溶液, solution
1. 개요
두 가지 이상의 물질이 화학적 상호작용에 의해 섞인 하나의 균질한 혼합물. 용해액이라고도 한다.두 가지 이상의 물질이 각각의 물질성을 유지하면서 혼합되어 있어야 하므로, 용매로 사용한 물질과 용질로 사용한 물질이 서로 반응하는 경우는 두 가지 이상의 물질이 아니라 하나의 화합물이 되기 때문에 용액으로 간주할 수 없다. 예를 들어서 산소와 수소 기체를 1:2 비율로 섞었는데 이 둘이 반응해서 수증기를 만들어 버린다면 이것은 '수증기 단일기체'이지, '산소와 수소로 이루어진 기체 상태의 용액'이 아니다.
단, 셋 이상의 물질을 섞었을 때, 서로 반응을 일으키지 않고 균질하게 섞여있는 상태를 유지하는 것들이 두 종류 이상 남아있다면 일부 물질 사이에 반응이 일어났다고 해도 용액이라고 볼 수 있다. 예를 들어서, 산소와 수소 기체를 1:2 비율로 섞고 여기에 헬륨 기체를 함께 섞는다면 산소와 수소가 반응해서 수증기를 만들지만 헬륨은 반응에 참여하지 않기 때문에 '수증기와 헬륨으로 이루어진 기체 상태의 용액'이 된다.
엄밀히 따지자면 화학반응이 일어난다고 해도 모든 원자가 반응을 일으키는 것은 아니기 때문에[1] 반응 후의 화합물이 용매가 되고, 반응에 참여하지 않은 극소수의 원래 물질이 용질이 되어 용액이 만들어질 수 있다. 반대로 원래 물질이 용매가 되고 반응 후의 화합물이 용질이 될 수도 있는데, 물과 이산화탄소가 반응하여 탄산이 되며 물에 용해되는 과정을 그 예로 들 수 있다.
또한, 각 물질들이 하나의 화합물이 되지는 않아야 하지만, '화학적 상호작용에 의해' 혼합되기는 해야 한다. 이 점이 다른 균일 혼합물과의 차이를 만드는 요인이다. 따라서 이상기체로 이루어진 균일 혼합물은 용액이 아니며, 이상기체가 아니라 하더라도 기체 간 상호작용이 특별히 크지 않으면 일반적으로 용액이라 부르지 않는다.
섞여서 나온 물질의 상과 유사한 쪽을 보통 용매라고 칭하며, 동일한 상의 두 물질을 섞은 경우 많은 쪽을 용매(solvent)라고 칭한다. 반대쪽은 용질(solute). 액이 액체를 뜻하는 한자 液이라 착각하기 쉽지만, 굳이 액체가 아니어도 균일 혼합물이기만 하면 된다. 고체나 기체에 대해서도 solution=solute+solvent라 하며, 물론 정의는 액체의 경우와 같다. 일반적으로는 용매가 액체인 경우를 지칭하는 경우가 많으며, 이 문서에서도 마찬가지다. 고체의 경우 '고용체(固溶體, solid solution)'라는 용어를 사용하는 경우도 많이 있다.
용액은 균일 혼합물이기 때문에 가라 앉는 용질 입자나 걸러지는 입자가 없다. 즉, 흙탕물과 같은 불균일 혼합물이나 먹물과 같은 콜로이드는 용액으로 분류되지 않는다. 황산구리의 수용액의 경우처럼 때때로 용질에 따라 색을 띠기도 한다. 투명하면서 용질의 색을 띠게 된다.
물은 우리 주변에서 가장 널리 쓰이는 용매로, 물이 용매인 경우를 수용액이라 칭하며, 화학 반응식에서 수용액임을 표기하는 경우 '(aq)'라고 적는다. 물이 아닌 용매에 녹았을 경우 '(soln)'으로 표기한다. 이온 결합 물질이 녹았을 경우 전해질이라는 일종의 전도체가 된다(전기가 통한다!).
