혼합물의 분류와 분리하는 기술

대부분의 물질은 순수한 원소나 순수한 화학 물질인 순물질로 되어 있지 않고, 순물질들의 혼합물로 되어있습니다. (순물질에 대해서는 지난번 올린 설명을 참고해주세요. https://noah-harari.tistory.com/4) 예를 들어 공기는 질소, 산소, 이산화탄소 등의 여러 가지 기체의 혼합물이고, 염 그리고 미네랄 등이 섞여 있는 바닷물도 대표적입니다. 음식에 활용되는 소스도 여러 성분이 배합된 혼합물입니다. 혼합물에 대해서 자세히 알아보도록 하겠습니다.

 

혼합물의 분류

화합물은 일정한 조성을 가지고 있지만 혼합물은 어떤 조성이든 가질 수 있습니다. 가령 물 분자는 두 개의 수소 원자와 한 개의 산소 원자가 항상 들어있지만, 소금과 물은 어떤 비율로도 혼합할 수 있습니다. 혼합물의 구성 성분은 각각의 고유한 성질을 유지한 상태로 단지 서로 섞여 있는 것이지만, 화합물은 고유한 성질을 잃고 다른 화학적인 성질을 지닙니다. 또한 혼합물의 생성은 물리적 변화이지만 화합물의 생성은 화학적 변화입니다. 혼합물과 화합물의 차이를 아래의 표로 정리하였습니다.  

 

혼합물은 크게 불균일 혼합물과 균일 혼합물로 나눌 수 있습니다. 

불균일 혼합물은 현미경이나 눈으로 알아볼 수 있을 정도로 조성 입자들이 큽니다. 대표적으로 암석들은 여러 가지 광물 결정들을 그대로 가지고 있는 불균일 혼합물들입니다. 우유도 사실 작은 유지방 방울이 떠다니고 있기 때문에 불균일 혼합물입니다. 

균일 혼합물은 구성 성분의 분자 또는 이온들이 잘 섞여 있어서 시료의 크기에 상관없이 조성이 일정합니다. 소금물의 경우 물 분자들 사이에 있는 소듐 이온과 염화 이온으로 완전히 퍼져있기 때문에 입자를 발견할 수 없습니다. (물론 포화상태를 넘으면 결정들이 보입니다) 또한 공기는 질소, 산소, 아르곤을 포함하는 여러 기체의 균일 혼합물입니다. 현미경을 사용하더라도 순수한 물질과 균일 혼합물을 구별하지 못합니다. 

 

용액, 용매와 용질

균일 혼합물은 용액이라고도 합니다. 우리 일상에서 용액인 물질들을 쉽게 발견할 수 있습니다. 소금물, 설탕물 등 모두 용액이라고 볼 수 있습니다. 물과 같이 용액의 성분 중에 과량으로 존재하는 물질을 용매라고 하며, 녹아 있는 물질을 용질이라고 합니다. 용매에 따라 용액의 물리적 상태(고체, 액체, 기체)가 결정됩니다. 

 

결정화란 용매가 증발 등의 이유로 용질이 용액으로부터 천천히 결정으로 석출되는 과정을 말합니다. 염전에서 바닷물을 증발시켜 소금을 채취하는 경우가 대표적인 예시입니다. 반면 침전은 용액으로부터 용질이 석출이 단시간에 이루어져 결정을 형성할 시간이 부족하여 침전물이라는 미세한 분말을 형성합니다. 

용매를 물인 경우 수용액이라고 부릅니다. 반대로 용매가 물이 아닌 용액을 비수용액이라고 부릅니다. 비수용액은 수용액보다는 흔하지 않지만 쉬운 예로 사염화에텐과 같은 액체 용매를 이용하여 직물에 묻은 기름때와 먼지를 세탁하는 드라이클리닝이 있습니다. 용매가 고체인 경우 고체 용액이라고 합니다. 기체 용액은 일반적으로 기체 혼합물이라고 부르며, 공기는 주성분인 질소에 여러 물질이 녹아 있는 거대한 기체 용액이라고 할 수 있습니다. 

혼합물의 분리 기술

우리가 즐겨 찾는 비타민이나 효소와 같은 천연물질은 대부분 혼합물에서 추출하는 물질입니다. 이러한 물질들을 추출하기 위해서는 물리적 방법으로 그 성분을 분리하여야 합니다. 물리적인 방법으로는 일반적으로 따라내기, 여과, 크로마토그래피, 증류의 방법이 있습니다.  

 

따라내기는 밀도의 차이를 이용한 분리 기술입니다. 한 종류의 액체가 다른 종류의 액체 위나 고체 위에 떠 있는 경우 위에 있는 용액을 부어서 옮기는 방법입니다. 여과는 용해도(용매에 녹을 수 있는 능력)의 차이를 이용한 분리 기술입니다. 흔히 정수기에 여과 기능을 많이 사용하는데, 여과지를 이용하여 여러 물질들을 걸러낸 수돗물을 마시고 있습니다. 크로마토그래피는 혼합물을 분리하는 기술 중에서 가장 민감한 방법으로 물질들이 표면에 흡착하는 능력의 차이를 이용합니다. 증류는 끓는점의 차이를 이용하여 혼합물을 분리하는 기술입니다. 용액을 증류하여 혼합물 내의 구성 성분들이 각기 다른 온도에서 끓어 기화한 후 응축기안에서 응축됩니다.

 

여기까지 혼합물에 대해 정리해보았습니다.