고체를 액체에 녹이기
고체가 물에 녹으면 물속으로 사라져 버립니다. 이러한 현상은 왜 일어나는 것인지 여러가지 예를 들어 알아보도록 하겠습니다.
각설탕을 물에 넣으면 먼저 기포가 올라옵니다. 이것은 설탕이 녹는 반응에 의해 생기는 것이 아니라 각설탕 사이에 이미 들어있던 공기 방울이 나온 것입니다. 조금 후에 각설탕 주위에는 아지랑이가 만들어지는데, 이것은 설탕이 녹은 부분이 주변보다 농도가 높아져 그곳을 지나가는 빛이 굴절하기 때문입니다. 하지만 설탕이 골고루 녹아서 용액 각 부분의 농도가 같게 되면 이런 현상이 나타나지 않습니다. 설탕이 물에 녹는 원리는 설탕 분자의 구조 중 물과 잘 결합할 수 있는 부분에 물이 결합하여 설탕분자를 둘러싸 잘게 부수는 것입니다. 이렇게 설탕 덩어리가 물 분자에 의해 잘게 쪼개지면 우리 눈에 보이지 않게 됩니다. 설탕물 같은 용액은 녹는 물질인 설탕과 녹이는 물질인 물로 나뉘는데, 여기서 녹는 물질인 설탕을 용질이라하고, 녹이는 물질인 물을 용매라고 합니다.
소금이 물에 녹으면 소금을 이루는 작은 알갱이들이 물 분자에 둘러싸에 보이지 않게 됩니다. 그러나 소금물을 가열하면 소금 알갱이를 둘러싼 물 분자가 증발하여 눈에 보이지 않던 소금만 남습니다. 이때 소금물을 천천히 증발시키면 알갱이들이 규칙적으로 배열하여 결정이 커지지만, 빨리 증발시키면 소금 알갱이들이 규칙적으로 배열할 시간이 없어 가루처럼 나타납니다.
어떠한 물질이 더 이상 녹을 수 없는 상태를 포화되었다라고 합니다. 이것은 물질마다 일정한 온도에서 녹을 수 있는 양이 정해져 있기 때문입니다. 만일 정해진 양보다 더 많은 양의 물질을 넣으면 더 이상 녹지 못하고 용액 속에 남아 있게 됩니다. 남은 물질을 걸러내고 나온 용액이 포화 용액입니다. 바닷물을 막아 증발시켜 소금을 생산하는 것을 천일제염법이라고 합니다. 주로 기온이 높고 건조하여 증발량이 많은 기후 조건을 가진 곳에 발달합니다. 이것은 태양열에 의하여 물이 증발하면 바닷물은 포화 용액이 되고, 물이 계속 증발하면 바닷물 속의 소금이 석출되어 나오는 것입니다.
소금은 물에 빨리 녹지만 설탕은 천천히 녹습니다. 그리고 흔히 소금이 물에 더 많이 녹는다고 생각하기 쉽습니다. 그렇다면 정말 소금은 설탕보다 더 많이 녹는 것일까요? 여기서 분명히 알아 두어야 할 것은 잘 녹는가와 얼마나 많이 녹는가가 다르다는 사실입니다. 즉 빨리 녹는다고 해서 많이 녹을 수 있는 것은 아닙니다. 어떤 물질이 일정한 온도에서 물 100g에 녹을 수 있는 양은 물질마다 정해져 있는데, 그것을 그 물질의 용해도라고 합니다. 이것은 물질마다 다르기 때문에 물질의 특성이 됩니다. 즉 소금과 설탕이 일정한 온도에서 물에 녹을 수 있는 양은 정해져 있는데, 설탕이 소금보다 용해도가 높아 훨씬 많이 녹습니다.
포화 소금물에 물을 넣으면 소금을 더 녹일 수 있습니다. 그런데 에탄올을 넣어 주면 어떻게 될까요? 소금은 알코올에 잘 녹지 않아 용해도가 떨어집니다. 더구나 소금물에 들어온 에탄올은 물과 잘 결합하기 때문에 소금 알갱이를 둘러싸고 있던 물 분자들이 소금과 떠러져 에탄올과 결합하게 됩니다. 따라서 소금이 뿌옇게 석출됩니다.
수용액에 무기염류를 많이 첨가하여 용액에 녹아 있는 물질을 석출시키는 것이 염석입니다. 예를 들어 비눗물에 많은 양의 소금을 첨가하면 비누가 석출되고, 단백질 수용액에 황산암모늄을 첨가하면 단백질이 침전됩니다. 콩을 갈아서 만든 용액에 간수를 넣어 두부를 만드는 것도 염석을 이용한 방법입니다.
대부분의 물질은 온도가 올라가면 용해도가 증가하는데, 그 증가하는 정도는 물질마다 다릅니다. 질산칼륨의 용해도는 온도에 따라 크게 다른데, 온도가 올라갈수록 녹는 양이 급격히 증가합니다. 하지만 소금의 용해도는 온도에 따라 크게 달라지지 않기 때문에 온도를 높여 도 녹는 양에는 크게 변화가 없습니다. 이러한 용해도의 차이를 이용하면 질산칼륨과 소금이 섞여 있는 용액에서 질산칼륨을 분리할 수 있습니다. 높은 온도의 물에 질산칼륨과 소금을 녹인 후 온도를 낮추면 온도에 따른 용해도 차이가 거의 없는 소금은 그대로 있고 질산칼륨만 석출되어 나오기 때문입니다.