용해도 평형

용해성 평형이란 고체 상태의 화학 화합물이 그 화합물의 용액과 화학 평형 상태에 있을 때 존재하는 동적 평형의 일종이다. 고체는 산이나 알칼리와 같은 용액의 다른 성분과의 화학적 반응이나 분해와 함께 변하지 않고 용해될 수 있다. 각 용해성 평형은 평형 상수와 같은 기능을 하는 온도에 따른 용해성 제품이 특징이다. 용해성은 제약, 환경 및 많은 다른 시나리오에서 중요하다.

정의들

용해성 평형은 고체 상태의 화학 화합물이 화합물을 포함하는 용액과 화학적 평형 상태에 있을 때 존재한다. 이러한 유형의 평형은 일부 개별 분자가 고체와 용액 단계 사이를 이동하여 용해와 강수의 비율이 서로 동일하다는 점에서 동적 평형의 한 예다. 평형이 성립되면 용액은 포화상태라고 한다. 포화 용액에서 용액의 농도는 용해성이라고 알려져 있다. 용해성 단위는 어금니(mol⁻³ dm)이거나 μg mL와⁻¹ 같이 단위 부피 당 질량으로 표현할 수 있다. 용해도는 온도에 따라 달라진다. 용해성보다 높은 농도의 용액을 함유한 용액은 과포화성이라고 한다. 과포화 용액은 용액의 작은 결정일 수 있는 "씨드" 또는 강수를 시작하는 작은 고형 입자를 추가하여 평형을 이루도록 유도될 수 있다.

용해성 평형성에는 크게 세 가지 유형이 있다.

1. 단순해산
2. 분리반응으로 해체. 이것은 염류의 특징이다. 평형 상수는 이 경우 용해성 제품으로 알려져 있다.
3. 이온화 반응으로 분해. 이는 다양한 pH의 수용성 매체에서 약한 산이나 약한 염기가 용해된 것이 특징이다.

각 경우에 평형 상수는 활동의 지수로 지정할 수 있다. 이 평형 상수는 활동이 무차원적인 수량이기 때문에 치수가 없다. 그러나 활동의 사용은 매우 불편하기 때문에 평형 상수는 대개 활동 계수의 몫으로 나누어 농도의 몫이 된다. 자세한 내용은 평형 화학#평형 상수를 참조하십시오. 더욱이 고체의 활동은 정의상 1과 같기 때문에 정의식에서는 생략된다.

화학 평형용

복합 AB에_pq 대한 용해성 제품 K는_sp 다음과 같이 정의된다. 여기서 [A]와 [B]는 포화용액에서 A와 B의 농도다. 용해성 제품은 공식적으로 K는_sp (농도)의 치수를 가지지만 평형 상수와 유사한 기능을 가진다.^p+q

조건의 영향

온도 효과

용해도는 온도 변화에 민감하다. 예를 들어, 설탕은 시원한 물보다 뜨거운 물에 더 잘 녹는다. 용해성 제품은 다른 종류의 평형 상수와 마찬가지로 온도의 함수이기 때문에 발생한다. 르 샤틸리에의 원칙에 따라 용해 과정이 내열성(열 흡수)일 때 용해도는 온도가 상승할수록 증가한다. 이 효과는 화학적 화합물을 정화하는데 사용될 수 있는 재분배 과정의 기초가 된다. 해산이 발열성(열이 방출되면) 용해성은 온도가 상승함에 따라 감소한다.^[1] 황산나트륨은 온도가 약 32.4℃ 이하일 때 용해도가 증가하지만 높은 온도에서는 용해도가 감소하는 것을 나타낸다.^[2] 고체상(Solid phase)이 데카하이드레이트(NaaS
_2
4·10)이기 때문이다.HO
₂) 전환 온도보다 낮지만 그 온도보다 다른 수화물.

이상적인 용액의 용해성 온도에 대한 의존성(저용해성 물질에 대해 달성됨)은 포화상태에서 용해성의 용해성_m 몰 분율과 ΔH 용해성의 엔탈피를 포함하는 다음 식에 의해 주어진다.

