화합물과 혼합물 / 혼합물의 분리방법

화합물이란?

화합물(compound)는 화학적으로 결합한 둘 또는 그 이상의 다른 원소로 구성되어 있는 물질입니다. 화합물에 들어 있는 원소는 서로 섞여 있는 것이 아니며, 원자들이 화학 반응으로 서로 결합하고 있습니다.

 

화합물의 특징은

1) 원소들이 일정한 질량비로 존재

2) 화합물의 성질이 각 구성원소의 성질들과 다르다는 것입니다.

 

1)에 대한 예시로 암모니아(NH₃) 분자를 살펴보면, 원자량이 14인 질소(N) 1개와 원자량이 1인 수소(H) 3개로 구성되어 있어 질량비로 표현하면 14:3 있으며, 항상 이 질량비를 유지하고 있습니다.

 

2)에 대한 예시로는 염화나트륨(NaCl) 분자를 살펴볼 수 있습니다. 아래의 표와 같이 나트륨(Na), 염소(Cl)의 성질과 이를 통해 생성되는 화합물인 염화나트륨(NaCl)의 성질은 각각 차이를 보입니다.

구분	나트륨(Na)	염소(Cl)	염화나트륨(NaCl)
녹는점	약 98℃	약 - 101 ℃	약 801 ℃
끓는점	약 881 ℃	약 - 34 ℃	약 1413 ℃
상온에서의 상태	고체	기체	고체
색	은색	연두색	무색(흰색)
밀도	약 0.97g/㎤	약 0.0032g/ ㎤	약 2.16g/ ㎤
물속에서의 성질	반응	약간 녹음	자유롭게 녹음

혼합물이란?

혼합물(mixture)은 물리적으로 둘 또는 그 이상의 순물질(원소 또는 화합물)이 섞여 있는 물질을 말합니다.

이는 물리적 변화(여과, 결정화, 증류, 크로마토그래피 등 활용)를 통해 각각의 순물질로 분리하고 성분을 정제할 수 있습니다.

 

화합물과 달리 혼합물은 순물질이 아니기 때문에

1) 혼합물의 조성은 질량비가 다양하며

2) 구성성분의 성질을 보존하고 있습니다.

 

예를들어 화합물인  염화나트륨(NaCl)과 물의 혼합물인 바다의 일반적인 염화나트륨 농도는 평균 3.5%이지만, 중동에 위치하고 있는 사해의 소금 농도는 30%를 넘습니다. 또한 바닷물은 물의 특징인 무색과 염화나트륨의 특징인 짠 맛을 그대로 유지하고 있습니다.

불균일 혼합물과 균일 혼합물

불균일 혼합물(heterogeneous mixture)은 성분들 사이에 하나 또는 그 이상의 눈에 보이는 경계선을 가지고 있습니다. 이에 조성이 균일하지 않고 부분에 따라 달라지는 특징을 보입니다. 그 예로 바위는 불균일해서 각 조각들이 서로 다른 광물질을 가지게 됩니다. 이는 주로 육안으로도 확인 가능하나 우유, 혈액(피)와 같이 육안으로는 경계선을 확인하기 어려운 물질도 있습니다.

 

균일 혼합물(homogeneous mixture)은 성분이 원자, 이온 또는 분자이기 때문에 눈에 보이는(가시적인) 경계선을 가지고 있지 않습니다. 이에 부분에 상관없이 조성이 균일한 특징을 보입니다. 그 예로 설탕물은 설탕 분자와 물 분자가 분자 수준에서 서로 균등하게 섞여 있어 균일합니다. 이는 육안으로 확인이 불가능합니다.

혼합물의 분리방법

혼합물은 앞서 언급한 것 처럼 여과, 결정화, 증류, 크로마토그래피 등을 통한 물리적 변화에 의해 각각의 물질로 분리할 수 있습니다.

 

여과(filtration)는 입자 크기 차이를 이용하여 고체를 액체에서 분리할 때 사용하며, 수돗물을 정제할 때 이용하는 방법입니다. 간단한 예시로 액체를 여과지의 작은 구멍을 통해 흘러내리면, 고체는 여과지에 남고 액체는 여과지를 통과하게 됩니다. 

 

결정화(crystallization)은 용해도 차이를 이용하여 물질을 분리하는 방법으로, 용해도는 온도에 따라 달라지기 때문에(주로 온도 상승 시 용해도 증가), 불균일한 고체를 높은 온도의 용매에 녹인 후 용액을 냉각 시키면 용해도 차이에 따라 정제된 화합물이 결정화 됩니다.

 

증류(distillation)는 휘발성(volatility) 차이를 이용하여 성분을 분리하는 방법으로, 물속에 녹아 있는 이온 결합 물질을 분리할 때처럼 휘발 성 차이가 큰 성분을 분리하는 단순 증류(simple distillation)와 석유처럼 휘발성 차이가 적은 성분을 분리하는 분별증류(fractional distillation)가 있습니다.

 

크로마토그래피(chromatography)는 결정화 처럼 용해도 차이를 이용하여 물질을 분리하는 방법입니다.

혼합물을 기체나 액체에 녹여 용액을 만들면 이 용액을 이동상(mobil phase)라 부르며,  이동상을 정지상(stationary phase)인 고체를 통해 흘러내리면 정지상에 잘 녹는 물질은 느리게, 잘 녹지 않는 물질은 빠르게 이동하게 됩니다.