액체-액체 추출법과 관련된 요소: 용해도

액체-액체 추출법과 관련된 요소: 용해도

 

 

용해도(solubility)는 주어진 온도에서 화합물이 다른 화합물로 용해될 수 있는 최대량으로서, 실험적으로도 구할 수 있고 분자 구조로부터 예측할 수도 있다. 물에 대한 용해도가 10 ppm 이하이면 용해도가 낮다고 하며, 10~1000 ppm이면 중간 정도, 1000 ppm 이상이면 용해도가 높다고 분류하기도 한다.

물질의 용해도는 다음과 같이 측정할 수 있다. 특정 온도에서 알고 있는 양의 용매를 용기에 넣은 후 화합물이 더 이상 용해되지 않을 때까지 저어주면서 가하고, 더 이상 녹지 않게 되면 이 용액을 포화 용액이라 하며 이때까지 가해진 화합물의 양으로부터 용해도를 구한다.

예를 들어 20도에서 물 100 mL에는 NaCl(소금) 35.7 g 용해되는데, 20도에서 NaCl의 용해도는 35.7 g/100 mL이 된다.

포화 용액은 용해된 물질이 용해되지 않은 물질과 평형 상태에 있다. 공유 결합 물질인 수크로스(자당) 포화 용액을 예로 들면 포화 용액은 시료 용기의 상층에 있고 용해가 되지 않은 약간의 수크로스는 용기의 바닥에 있다. 이 경우에 수크로스 분자들 중에 일부는 바닥에 있는 고체 결정들은 녹기 위해서 고체로부터 용액으로 이동이 이루어지고, 동시에 용액 내에 있던 동일한 분자 수의 수크로스가 녹지 않은 고체 수크로스의 일부가 된다.

이러한 용해와 침전이 동일한 속도로 일어나면서 동력학적인 평형을 위한 요구사항들을 만족시키게 된다. 수크로스 포화 용액에 대한 평형식은 다음과 같이 표현할 수 있다.
Sugrose(S)  ⮀ Sucrose(aq)

위 식에서 용해와 침전 과정이 동시에 진행되며 용액 내에 있는 분자의 수는 일정하다. 한편, 수크로스와 같은 공유 결합 화합물들은 용액 내에서 분자로 존재하지만, 이온성 포화 용액의 경우는 이온성 화합물이 녹으면 용액에서는 이온 형태로 존재한다.

이온 결합을 하고 있는 염화 소듐 포화 용액의 경우는 다음과 같이 평형을 표시한다
NaCl(s) ⮀ Na+(aq) + Cl-(aq)

물질이 용해되기 위해서는 용매 분자와 용질 분자(혹은 이온) 간의 상호작용이 필요하다. 잘게 나누어진 물질들은 큰 덩어리 물질들에 비해서 더 빨리 용해되는데 이는 용매와 용질 간의 접촉이 더 많이 이루어지기 때문이다. 따라서 일정하게 저어주면 용해되지 않은 용질과 용매 분자 간의 접촉이 빈번해지기 때문에 용해 속도가 빨라진다. 고체와 액체의 용해도는 온도가 증가함에 따라서 일반적으로 증가한다.

용해도에 영향을 미치는 주요 요소로는 입자 간에 작용하는 힘, 온도, 압력이 있다.

용해도에 영향을 미치는 요소 중에는 용질과 용매 둘 간에 작용하는 상호 분자 힘 혹은 상호 이온 간의 힘이 있다.

한 물질이 다른 물질에 용해될 때는 둘 간에 인력이 극복되어야 한다. 용해되는 용질은 용매 내에서 분자들의 집합(즉, 분자들 간의 수소 결합이나 분자들 간의 분산력)이 끊어져야 하며, 용매 분자들은 녹지 않은 용질들 내에서 각 용질을 이웃하는 용질들로부터 빼내기에 충분한 용질들에 대한 인력을 가지고 있어야 한다.

용질이 이온성이면 물과 같은 극성이 큰 용매는 이들을 용해할 수 있기에 충분한 상호 작용을 제공한다. 용질이 극성 분자이면 알코올과 같은 극성 용매가 용해에 사용되며, 용질이 무극성이면 무극성 용매에만 용해된다.

이는 극성 용매 분자들은 용질 분자들 간의 약한 분산력을 극복할 수 없을 뿐만 아니라 분산력이 너무 약해서 용매 분자들 간의 쌍극자-쌍극자 상호작용을 극복할 수 없기 때문이다. 따라서 용해도와 관련해서는 "유사한 것끼리 잘 녹인다"라는 규칙이 적용된다. 즉, 이온성이며 극성인 화합물은 물과 같은 극성 용매에 잘 녹으며, 무극성 화합물들은 사염화 탄소와 탄화수소 화합물 등 무극성 용매에 잘 녹는다.

고체와 액체의 용해도는 온도가 증가함에 따라서 증가하지만, 기체의 용해도는 온도가 증가함에 따라서 감소한다. 

용액 표면에서의 압력도 매우 작지만, 고체와 액체의 용해도에 영향을 미친다. 하지만 기체의 경우는 매우 크게 영향을 미친다. 즉, 용액 표면 위의 기체의 부분 압력이 증가함에 따라 기체의 용해도는 증가한다. 이는 이산화탄소가 많이 녹게 하기 위해서 탄산음료의 뚜껑을 닫아놓는 이유이다.