용액의 농도(몰 농도, 몰랄 농도, 퍼센트 농도)

몰 농도는 용액 1리터(L)에 녹아 있는 용질의 몰 수로 정의된다. 기호는 M을 사용하며, 단위는 mol/L이다. 계산식은 다음과 같다.

몰 농도 (M) = 용질의 몰 수 (mol) / 용액의 부피 (L)

용질의 몰 수는 용질의 질량(g)을 그 분자량 (g/mol)으로 나누어 구한다. 따라서 질량과 부피를 알고 있다면 M = (용질의 질량 / 분자량) / 용액의 부피(L) 공식으로 직접 계산할 수 있다.

예를 들어, 염화나트륨 5.85g을 물에 녹여 총 부피가 0.5L인 용액을 만들었다고 가정하자. NaCl의 분자량은 약 58.5 g/mol이다. 용질의 몰 수는 5.85 g / 58.5 g/mol = 0.1 mol이다. 따라서 이 용액의 몰 농도는 0.1 mol / 0.5 L = 0.2 M이다.

몰 농도의 가장 큰 장점은 부피를 기준으로 하기 때문에 실험실에서의 취급이 매우 용이하다는 점이다. 대부분의 실험 기구는 부피를 측정하도록 설계되어 있어, 원하는 몰 농도의 용액을 쉽게 제조할 수 있다. 또한, 반응 용기 내에서 반응물의 부피를 알고 있다면, 용액의 몰 농도와 부피를 곱하여 직접 반응물의 몰 수를 구할 수 있어 화학 반응의 양론적 계산에 매우 편리하다.

그러나 몰 농도는 온도에 의존적이라는 근본적인 단점을 지닌다. 용매인 물의 부피는 온도가 올라가면 팽창하고, 온도가 내려가면 수축한다. 따라서 동일한 용질의 양을 포함하는 용액이라도 온도가 변하면 부피가 변하게 되어, 계산된 몰 농도 값이 달라진다. 이는 정밀한 열역학적 실험, 예를 들어 끓는점 오름이나 어는점 내림 등을 측정할 때 큰 오차를 유발할 수 있다.

이러한 단점 때문에 온도 변화가 심한 조건이나 정밀한 물리화학적 측정이 필요한 경우에는 부피 대신 용매의 질량을 기준으로 하는 몰랄 농도가 선호된다. 몰랄 농도는 온도 변화에 영향을 받지 않기 때문에 더욱 정확한 농도 표현이 가능하다.

몰 농도는 용액의 부피를 기준으로 농도를 나타내기 때문에, 실험실에서 정량적 분석과 반응물의 계량에 매우 편리하게 사용된다. 특히 적정 실험에서 표준 용액의 농도를 정확히 알고 있다면, 소비된 부피로부터 미지 시료의 양을 계산할 수 있다. 이는 산-염기 적정, 산화-환원 적정 등 다양한 분석 화학의 기초를 이룬다.

또한 화학 반응을 진행할 때, 반응식의 계수비는 몰 수의 비와 같다. 따라서 반응물 용액의 몰 농도와 부피를 알면, 정확한 몰 수를 계산하여 이론적 생성량을 예측하거나 한계 반응물을 결정할 수 있다. 이는 합성 실험의 계획과 수율 계산에 필수적이다.

몰 농도 용액을 조제하는 과정도 표준화되어 있다. 원하는 농도와 부피로부터 필요한 용질의 몰 수를 계산한 후, 이를 저울로 질량을 측정해 정확히 취한다. 이후 용질을 부피 플라스크에 넣고 용매로 용질이 완전히 용해될 때까지 희석하여 표시선까지 채우면 정확한 몰 농도의 용액이 만들어진다. 이 방법은 재현성이 높다.

그러나 몰 농도는 온도에 따라 용액의 부피가 변하면 농도 값도 변한다는 점을 주의해야 한다. 정밀한 실험, 특히 물리화학적 측정에서는 이 영향이 무시할 수 없어, 온도에 무관한 몰랄 농도가 선호되기도 한다.

몰 농도는 용액 1리터(L) 속에 녹아 있는 용질의 몰 수로 정의된다. 기호는 M을 사용하며, 단위는 mol/L로 나타낸다. 계산식은 다음과 같다.

몰 농도 (M) = 용질의 몰 수 (mol) / 용액의 부피 (L)

즉, 용질의 질량을 그 분자량으로 나누어 몰 수를 구한 후, 최종 용액의 부피(리터)로 나누어 계산한다. 예를 들어, 염화나트륨 5.85g을 물에 녹여 총 500mL(0.5L)의 용액을 만들었을 때, NaCl의 분자량은 약 58.5 g/mol이므로 몰 농도는 (5.85 g / 58.5 g/mol) / 0.5 L = 0.2 mol/L (0.2 M)이 된다.

반면, 몰랄 농도는 용매 1킬로그램(kg) 속에 녹아 있는 용질의 몰 수로 정의된다. 기호는 m을 사용하며, 단위는 mol/kg으로 나타낸다. 계산식은 다음과 같다.