$여기$서 H${\displaystyle {\stackrel{}{\text{'}}i}_{}}$,${\displaystyle {\mathrm{q}}_{}}$ ${\$은 무한 희석 시 용액의 부분 어금니 엔탈피, ${\displaystyle {\mathrm{hi<img\; alt="\{\backslash displaystyle\; \{\backslash bar\; \{H\}\}\_\{i,\backslash mathrm\; \{aq\}\; \}\}"\; aria-hidden="true"\; class="mwe-math-fallback-image-inline"\; src="https://wikimedia.org/api/rest\_v1/media/math/render/svg/4b08301c7c837f02c4ad62bc61299a3773246d83"\; style="vertical-align:\; -1.005ex;\; width:5.022ex;\; height:3.176ex;"\; papago-attr-id="394">},}_{}}$ ${\displaystyle c_{}}$ ${\$ 순정의 몰당 엔탈피이다$$.^[3]

비전극에 대한 이 차등식은 온도 간격에 통합되어 다음을 제공할 수 있다.^[4]

비이상적 용액의 경우 온도에 대한 파생상품의 몰 분율 용해성 대신 포화 상태의 용해성 활동이 나타난다.

공통이온효과

공통이온 효과는 한 소금의 용해도를 감소시키는 효과인데, 이때 한 소금의 용해성을 공통으로 가지고 있는 다른 소금이 또한 존재하게 된다. 예를 들어 염화은의 용해성인 AgCl은 물에 있는 AgCl의 정지에 공통 이온의 원료인 염화나트륨을 첨가할 때 낮아진다.^[5]

공통 이온이 없는 경우의 용해성 S는 다음과 같이 계산할 수 있다. AgCl의 한 몰은 Ag의⁺ 한 몰과 Cl의⁻ 한 몰로 구분되기 때문에 [Ag⁺]와 [Cl⁻]의 농도가 같다. [Ag⁺](aq)의 농도를 x로 표시한다. AgCl의 K는_sp 25°C에서 1.77×10⁻¹⁰ mol² dm과⁻⁶ 같으므로 용해도는 1.33×10⁻⁵ mol dm이다⁻³.

염화나트륨도 0.01 mol dm의⁻³ 농도로 존재한다고 가정합시다. 나트륨 이온의 가능한 영향을 무시한 용해도는 이제 다음과 같이 계산된다.

이것은 x의 2차 방정식인데, 용해성과도 같다. 염화은 x의² 경우 0.01x보다 매우 작으므로 이 용어는 무시할 수 있다. 그러므로 1.33×10⁻⁵ mol dm에서⁻³ 상당한 감소 은에 대한 중력 분석에서는 공통 이온 효과에 의한 용해도의 감소를 이용하여 AgCl의 "완전" 강수를 보장한다.

입자 크기 효과

열역학적 용해성 상수는 큰 단결정체에 대해 정의된다. 용해도는 추가적인 표면 에너지 때문에 용해 입자(또는 방울)의 크기가 감소함에 따라 증가한다. 이 효과는 입자가 매우 작아지지 않는 한 일반적으로 1μm보다 작다. 용해성 상수에 대한 입자 크기의 영향은 다음과 같이 정량화할 수 있다.

물질을 용질 입자의 용질(m2/mol에), R이 꿈이기 때 문데 내의 나는 어금니 표면적은 용매에 어금니 표면적 0( 때 입자 크다 즉,)을 가꾸고, γ은 표면 장력으로 용질 입자의 어금니 표면 지역 A와 함께 있습니다 *KA은 용해도 상수, *KA→0은 용해도 상수반대가스 상수, 그리고 T는 절대 온도 입니다.^[6]

소금 효과

염분^[7] 효과(염분 및 염분)는 용액과 공통적으로 이온이 없는 소금의 존재가 용액의 이온 강도와 그에 따른 활성 계수에 영향을 미쳐서 농도 인수로 표현되는 평형 상수가 변화한다는 사실을 말한다.

위상효과

평형성은 특정 결정 단계에 대해 정의된다. 따라서 용해성 제품은 고체의 위상에 따라 차이가 있을 것으로 예상된다. 예를 들어 아라곤이트와 캘카이트는 화학적 정체성(탄산칼슘)이 모두 동일하지만 용해성 제품이 다를 것이다. 어떤 주어진 조건 하에서 한 위상은 다른 위상보다 열역학적으로 더 안정적일 것이다. 따라서, 이 위상은 열역학적 평형이 확립될 때 형성될 것이다. 그러나 운동 인자는 불리한 침전물(예: 아라곤이트) 형성을 선호할 수 있으며, 이는 측정 가능한 상태라고 한다.

약리학에서 측정 가능한 상태를 비정형 상태라고도 한다. 아모르퍼스 약물은 결정 격자에 내재된 원거리 상호작용이 없기 때문에 결정체보다 용해도가 높다. 따라서, 분자들을 비정형 상태에서 용해시키는 데 에너지가 덜 든다. 용해성에 대한 무정형의 국면의 영향은 약물을 더 잘 용해시키기 위해 널리 사용된다.^[8][9]

압력 효과

응축된 단계(용액과 액체)의 경우 용해성의 압력 의존성이 일반적으로 약하고 일반적으로는 실무에서 소홀히 한다. 이상적인 해결책을 가정하면 의존성은 다음과 같이 수량화할 수 있다.

