수용액의 성질 : 센전해질과 약전해질

용액이란 뭘까? 용액은 다양한 물질들이 균일하게 혼합되어 있는 균일 혼합물이다. 다시 말해서 용액의 전체가 동일하다. 예를 들면 음료수를 마실 때 첫 한 모금의 맛이 나 마지막 모금의 맛이 나 똑같다는 것이다. 여기에서 용해된 물질의 양이 달라질 시 용액의 구성은 변화하기 위해 시작한다. 이번 글에서는 용질, 즉 어떠한 물질이 용매에 녹을 때 일어나는 현상을 살펴볼 것이다. 용액의 특성을 나타내는 것 중 하나가 바로 전기전도도라는 것이다. 전기 전도도란 용어를 보았을 때 바로 알 수 있듯이 전기가 얼마나 통하는지를 나타내는 지표 중 하나이다. 예를 들기 위해서 비커 안에 어떤 용액을 넣어놓고 그 비커에 전구를 연결한다고 해보자. 만일 용기 속의 용액이 전기가 통한다면 전구에서 빛이 날 것이다. 주로 알고 있는 상식으로 순수한 물은 전기가 통하지 않아 불이 들어오지 않지만 전류가 흐르기에 문제없이 전구에 빛이 나게 할 수 있다. 보통 이렇게 불이 잘 들어오게 만드는 경우는 용액에 센 전해질이 들어있다. 이와는 별개로 어떤 용액에 전류가 흐르기는 하지만 그 세기가 약한 경우에는 보통 용액에 약전해질이 들어있다. 이러한 경우 전류의 세기가 약하기에 전구의 빛이 이와 비례해 희미해지게 된다. 이러한 경우들이 있으면 전류가 전혀 통하지 않는 용액도 존재할 것이다. 이러한 용액의 경우는 비전해질이 들어있다. 



용액의 전도성에 관한 기본적인 지식은 1880년대 초 스웨덴 대학에서의 용액에 관한 연구를 진행하던 물리학과 대학원생 그 유명한 아레니우스가 처음으로 밝혀내었다. 아레니우스는 용액의 전도도가 그 용액 안에 존재하는 이온 때문이라고 가정하였다. 이러한 그의 생각은 다른 과학자들에게 여러 비웃음을 사게 되었다. 하지만 1890년대 후반에 원자에는 전자를 띄고 있는 전하가 존재한다는 사실이 널리 퍼지면서 아레니우스의 이온 설은 바로 인정받게 되며 널리 퍼지게 되었다. 당시 아레니우스가 가정한 가설을 설명해 보자면, 용액에서 전류가 흐르는 정도는 존재하는 이온의 수에 비례한다는 말이 중심이다. 실제 존재하는 물질들을 예시로 설명을 해보자면 염화 소듐의 경우 수용액에서 이온을 쉽게 만들어내 센 전해질이 들어있다고 보고, 아세트산의 경우는 염화 소듐의 경우를 비교해 보았을 때 상대적으로 이온이 적게 생성됨을 보고 이를 약전해질, 설탕과 같은 물질이 물에 녹을 때에는 이온이 거의 만들어지지 않기 때문에 이를 비전해질이라 부르게 되었다.



센 전해질에 관해 좀 더 자세히 설명해 보겠다. 센 전해질은 위에서 여러 번 말했듯이 물에 녹였을 때 완전히 이온으로 분리되는 물질들이다. 여기서는 좀 더 세분화시켜 물에 녹는 염, 센 염기, 생산 등으로 구분해 설명하도록 하겠다. 염은 양이온과 음이온의 배열로 이루어져 있다. 염이 녹을 때에는 이들이 분리되면서 수화된다. NaCl의 예를 들어보면 물에 녹을 시 용액 내에 수화된 Na+ 와 Cl-이온을 생성시킨다. 이 경우 NaCl의 분자는 존재하지 않게 되고 이온들만이 존재하기 때문에 NaCl은 센 전해질이다. 이들 수용액은 보통 설명 시에 그림에는 간단한 설명을 위해 몇 개 그리지 않지만 실제로는 몇백만개의 물 분자가 포함되어 있음을 인지해야 한다. 아레니우스는 여러 위대한 발견을 많이 했지만, 그중에서도 중요한 건 산의 성질이다. 산성에서의 사(acid)는 라틴어로 '시다'는 의미의 acids로부터 유래되었다고 한다. 산은 아레니우스 이전에도 이미 수백 년 전부터 알려져 있다고 나와 있으나 아무도 산의 성질을 인식하지 못하고 이를 발견하지도 못했다. 아레니우스는 몇몇 물질들이 물에 녹을 때 센 전해질의 성질처럼 활동을 알아냈다. 이러한 물질들은 주로 이온화 과정을 거칠 시에 H+이온을 만들어내는 물질이기에 아레니우스는 산의 성질을 물질이 물에 녹았을 때 H+이온을 만들어내는 물질이라고 제안하였다. 오늘날의 연구 결과에 따르면 물의 극성이 용액에서 산이 특정 이온을 생성하는 데 중요한 역할을 하고 있다는 것을 알고 있다. 전도도 연구 결과에 의하면 염산, 황산, 질산 등은 물에 녹으면 사실상 모던분자가 이온화되기 때문에 이러한 물질들은 센 전해질이라고 부르고, 따라서 센 산이라고 부른다. 생산은 완전히 녹아 이온을 만들어내는 산이다. 따라서 생산의 경우에는 물에 녹였을 때 그 물질의 분자가 존재하지 않는다. 다른 중요한 센 전해질로 센 염기가 있다. 센 염기는 수산화 이온(OH-)을 가지고 있으며, 물에 녹을 때 양이온과 OH-이온이 분리되어 독립적으로 행동하게 된다. 염기가 함유된 용액은 쓴맛을 가지며 미끈미끈한 촉감을 느낄 수 있다. 가장 흔히 쓰이는 염기성 용액은 수산화포타슘 등이 있다.



약전해질이란 물에서 일부만 이온화하는 물질이다. 이들은 물에 녹을 때 센 전해질에 비해 적은 양의 이온을 만들어낸다. 이러한 약전해질은 크게 보면 약산과 약염기로 나눌 수 있다. 식초는 주로 무엇으로 이루어져 있을까? 식초의 대부분은 아세트산이 구성하고 있다. 아세트산은 수용액에서 약 1%의 분자들만 해리된다는 점에서 센 산과는 전혀 다른 점을 가지고 있다. 따라서 이러한 점을 가지고 있는 약전해질을 우리가 약산이라고 부른다. 가장 일반적인 약산은 암모니아가 있다. 암모니아가 물에 녹게 되면 OH-이온이 생기게 되고 암모니아는 약염기인 것을 알 수 있다. 따라서 물에 녹인다고 해도 대부분의 분자는 남아있고 일부분만이 반응해서 이온으로 남아있을 것이다. 비전해질은 물에 녹아서 이온을 생성하지 않는 물질이라고 보면 된다. 예를 들면 에탄올이 있는데, 에탄올 같은 경우 분자가 물에 분산되기만 할 뿐 분자가 이온으로 바뀌는 이온화 과정은 일어나지 않는다.