1. 용매, 용질, 용액
1) 용매
용질을 녹여 용액을 만드는 물질이다. 고체와 액체의 혼합물에서는 액체가 용매이고, 액체와 액체가 섞여 있는 혼합물에서는 양이 더 많은 액체가 용매이다.
2) 용질
용매에 용해해 용액을 만드는 물질로, 고체, 액체, 기체 모두 용질이 될 수 있다. 물에 이산화 탄소가 녹아 있는 탄산음료와 물에 소금이 녹아 있는 소금물에서 용질은 각각 이산화 탄소와 소금이다.
3) 용액
두 가지 이상의 물질이 고르게 섞여 있는 혼합물이다. 물질의 상태와 관계없이 서로 다른 물질이 균일하게 섞여 있으면 용액이라고 할 수 있으나, 일반적으로는 기체, 액체, 고체 상태의 용질이 액체 상태의 용매에 녹아 있는 혼합물을 말한다.
2. 용해
소금이 물에 녹아 소금물이 되는 것처럼 용질이 용매에 고르게 섞여 용액이 만들어지는 현상을 용해라고 한다. 이러한 용해 현상이 일어나기 위해서는 용질과 용매 입자 사이의 인력이 용질 입자들 사이에 작용하는 인력이나 용매 입자들 사이에 작용하는 인력보다 커야 한다.
예를 들어 소금(NaCl)은 나트륨 이온과 염화 이온이 정전기적인 인력에 의해 결합하여 있으므로, 소금이 물에 용해되기 위해서는 물 분자와 이온 사이의 인력이 이온들 사이의 인력보다 커야 한다. 소금을 물에 넣으면 물 분자와 이온 사이에 작용하는 인력에 의해 소금 결정에서 나트륨 이온과 염화 이온이 떨어져 나오고 떨어져 나온 나트륨 이온과 염화 이온은 물 분자에 둘러싸여 물속에 고르게 섞인다.
3. 용해도
어떤 온도에서 용매 100 은에 최대로 녹을 수 있는 용질의 g 수를 용해도라고 한다. 대부분의 고체 물질은 온도가 높아질수록 용해도가 증가한다. 하지만 황산 세륨과 같이 온도가 높아질수록 용해도가 감소하는 예외적인 물질도 있다. 용해도 곡선은 온도에 따른 용해도의 변화를 나타낸 것이다. 주어진 용해도 곡선에서 기울기가 가장 큰 질산칼륨은 온도에 따른 용해도의 변화가 가장 큰 물질이고 기울기가 가장 작은 염화나트륨은 온도에 따른 용해도의 변화가 가장 작은 물질이다.
4. 퍼센트 농도
용액 100g 속에 녹아 있는 용질의 g 수를 퍼센트 농도라고 하며 단위는 %를 쓴다. 퍼센트 농도는 용액의 진하기를 나타내는 방법의 하나로 일상생활에서 가장 많이 사용하는 농도이다.
예를 들어 물 80 은에 소금 20 은을 녹인 용액의 퍼센트 농도는 20g/(80g+20g)×100=20%이다.
5. 비중
어떤 물질의 질량과 그 물질과 같은 부피를 가진 표준물질의 질량과의 비를 비중이라고 한다. 일반적으로 액체와 고체의 경우 4°C, 1기압의 물을 표준물질로 하고 기체의 경우 0°C, 1기압의 공기를 표준물질로 한다. 비중은 밀도와 비슷한 개념이지만 밀도와 달리 단위를 나타내지 않는다.
5. 용액과 용액이 아닌 것
용액은 두 가지 이상의 물질이 균일하게 섞인 혼합물이다. 용액은 용매에 용질이 골고루 퍼져 있으므로 어느 부분을 취해도 성질이 같다. 또 오래 두어도 가라앉거나 떠 있는 것이 없으며 거름종이로 걸러도 걸러지는 것이 없다. 우유는 균일한 혼합물처럼 보이지만 단백질이나 지방과 같이 비교적 큰 입자가 물에 퍼져 있으므로 용액이 아니다. 또 주스 중 인공 향을 넣어 만든 것은 뜨거나 가라앉는 물질이 없으므로 용액이고 과일을 생으로 갈거나 즙을 내어 만든 주스는 가만히 두었을 때 층이 분리되어 뜨거나 가라앉는 것이 생기므로 용액이 아니다.