여기서 $x{\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle i_{}}$ ${\$는 용액 내 $i{\displaystyle }$ ${\displaystyle$i} -th$$ 성분 몰 분율이고, $P{\displaystyle }$ ${\displaystyle P}$은(는) $압력$이고$,$ T {\$displaystystyle T}$은(는) 절대 온도, $V{\displaystyle {\stackrel{}{}}_{}}$ ${\displaystyle i_{}}$는 $,$ ${\displaystystystystyle {{$V}_{$v}_{$v}_${aq}}}}}}}}}}}}$은 i 볼륨의 부분 어금.${\displaystyle {용액}_{}}$의 ${\displaystyle i}$ 성분$$, $V{\displaystyle {}_{}}$ i${\displaystyle {}_{}}$, ${\displaystyle {\text{cr}}_{}}$ ${\$는 용해 고형분의 $i{\displaystyle }$ ${\displaystyle i}$ 성분$$ 부분 어금니 볼륨이며$$, $R{\displaystyle }$ ${\displaysty R}$은 범용 가스 상수이다.^[10]

용해성의 압력 의존성은 때때로 실질적인 의미를 갖는다. 예를 들어 황산칼슘(압력 감소로 용해도가 감소함)에 의해 유전과 우물의 강수가 오염되면 시간이 지날수록 생산성이 저하될 수 있다.

양적 측면

단순해산

유기 고체의 용해는 고체와 용해된 형태의 물질 사이의 평형이라고 설명할 수 있다. 예를 들어 수크로스(테이블 설탕)가 포화 용액을 형성하는 경우

이 반응에 대한 평형 표현은 화학 반응(과다반응제)에 대해 다음과 같이 쓸 수 있다. 여기서 K는^o 열역학적 용해성 상수라고 불린다. 교정기는 활동을 나타낸다. 순수한 고체의 활동은 정의상 통일이다. 그러므로 용액 내 물질 A의 활성도는 농도의 산물인 [A]와 활성 계수인 γ으로 표현할 수 있다. K를^o γ으로 나누면 용해성 상수 K_s, 얻어지다 이는 활동 계수가 1과 같도록 표준 상태를 포화 용액으로 정의하는 것과 같다. 용해도 상수는 활동 계수가 존재할 수 있는 다른 용액의 존재에 의해 영향을 받지 않는 경우에만 참 상수다. 용해성 상수의 단위는 용해성 농도의 단위와 동일하다. sucroseK = 1.971 mol dm^-3 (25°C)의 경우. 이는 25 °C에서 자크로스의 용해도가 거의 2 mol dm⁻³(540 g/l)임을 보여준다. 수크로스는 대부분의 다른 탄수화물과 마찬가지로 고농도에서 쉽게 과포화 용액을 형성하지 않는다는 점에서 특이하다.

분열을 동반한

이온화합물은 보통 물에 녹으면 구성 이온으로 분리된다. 예를 들어, 염화은의 경우:

이 반응에 대한 평형 상수에 대한 표현은 다음과 같다. 여기서 $⊖{\$는 열역학적 평형 상수이며 교정기는 활동을 나타낸다. 순고체의 활동은 정의상 1과 같다.

소금의 용해도가 매우 낮을 때 용액 내 이온의 활성 계수는 거의 1과 같다. 이 식을 실제로 하나의 식과 같게 설정하면 용해성 제품 식이 감소한다.

CaSO₄, FePO와₄ 같은 2:2 및 3:3 염류의 경우 용해성 제품의 일반적인 표현은 1:1 전해질과 동일하다.

${\displaystyle K_{}}$ ${\displaystyle s_{}}$ ${\displaystyle p_{}}$=${\displaystyle }$[ ${\displaystyle \mathrm{A}}$ ${\displaystyle ]}$[ ${\displaystyle \mathrm{B}}$ ${\displaystyle ]}$=${\displaystyle }$[ ${\displaystyle \mathrm{A}}$ ${\displaystyle {}^{}}$ 2${\displaystyle {}^{}}$=${\displaystyle }$[${\displaystyle \mathrm{B}}$ ${\displaystyle {}^{}}$ ${\displaystyle {2\mathrm{}}^{}}$ ${\$}} $=\mathrm {[B]^{2}}}}}}($일반 표현에서는 전기요금이 생략되어 표기법이 단순화됨)

Ca(OH)₂와 같은 비대칭 소금으로 용해성 표현은 다음과 같다.

