용액(溶液, solution)은 둘 이상의 물질로 구성된 혼합물의 일종으로, (액체상태뿐만 아닌, 물질의 상태에 관계없이 두가지 이상의 물질이 고르게 섞여있는 것은 모두 용액 이라고 한다.) 액체나 기체 등의 물질에 다른 물질이 섞여 들어가 그 조성이 위치에 상관없이 균질하게 된 것을 말한다. 이때 용액의 대부분을 이루는, 용액의 매체가 되는 물질을 용매라고 하며, 용매에 섞여 들어가는 물질을 용질이라고 한다. 용질이 용매에 섞여 들어가는 용해는 반드시 화학적 변화를 수반하지는 않지만, 그 과정에서는 계에 자유 에너지의 출입이 일어난다.
개요
용액은 두 가지 이상의 물질이 균질하게 섞인 혼합물인데, 보통은 액체상 혼합물을 지칭한다. 여기서 균질하다는 말은 용액의 어느 부분을 취하더라도 섞인 물질의 조성비가 일정하다는 뜻이다. 이렇게 두 가지 이상의 물질이 균질하게 섞여 용액이 되는 현상을 용해(dissolution)라고 하는데, 많은 경우 용해는 액체에 녹는 것에 해당한다. 용액을 만드는 물질 중 양이 제일 많은 것을 용매(solvent)라고 하고, 양이 상대적으로 적은 다른 물질들을 용질이라고 한다. 용액의 상(phase)은 보통 용매의 상을 따르는데, 일반적으로 용액은 액체상 혼합물을 지칭한다. 대표적인 예로 소금을 물에 녹여 소금물을 만들었을 때, 소금은 용질, 물은 용매, 소금물은 용액이 된다.
고체상 용액의 예로는 수소 기체가 팔라듐(palladium) 고체에 용해되는 경우를 들 수 있는데, 팔라듐은 이런 성질 때문에 수소 저장 물질로 연구되고 있다. 스테인리스강(stainless steel)과 같은 합금(alloy)은 고체와 고체가 섞인 용액인 고용체(solid solution)의 예이다. 산소와 질소 등이 섞인 공기도 일종의 기체상 용액이라고 할 수 있지만, 기체상 용액은 분자들 사이의 상호작용이 거의 없어서 용액이라고 부를 만한 특별한 의미가 없다. 액체상 용액에서 용질의 입자는 눈에 보이지 않고 빛을 산란하지 않으며 필터로 걸러지지 않아야 한다. 또 용액은 안정하고 오래 두어도 용질이 가라앉지 않아야 한다. 참고로 입자가 커서 빛을 산란하는 입자가 기체나 액체에 분산된 혼합물을 콜로이드(colloid)라고 부른다.
용액 중 용질의 양을 나타내는 척도로 농도(concentration)를 사용하는데, 용질의 양을 용액의 양으로 나눈 것이다. 이때 양은 보통 질량을 사용하지만, 몰수를 사용하면 몰농도라고 한다. 참고로 용질 분자의 크기와 용매 분자의 크기가 다르면, 작은 분자가 큰 분자 사이의 빈틈에 들어가기 때문에, 용액의 부피는 용질의 부피와 용매의 부피의 합보다 작아지게 된다. 용매 100 g에 녹을 수 있는 용질의 최대량을 g수로 나타낸 것을 용해도(solubility)라고 한다. 용해도는 온도에 따라 달라지는데, 일반적으로 온도가 높아지면 고체 용질의 용해도는 커지고 기체 용질의 용해도는 작아진다. 용질이 최대량까지 녹았을 때 용액은 포화되었다고(saturated) 한다.
비휘발성 용질을 넣어 용액을 만들면 용액의 끓는점은 순수한 용매의 끓는점보다 높은데, 이를 끓는점오름(boiling point elevation)이라고 한다. 용질이 비해리성이면 끓는점오름의 정도는 몰농도에 비례한다. 또한 용액의 어는점은 순수한 용매의 어느점보다 낮은데 이를 어는점내림(freezing point depression)이라고 하며, 묽은 용액에서 어는점내림의 정도도 몰농도에 비례한다. 일상생활에서 어느점내림의 대표적인 예로서 강물이 얼고 바닷물은 얼지 않는 때가 있다는 것이다.
용매 중 가장 흔한 것은 물인데, 물이 용매인 용액을 수용액(aqueous solution)이라고 한다. 많은 물질이 물에 잘 녹는 이유는 물 분자가 극성 분자이고 많은 용매 분자와 수소결합(hydrogen bond)을 할 수 있기 때문이다. 대표적인 예로는 에탄올(ethanol)의 수용액이라고 할 수 있는 술을 들 수 있다. 그림 2는 극성(polarity)을 표시한 물 분자의 모형인데, 는 전기쌍극자모멘트(electric dipole moment)를 나타낸다. 그림 3은 무지개 색깔을 만드는 전이 금속(transition metal) 화합물의 수용액들을 보여주는데, 용질은 왼쪽부터 Co(NO₃)₂, K₂r₂O₇, K₂CrO₄, NiCl₂, CuSO₄, KMnO₄이다.
용액의 조성
용액은 용매와 용질로 나눌 수 있다. 조성에 대해 살펴보면, 먼저 일반적인 질량 퍼센트가 있다. 이는 각 성분 물질의 질량 퍼센트로 정의한다. 다음으로, 화학에서 자주 쓰이는 몰분율이라는 척도가 있다. 세 번째로, 용액에서는 보통 농도의 척도를 사용하는데, SI단위인 단위 부피당 몰 수는 화학에서는 불편하므로 1L당 용질의 몰 수로 정의한 몰농도를 사용한다. 마지막으로, 몰랄농도란 농도의 척도가 있는데, 이는 용매의 단위 질량당 용질의 몰 수로 정의된다.
참고자료
- 〈용액〉, 《물리학백과》
- 〈용액〉, 《위키백과》
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