자연의 대부분의 물질은 혼합물(Mixture)로 존재합니다. 우리가 마시는 물도 혼합물입니다. 그렇다면 순물질은 무엇이고 혼합물과 어떤 차이점이 있는지 혼합물에는 어떤 종류의 혼합물이 있는지 확인해보겠습니다.
목차
순물질과 혼합물
순물질은 화학적 조성이 같은 물질(화합물 혹은 원소)로만 구성된 경우를 뜻합니다. 쉽게 말하면 물은 H₂O 분자로 이뤄져 있습니다. 만약 물에 H₂O 분자만 있다면 순물질입니다.
혼합물은 화학적 조성이 다른 두 가지 이상의 물질로 구성된 것을 뜻합니다. H₂O분자만 있는 순물질 물에 소금(NaCl) 혹은 미네랄 종류(K, Ca 등)가 섞는다면 혼합물이 되는 것입니다. H₂O와 NaCl 분자가 같이 있기 때문이죠.
즉, 자연에서 순물질은 보는 것은 거의 불가능에 가깝습니다. 그렇기에 혼합물질을 분류해내는 방법을 통해서 특정 물질을 얻을 수 있습니다. 대표적으로 증류(distillation), 여과(Filtration), 크로마토그래피(Chromatography) 등의 방법이 있습니다.
혼합물의 종류
혼합물은 균일(homogenous) 혼합물과 불균일(heterogenous) 혼합물로 나뉩니다. 균일혼합물은 용액(solution)이라고도 부르며 눈으로 섞여있는 것을 확인하기 어려운 것이 특징입니다. 불균일 혼합물의 경우 눈으로 봤을 때 무엇이랑 섞여있는 것을 식별 가능합니다.
예를 들어 완전히 녹은 소금물은 균일 혼합물입니다. 눈으로 봤을 때 소금물인지 물인지 구별하기 어렵습니다. 시간이 지난다 해도 물이 증발하지 않는 한 가라앉지 않습니다. 불균일 혼합물은 흙탕물이 대표적입니다. 초기엔 물에 흙입자가 떠있는 것을 자세히 보면 확인할 수 있습니다. 또한 시간이 지나면 중력의 영향을 받아 입자가 큰 흙부터 아래에 쌓이게 됩니다.
균일 혼합물(용액)은 액체상태 뿐 아니라 기체와 고체도 용액이라고 부릅니다. 공기는 산소(O₂), 질소(N₂), 이산화탄소(CO₂)로 이뤄진 기체 용액입니다. 놋의 경우 구리와 아연으로 이뤄진 고체 용액입니다. 보통 액체에서의 용액을 많이 사용하기 때문에 헷갈리는 경우가 많지만 고체, 기체, 액체 모두 용액이 존재합니다.
혼합물의 분리
혼합물의 경우 두 가지 이상의 혼합물 혹은 혼합물과 순물질로 분리할 수 있습니다. 방법은 증류, 여과, 크로마토그래피를 통해서 가능하며 더 발전된 기술로는 원심분리기 등도 있습니다.
증류는 혼합물 내에 분리하고 싶은 두 물질의 휘발성 차이가 클 때 사용하는 방법입니다. 예를들어 소금물의 경우 소금의 끓는점은 1,465도 물의 끓는점은 100도입니다. 즉, 물의 휘발성이 소금보다 매우 크기 때문에 이런 경우 증류를 통해서 분리해낼 수 있습니다. 소금물을 끓이면 물은 증발하여 기체 상태로 날아가게 되고 소금만 남게 되는 것이죠.
여과의 경우 불균일 혼합물을 분리할 때 매우 유리합니다. 흙탕물은 흙이 물에 섞여있지만 녹아있는 것은 아닙니다. 그저 흙 성분이 물 안에 떠다니는 것과 같죠. 이럴 땐 얇은 구멍이 있는 거름종이로 흙탕물을 거르게 되면 흙 입자는 거름종이를 통과하지 못하고 물분자만 통과하여 흙과 물을 분리해낼 수 있습니다.
크로마토그래피는 고정상(stationary phase)과 이동상(mobile phase)을 사용하여 혼합물을 분리하는 방법입니다. 고정상은 고체이고 이동상은 액체 혹은 기체입니다. 혼합물 상의 성분이 고정상과 친하다면 느리게 움직이고, 이동상과 친하다면 빠르게 움직입니다. 생명화학 쪽 연구자들이 주로 사용하는 방법입니다. 보통 다른 분류법으로는 순수한 물질을 얻기 매우 힘들지만 크로마토그래피의 경우 정밀하게 실험을 진행한다면 특정 물질을 거의 순수한 형태로 얻을 수 있습니다. 가장 대표적인 실험이 종이 크로마토그래피로 수성 사인펜의 색 분리에 사용됩니다.
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