용해도

따뜻한 물에 설탕을 한 숟가락 넣고 저으면 설탕 알갱이가 물 분자 사이로 쏙 숨어들어 투명하게 사라져요. 이처럼 다른 물질을 녹이는 액체를 '용매', 녹아들어 가는 물질을 '용질', 둘이 골고루 섞여 하나가 된 상태를 '용액'이라고 불러요.

하지만 같은 물에 설탕을 아주 많이 계속 넣다 보면, 아무리 힘차게 저어도 바닥에 녹지 않은 설탕 결정이 하얗게 가라앉아요. 물이 받아들일 수 있는 용질의 양에는 한계가 있어서, 그 한계에 이르면 녹는 양과 다시 결정으로 돌아오는 양이 같아져 겉보기에 더 녹지 않는 거예요.

정원이 꽉 찬 만원 버스를 떠올리면 이해하기 쉬워요. 다만 여기서 '자리'는 물속의 실제 빈 공간이 아니라 녹을 수 있는 '한계량'을 뜻하는 비유예요. 액체가 용질을 더는 받아들일 수 없을 만큼 가득 찬 상태를 '포화 상태'라고 하고, 이때 녹을 수 있는 최대량을 용해도라고 하며, 흔히 용매 100그램당 최대로 녹을 수 있는 용질의 무게로 나타내요.

용해도는 언제나 똑같이 고정된 숫자가 아니에요. 주변의 온도나 압력 조건이 바뀌면 액체가 받아들일 수 있는 손님의 정원도 크게 달라지거든요.

설탕이나 질산칼륨 같은 대부분의 고체 물질은 물의 온도가 올라갈수록 용해도가 훌쩍 커져요. 대부분의 고체는 녹을 때 주변의 열을 흡수하기 때문에, 온도가 높을수록 녹는 쪽이 더 유리해지거든요. 다만 소금처럼 온도의 영향을 거의 받지 않는 고체도 있고, 수산화칼슘처럼 오히려 덜 녹는 예외도 있어요.

반면에 사이다나 콜라 속에 녹아 있는 이산화탄소 같은 기체는 정반대로 행동해요. 온도가 올라가면 기체 분자들이 에너지를 얻어 액체 밖으로 뛰쳐나가 버리기 때문에 용해도가 뚝 떨어져요. 그래서 톡 쏘는 탄산음료의 맛을 오래 유지하려면 음료를 차갑게 보관하고 뚜껑을 꼭 닫아 압력을 높게 유지해야 해요.

조금 더 정확히 말하면, 용해도는 물질끼리 서로 끌어당기는 '화학적 친밀도'에 크게 좌우돼요. 화학에는 '비슷한 성질끼리 녹인다'는 대원칙이 있어요.

물처럼 분자 안에 전하가 한쪽으로 치우친 극성 용매는 설탕 같은 극성 물질과 소금 같은 이온성 물질을 잘 녹여요. 반대로 기름이나 왁스 같은 비극성 물질은 물에는 거의 녹지 않고, 헥세인 같은 비극성 용매에는 잘 녹아요.

이러한 온도별 용해도 차이는 실생활과 다양한 산업 현장에서 소중하게 쓰여요. 높은 온도의 물에 물질을 한계까지 녹인 뒤 서서히 식히면, 낮아진 용해도만큼 물이 품지 못하게 된 양이 순도가 높은 결정으로 바닥에 석출되고, 불순물은 대부분 용액에 남아요. 이를 '재결정'이라고 부르며, 질산칼륨처럼 온도에 따라 용해도가 크게 변하는 물질이나 의약품 원료를 정제할 때 널리 쓰이는 기술이에요. 온도의 영향을 거의 받지 않는 소금은 주로 물을 증발시켜 결정을 얻어요.