수산화물 이온의 농도가 칼슘 이온의 ${\displaystyle \mathrm{2배}}$ 농도가므로 ${\displaystyle {Ks\mathrm{}}_{}}$ ${\displaystyle {\mathrm{p}}_{}}$= 4${\displaystyle }$[ ${\displaystyle \mathrm{C}}$ ${\displaystyle \mathrm{a}{}^{}}$] ${\displaystyle {3\mathrm{}}^{}}$ ${\$

일반적으로 화학적 평형상태로

그리고 화합물의 용해성과 용해성 제품의 가치 사이의 관계를 보여주는 다음 표를 도출할 수 있다.^[11]

소금	p	q	용해성, S
애그클 Ca(SO4) Fe(PO4)	1	1	√Ksp
Na2(SO4) Ca(OH)2	2 1	1 2	${\displaystyle {\sqrt[{3}]{K_{{\ce{sp}}}\\}\ce 4} 이상}$
Na3(PO4) FeCl3	3 1	1 3	${\displaystyle {\sqrt[{4}]{K_{{\ce {sp}}} \ 27}}}$
알2(SO4)3 Ca3(PO4)2	2 3	3 2	${\displaystyle {\sqrt [{5}]{K_{{\ce {sp}} \108}}}$
Mp(An)q	p	q	${\displaystyle {\sqrt[{p+q}]{K_{{\ce{sp}}} \over p^{p}q^{q}}}}}}}}}}$

용해성 제품은 로그 형태로 표현되는 경우가 많다. 따라서 황산칼슘의 경우 K_sp = 4.93×10⁻⁵, 로그_sp K = -4.32. 값이 작거나 로그 값이 음수일수록 용해도가 낮다.

어떤 소금들은 용액에서 완전히 분리되지 않는다. 예를 들면 만프레드 아이겐이 내구복합체와 외구복합체로서 바닷물에 존재하는 것으로 유명한 MgSO를₄ 들 수 있다.^[12] 그러한 염류의 용해도는 반응으로 용해에서 설명한 방법에 의해 계산된다.

수산화물

금속 이온의 수산화물에 대한 용해성 제품인 M은ⁿ⁺ 일반적으로 다음과 같이 정의된다.

그러나 범용 컴퓨터 프로그램은 대체 정의와 함께 수소 이온 농도를 사용하도록 설계되었다.

수산화물의 경우 용해성 제품이 수산화물 이온 농도 대신 수소 이온 농도를 사용하여 변형된 형태인 K*_sp로 제공되는 경우가 많다. 두 값은 물에 대한 자기 이온화 상수 K에_w 의해 연관된다.^[13]

예를 들어 주변 온도에서 수산화칼슘 Ca(OH)₂의 경우 lg K는_sp ca이다. -5와 lg K*_sp ≈ -5 + 2 × 14 ≈ 23.

반작용을 이용한 해체

해체에 대한 전형적인 반응은 산성의 수용액에서 용해되는 약한 염기 B를 포함한다.

이런 반응은 제약제품에 있어서 매우 중요하다.^[14] 알칼리성 매체에 있는 약한 산의 용해는 유사하게 중요하다. 충전되지 않은 분자는 보통 이온성보다 용해도가 낮기 때문에 용해도는 용해성의 pH와 산분해 상수에 따라 달라진다. "내성 용해성"이라는 용어는 산성이나 알칼리가 없는 상태에서 비이온화된 형태의 용해성을 설명하기 위해 사용된다.

산성비에 의한 암석 및 토양에서 알루미늄 염분의 침출은 반응과 함께 용해되는 또 다른 사례로, 알루미노 규산염은 알³⁺(aq)과 같은 수용성 종을 형성하기 위해 산과 반응하는 염기들이다.

화학 단지의 형성은 용해성을 변화시킬 수도 있다. 잘 알려진 예로는 염화은의 중단에 암모니아를 농축한 용액을 첨가한 것이 있는데, 이 용액은 암미네 콤플렉스 형성에 의해 해체가 유리하다.

염화은의 정지에 충분한 암모니아를 첨가하면 고체는 용해된다. 비누 찌꺼기 형성을 억제하기 위해 세숫가루에 물 연화제를 첨가하는 것은 실용적인 중요성의 예를 제공한다.

