[화학분석 2장] 분석반응의 매질과 용액의 농도

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1. 분석반응의 매질

분석을 위한 화학반응은 반응물이 균일한 매질에서 완전히 섞인 상태 일 때에 일정 시간 내에 원하는 상태까지 진행되며 균일질의 상태는 실질적으로 용액 상태일 때에 실험실에서 가장 조작하기가 수월한 조건이 된다.

순수한 액체(용매:solvent)에 어떤 물질(용질:solute)이 균일하게 섞인 혼합물을 용액(solution)이라고 하며 액체 용매 자체는 화학반응에 직접 참여하지 않고 온도나 극성(polarity)등의 환경만을 제공한다.

반면에 분석반응의 주체로서의 용질은 원칙적으로 기체, 액체, 고체 어떤 상태이든 가능하며 용매와 용질의 상대적 극성이 중요한 요소가 된다.

 

용매 중에는 극성 수소 원자의 존재 여부에 따라 양성자성 용매(protic solvent)와 비양성자성 용매(aprotic solvent)로 구분되는데 전자는 산소, 질소 또는 할로겐 원자와 결합한 극성 수소가 존재하거나 수소이온을 제공할 수 있는 용매를 말하며 물, 알코올, 할로겐화수소, 초산, 암모니아등을 들 수 있고 벤젠, 사염화탄소 등의 비극성 유기용매는 비양성자성 용매로 분류된다. 또한, 화학분석에서 가장 많이 쓰이는 것은 물이 용매로 쓰인 수용액이면, 용매가 물이 아닌 경우를 통틀어 비수용액이라고 한다.

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2. 용해도

용질이 용매에 녹아 들어가는 정도는 물질마다 다르다. 특정 온도 및 압력에서 용질이 용해 한도까지 녹아들어 간 용액을 포화용액이라고 한다. 예를 들어, 설탕은 물에 거의 무한정 녹지만 소금은 어느 한도 이상에서는 녹지 않는다.

포화 용액의 용해도는 물리화학적으로 주어진 온도 및 압력 아래에서 용매 100g에 녹을 수 있는 용질의 한도 그램 수로 정의된다.

또한, 용해도는 수행되는 화학반응의 종류에 따라 다른 단위로 환산되기도 한다.

 

용해도에 영향을 끼치는 인자는 아래와 같다.

1. 극성 : 용질과 용매의 극성은 서로 평행한다. 극성이 높은 물질은 극성 용매에 잘 녹으며 비극성 용질은 비극성 용매에 잘 녹는다.
2. 온도 : 온도에 따라 용해도의 차이는 용질과 용매의 특성에 따라 차이를 보인다. 일반적으로 고체나 액체는 온도가 높아질수록 용해도가 증가하지만 기체일 경우에는 온도 증가에 따라 용해도가 감소한다. 그러나 온도에 따른 용해도의 변화율은 용질에 따라 큰 차이를 보여 일정한 규칙을 찾을 수 없는 것이 보통이다.
3. 압력 : 압력은 용질의 특성에 따라 큰 차이를 보인다. 기체용질의 경우 기체의 분압에 따라 용해도가 증가하지만 액체나 고체 용질은 압력에 대한 용해도 차이가 거의 없는 것이 보통이다.

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3. 용액의 농도

용액의 진한 정도를 농도(concentration)라고 하며 일정량의 용매 또는 용액에 대한 용질의 양을 표시하고 그 용액이 사용되는 실험의 특성에 따라 다음과 같은 방법으로 정의된다.

• 퍼센트 농도(백분율) : 용액 100 g 중에 포함된 용질의 g 수로 표시하는 것을 무게 퍼센트(weight percentage)라 하고 % 또는 w/w%라고 표기한다.
• 백만분율(ppm,ppb) : 백만분율(parts per million;ppm) 시료 1kg 중에 들어있는 목적 성분의 mg 수를 의미하며, 밀도가 1.00g/mL에 가까운 수용액에서는 1mg/L에 해당한다.
• 몰 농도(mol/L) : 용액 1L 중에 포함된 용질의 몰수로 정의되며 주로 부피분석에서 쓰이는 농도단위이다. 
• 몰랄농도(m) : 용매 1kg중에 포함된 용질의 몰수를 몰랄농도라고 하며, 그 단위는 m으로 표시한다.
• 포르말 농도(F) : 물질의 화학 질량(formula weight)은 화학식 단위의 질량을 말한다. 포르말 농도는 용액 내에서의 물질의 실제적인 조성을 잘 모를 때 단지 녹아있는 물질의 양을 표현할 때에도 사용된다.
• 노르말 농도(N) : 용액 1L 중에 포함된 용질의 그램 당량 수를 노르말 농도 또는 규정농도라고 한다. 1g 당량은 이온화할 수 있는 수소 1.008g을 포함하는 물질의 g 수를 나타낸다. 
• 몰분율(mole fraction) : 용액 중 어떤 성분의 몰수와 전체 성분의 몰수의 합과의 비를 몰분율이라 하며 이것을 100배 한 것을 몰 백분율이라 하며 주로 혼합물의 물리화학적 성질을 기술하고 측정하는 데 쓰인다.

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4. 농도의 환산

일반적으로 실생활에서 일차적으로 접하는 농도단위는 % 농도이고 측정되는 물리량은 질량인 경우가 많다.

특히 제조사로부터 실험실로 공급되는 산이나 염기의 원액은 제조와 유통공급의 편의성으로 % 농도와 kg 단위인 것이 많다.

이 시약들은 용액의 밀도를 측정하여 분석실에서 쓰기 편한 몰농도 및 부피 단위로 정확히 환산할 수 있다.

예로, A % 액을 B % 액(물 일 때는 B=0)으로 희석해 X % 액을 만드려면 A % 액을 (X-B)양을 취하고, B % 액을 (A-X)양 취해 합한다. 이때 취하는 양이 부피일 경우는 두 부피를 합쳐도 부피 변화가 없는 것으로 간주해야 한다.