6. 물질의 상태에 따른 용매와 용질
용액에는 설탕물이나 소금물과 같은 액체 상태만 있는 것이 아니라 고체 상태나 기체 상태도 있다. 예를 들어 한 가지 금속에 다른 금속이나 비금속을 섞어 만든 합금은 고체 상태의 용액이고, 질소와 산소 등 여러 가지 기체가 섞여 있는 공기는 기체 상태의 용액이다. 즉, 물질이 고르게 섞여 있는 혼합물이면 물질의 상태와 관계없이 모두 용액이다. 보통 용액에서 녹는 물질을 용질, 녹이는 물질을 용매라고 하는데 반드시 이렇게 구분하는 것은 아니다. 액체 상태와 고체 상태의 물질이 섞여 있는 용액이나 액체 상태와 기체 상태의 물질이 섞여 있는 용액의 경우에는 액체 상태의 물질을 용매, 고체나 기체 상태의 물질을 용질이라고 한다. 한편 액체 상태와 액체 상태의 물질이 섞여 있는 용액이나 기체 상태와 기체 상태의 물질이 섞여 있는 용액의 경우에는 양이 많은 물질을 용매, 양이 적은 물질을 용질이라고 한다.
7. 탄산칼슘
탄산칼슘은 진주, 산호, 조개껍데기, 달걀 껍데기를 이루는 주성분이다. 또 건축 재료인 시멘트의 중요한 원료가 되며, 식물의 생장을 위한 석회질 비료의 원료이기도 하다. 자연에서는 탄산칼슘이 퇴적되어 만들어진 석회암이나 탄산칼슘이 열과 압력에 의해 변성된 대리암의 형태로 발견된다.
8. 질량 보존 법칙
1774년 라부아지에는 화학 반응에서 반응 전 물질의 전체 질량과 반응 후 생성된 물질의 전체 질량은 같다는 질량 보존 법칙을 발표했다. 이러한 질량 보존 법칙이 성립하는 까닭은 화학 반응이 일어날 때 물질을 이루는 원자의 종류와 개수가 변하지 않기 때문이다. 예를 들면 메테인의 연소 반응에서 반응 전과 반응 후에 물질을 이루는 탄소 원자, 수소 원자, 산소 원자의 개수는 같다.
따라서 반응 전 물질인 (메테인 + 산소)의 질량과 반응 후 생성된 물질인 (이산화 탄소 + 물)의 질량은 같다. 질량 보존 법칙은 이러한 화학 변화가 일어날 때뿐만 아니라 용해, 상태 변화와 같은 물리 변화가 일어날 때도 성립한다.
9. 포화 용액, 불포화 용액, 과포화 용액
일정한 양의 용매에 녹일 수 있는 용질의 양에는 한계가 있다. 따라서 용질을 한계 이상으로 넣으면 녹지 않고 가라앉는데, 이러한 용액을 포화 용액이라고 한다. 포화 용액의 온도를 서서히 낮추거나 용매를 서서히 증발시키면 포화상태보다 용질이 더 많이 녹아 있을 수 있는데 이러한 용액을 과포화 용액이라고 한다. 과포화 용액은 매우 불안정하므로 약간의 자극을 주면 결정이 한꺼번에 석출되어 포화 용액이 된다. 또 포화 상태에 다다르지 않아 용질을 더 녹일 수 있는 상태의 용액을 불포화 용액이라고 한다.
용해도 곡선에서 용해도 곡선상의 점은 그 온도에서의 포화 용액을 나타내고, 용해도 곡선 아래쪽은 불포화 용액, 용해도 곡선 위쪽은 과포화 용액을 나타낸다.
10. 용해도에 영향을 미치는 요인
•용질 -용매 입자 사이의 상호 작용: 물질이 용해될 때 용질 입자는 용매 입자에 둘러싸여 용액 전체에 골고루 퍼지게 된다. 이때 용질 -용매 입자 사이의 인력이 용질 -용질 입자 사이의
인력과 용매-용매 입자 사이의 인력보다 크면 용질-용매 입자 사이에 새로운 상호 작용이 형성되어 용해가 잘 일어난다.
•온도: 일반적으로 고체 용질은 온도가 높아지면 용해도가 증가한다. 이는 온도가 높을수록 용매 입자와 용질 입자가 더 활발하게 운동해 용매 -용질 입자 사이의 상호 작용이 잘 형성되기 때문이다.
•압력: 고체 용질의 용해도는 압력의 영향을 거의 받지 않는다.
11. 일정한 양의 용매에 용해되는 용질의 양이 일정한 까닭
용매에 용질을 녹이면 용매-용질 입자 사이의 상호 작용으로 용매 입자가 용질 입자를 둘러싸 용해가 일어난다. 일정한 양의 용매에 들어 있는 용매 입자의 수는 일정하므로 용질을 많이 넣어도 용매-용질 입자 사이에 상호 작용이 일어나지 못해 일정량 이상의 용질은 용해되지 않는다.