실험결정

용해성의 결심에는 어려움이 따른다.^[6] 첫째로, 가장 중요한 것은 시스템이 선택된 온도에서 평형 상태에 있다는 것을 규명하는 어려움이다. 강수 반응과 해산 반응 모두 극도로 느려질 수 있기 때문이다. 만약 그 과정이 매우 느리면 용매 증발이 문제가 될 수 있다. 과잉생성이 일어날 수 있다. 매우 불용성인 물질로 용액의 농도는 매우 낮고 측정하기 어렵다. 사용된 방법은 크게 정적인 방법과 동적인 두 가지 범주로 나뉜다.

정적 방법

정적 방법에서는 혼합물이 평형을 이루며 용해 단계에서 종의 농도는 화학적 분석에 의해 결정된다. 이것은 보통 고체와 용액 단계를 분리해야 한다. 이를 위해 온도 조절기 실내에서 등가교정과 분리를 수행해야 한다.^[15] 고형상에 방사능 추적기가 통합되면 매우 낮은 농도를 측정할 수 있다.

정적 방법의 변화는 수성 완충 혼합물에 황산화디메틸과 같은 비수성 용매에 물질의 용액을 첨가하는 것이다.^[16] 흐린 혼합물을 주는 즉시 강수가 발생할 수 있다. 그러한 혼합물에 대해 측정한 용해도를 "유전자 용해성"이라고 한다. 구름은 침전된 입자들이 매우 작아서 틴달은 산란하기 때문이다. 사실 입자는 너무 작아서 입자 크기 효과가 나타나고 운동 용해도는 평형 용해성보다 더 큰 경우가 많다. 시간이 지남에 따라 구름은 결정체의 크기가 증가함에 따라 사라질 것이고, 결국 노화를 촉진시키는 것으로 알려진 과정에서 평형에 도달할 것이다.^[17]

동적 방법

약제 관심의 유기산, 염기, 원형체의 용해성 값은 "차징 평형 용해성"^[18]이라고 불리는 과정을 통해 얻을 수 있다. 이 절차에서 물질은 우선 이온화 형태로 주로 존재하는 pH에서 용해된 후 pH를 변화시켜 중성(비이온화)종의 침전물이 형성된다. 이후 강수나 해산에 의한 pH의 변화율을 감시하고 강산과 염기적정제를 첨가하여 두 비율이 동일할 때 평형상태를 발견하도록 pH를 조정한다. 이 방법은 침전물이 형성되는 양이 상당히 적어 상대적으로 속도가 빠르다는 장점이 있다. 그러나 방법의 성능은 과포화 용액의 형성에 의해 영향을 받을 수 있다.

참고 항목

• 용해도 표: 0~100°C의 온도에서 대부분 무기염의 용해도 표.
• 용제 모델

참조

외부 링크

• Housecroft, C. E.; Sharpe, A. G. (2008). Inorganic Chemistry (3rd ed.). Prentice Hall. ISBN 978-0-13-175553-6. 제6.9절: 이온염의 용해성. 해산의 열역학에 대한 논의를 포함한다.
• IUPAC-NIST 용해성 데이터베이스
• 단순 무기 화합물의 용해성 제품
• 포화선 및 용해도를 따른 용매 활성도
• 용해성 도전: 100개의 분자로 구성된 데이터 베이스에서 용해도를 예측하십시오. 대부분 제약 관련 화합물로 이루어진 데이터베이스는 용해도가 있는 100개의 분자(텍스트 파일, 탭 구분)에서 이용할 수 있다.

계산을 위해 많은 컴퓨터 프로그램을 이용할 수 있다. 여기에는 다음이 포함된다.

• CHEMEQL: 동종 및 이종 시스템 내 종의 열역학적 평형 농도를 계산하기 위한 종합적인 컴퓨터 프로그램. 많은 지질 화학적 응용.
• JES: 양성화, 복합형성, redox, 용해성, 흡착 상호작용을 포함한 모든 종류의 화학적 평형성을 모델링할 수 있다. 광범위한 데이터베이스 포함.
• MINQL+: 수용성 시스템을 위한 화학 평형 모델링 시스템. 광범위한 pH, redox, 용해성 및 흡착 시나리오를 처리한다.
• PHREEQC: USGS 소프트웨어는 한 차원에서의 반응형 운송을 포함하여 다양한 저온 수성 지질화학 계산을 수행하도록 설계되었다.
• MINTEQ: 자연수에 대한 금속 명분, 용해성 평형도 등의 계산을 위한 화학 평형 모델.
• WinSGW: SOLGASWATER 컴퓨터 프로그램의 Windows 버전.