묽은 용액[2]의 특징적인 성질으로는 총괄성이 있다. 총괄성은 용질의 종류와 상관 없이 용질의 입자 수에만 의존하는 성질을 말하며, 증기압 내림, 끓는점 오름, 어는점 내림, 삼투가 있다.
삼투압은 고분자의 분자량을 계산할 때 이용한다(삼투 계량). 끓는점 오름, 어는점 내림을 저분자의 분자량을 계산할때 이용하기도 했으나(어는점 내림법), 최근의 방법과는 거리가 멀다.
입자 상태의 고체끼리 섞은 것은 균일하게 섞일 수 없기에(걸러낼 수 있기에) 용액이라고 볼 수 없다.[3] 대표적인 예시로 여러가지 광물이 입자 상태로 뒤섞여 있는 모래 같은 것은 용액이 아니다. 하지만, 합금과 같은 경우 용광로에 여러 종류의 금속들을 넣고 가열해 용융시킨 뒤 균질하게 잘 섞어 굳히는 식으로 만들기 때문에 고체 용액(=고용체)이라고 칭할 수 있다.
2. 표준용액
간단하게 말하면, 이미 농도를 알고 있는 용액이다. 다양한 적정실험에 사용된다. 만들 때에는 정확성이 생명이다. [4]개정교과과정의 화학2에 관련내용이 나온다.[5] 몰농도와 몰랄농도 표준용액을 만들라고 한다. 대학에서 화학관련과를 가면 실컷 만들어야하므로 알아두면 도움이 많이 된다.
2.1. 어떻게 만들까?
만들려면 기본적으로 용매와 용질이 있어야 하고, 부피 플라스크, 전자저울이 있어야 한다. 아래에는 가장 기본적인 1M NaOH 수용액 1L 만들기를 서술한다.1. NaOH 40g을 약포지를 얹어 둔 전자저울로 측정한 뒤 빠르게 [6] 비커로 옮겨 담는다.
2. 비커에 소량의 증류수를 부어 준 뒤, 잘 녹인다. 처음부터 1L에 녹이면 안된다!
3. 2의 용액을 1L짜리 부피플라스크에 옮겨준 뒤 증류수를 표선에 맞춰 부어 준다.
4. 잘 흔들어 준 뒤 (부피가 변했다면) 다시 표선에 맞춰 증류수를 부어준다.
3. 관련 문서
[1] 실제 물질에 포함된 원자의 수가 측정한 값과 정확히 일치할 수도 없고, 통계역학적인 요인에 의해 활성화 에너지를 넘어서지 못하는 에너지를 가지는 입자가 존재할 확률이 있다.[2] '어느 정도 농도여야 묽은 용액이냐'라고 의문이 들 수도 있는데, '용질이 헨리의 법칙을 따르고, 용매가 라울의 법칙을 따르는 용액'을 의미하기에 용질과 용매의 종류에 따라서 달라질 수 있다. 더불어 몰분율로 나타내지 않고 (삼투압을 제외한) 일반적인 표기법인 몰랄농도로 나타내려면 '몰분율과 몰랄농도가 거의 비례하는 구간'이라는 조건 또한 들어간다. 보통 앞의 조건을 만족하면 뒤의 조건도 만족한다.[3] 브라질 땅콩 효과와는 무관하다. 거시적인 입장에서 균일하게 섞인다 한들 입자를 가진 채 섞이면 애초에 불균일 혼합물이다.[4] 정량분석 실험하는데 1M짜리인줄 알았는데 알고보니 0.95M이면 실험이 제대로 될 리가 없다. 특히 분석화학 분야에서는 이게 매우 중요해서, 0.999M 용액이라도 결과에 크게 영향을 미친다.[5] 2015 개정 기준 화학1에도 몰농도는 나온다.[6] 느리게 했다간 조해성때문에 저울이 물범벅이 되고, 표준용액에서 생명과도 같은 정확성이 꽝이 된다.