 녹아 있습니다.
예시 3

증류 — 끓는점 차이로 골라내기

물과 에탄올의 혼합물을 가열하면 끓는점이 낮은 에탄올이 먼저 기체로 나옵니다. 그 기체를 식혀 다시 액체로 모으면 에탄올을 분리할 수 있습니다. 바닷물을 끓여 나온 수증기를 모으면 마실 수 있는 물이 되는 것도 같은 원리입니다.

온도와 압력이 용해도에 미치는 영향

구분	고체 용질	기체 용질
온도를 높이면	대부분 용해도가 커진다	용해도가 작아진다
압력을 높이면	거의 영향이 없다	용해도가 커진다
예	뜨거운 물에 설탕이 더 잘 녹는다	차갑고 압력이 높은 사이다에 이산화 탄소가 많이 녹아 있다

자주 하는 오해

물이 많을수록 끓는점이 높아진다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움냄비에 물을 가득 채우면 끓는 데 오래 걸리니 끓는점이 더 높아진 것이다

실제로는물의 양이 아무리 많아도 끓는 온도는 1기압에서 100 °C 그대로입니다. 달라지는 것은 끓기까지 걸리는 '시간'입니다.

온도와 시간을 구분해야 합니다. 양이 많으면 데워야 할 물질이 많아 시간이 오래 걸릴 뿐, 끓기 시작하는 온도 자체는 물질의 종류와 압력이 정합니다. 끓는점이 양과 무관하기 때문에 물질을 구별하는 특성으로 쓸 수 있는 것입니다.

끓는 동안에도 열을 주면 온도가 계속 올라간다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움센 불로 계속 가열하면 끓는 물의 온도가 100 °C를 넘어 점점 뜨거워진다

실제로는순수한 물이 끓는 동안 온도는 100 °C에서 더 이상 오르지 않습니다. 넣어 준 열은 온도를 올리는 대신 액체를 기체로 바꾸는 데 쓰입니다.

가열 곡선의 수평 구간이 바로 이 상태입니다. 열이 사라진 것이 아니라 상태 변화에 쓰이고 있습니다. 센 불로 끓이면 더 빨리 증발할 뿐 더 뜨거워지지는 않습니다. 반대로 혼합물은 끓는 동안에도 온도가 조금씩 오르는데, 이것이 순물질과 혼합물을 구별하는 방법이 됩니다.