몰랄 농도 (m) = 용질의 몰 수 (mol) / 용매의 질량 (kg)

이 방법은 용액의 부피가 아닌 용매의 질량을 기준으로 하므로, 온도 변화에 따라 부피가 변하는 경우에 유리하다. 예를 들어, 물 1kg(1000g)에 요소 60g을 녹였을 때, 요소의 분자량은 60 g/mol이므로 몰랄 농도는 (60 g / 60 g/mol) / 1 kg = 1 mol/kg (1 m)이 된다.

두 농도의 핵심 차이는 분모가 '용액의 부피'인지 '용매의 질량'인지에 있다. 이로 인해 온도 의존성과 정밀한 농도 표현 필요성에 따라 선택하여 사용한다.

몰 농도와 몰랄 농도는 농도를 나타내는 두 가지 다른 방법으로, 정의와 사용 목적에서 명확한 차이를 보인다. 가장 근본적인 차이는 농도를 계산할 때 사용하는 용매의 양을 어떤 기준으로 삼는지에 있다.

몰 농도는 용액 1리터(L) 안에 녹아 있는 용질의 몰수로 정의된다. 즉, 부피를 기준으로 농도를 나타낸다. 반면, 몰랄 농도는 용매 1킬로그램(kg)에 녹아 있는 용질의 몰수로 정의된다. 이는 질량을 기준으로 농도를 나타낸다. 이 차이로 인해 몰 농도는 온도 변화에 영향을 받지만, 몰랄 농도는 영향을 받지 않는다. 온도가 변하면 액체의 부피가 팽창하거나 수축하므로 몰 농도 값도 변한다. 그러나 질량은 온도에 따라 변하지 않으므로 몰랄 농도 값은 일정하게 유지된다.

이러한 특성 때문에 두 농도는 서로 다른 상황에서 주로 사용된다. 몰 농도는 실험실에서 용액을 부피로 정량하기 쉬워 적정이나 일반적인 용액 제조에 널리 활용된다. 반면, 몰랄 농도는 용액의 증기압 내림, 끓는점 오름, 어는점 내림 등 총괄성을 다룰 때 유용하다. 총괄성은 용질 입자의 수에만 의존하는 성질로, 용매의 질량당 용질 몰수인 몰랄 농도가 더 직접적인 관련이 있기 때문이다. 또한, 농도가 매우 높거나 온도 변화가 큰 실험 조건에서는 부피 변화의 영향을 배제할 수 있는 몰랄 농도가 선호된다.

몰랄 농도는 용매의 질량을 기준으로 하기 때문에 온도 변화에 영향을 받지 않는다는 특징을 가진다. 이로 인해 온도에 따라 부피가 변할 수 있는 몰 농도보다 열역학적 계산, 특히 끓는점 오름과 어는점 내림 같은 총괄성 계산에 매우 유용하게 적용된다.

주된 적용 사례는 다음과 같다.

따라서 몰랄 농도는 실험실에서 일상적으로 사용되는 몰 농도와 달리, 주로 정밀한 이론 계산이나 특수한 실험 조건에서 그 유용성이 두드러진다.

질량 백분율은 용액 전체의 질량에 대한 용질의 질량 비율을 백분율로 나타낸 농도 표시법이다. 주로 기호 %(w/w) 또는 %(m/m)로 표시하며, 단위가 없는 무차원 수이다. 계산식은 다음과 같다.

질량 백분율(%) = (용질의 질량(g) / 용액의 질량(g)) × 100

여기서 용액의 질량은 용질의 질량과 용매의 질량을 합한 값이다. 이 방법은 온도 변화에 따라 부피가 변하는 영향을 받지 않으므로, 실험 데이터의 재현성이 높고 계산이 비교적 간단하다는 장점이 있다.

질량 백분율은 일상생활과 산업 현장에서 널리 사용된다. 예를 들어, 소금물의 짠 정도, 과일 주스의 당도, 의약품의 유효 성분 함량, 그리고 합금의 조성을 표현할 때 흔히 적용된다. 농도가 매우 낮은 경우에는 ppm이나 ppb 단위를 사용하기도 한다. 실험 시에는 정밀한 저울을 사용하여 질량을 측정하기 때문에, 부피를 측정할 때 발생할 수 있는 눈금 읽기 오차나 온도에 따른 부피 변화로 인한 오차를 줄일 수 있다.

부피 백분율은 용액의 농도를 나타내는 방법 중 하나로, 용액 전체 부피에 대한 용질의 부피 비율을 백분율로 표현한다. 주로 두 액체를 혼합하여 용액을 만들 때, 특히 두 성분 모두 액체 상태인 경우에 흔히 사용된다. 계산식은 다음과 같다.

부피 백분율(%) = (용질의 부피(mL) / 용액의 전체 부피(mL)) × 100

이 방법은 혼합 전후의 총 부피가 거의 변하지 않거나, 그 변화를 무시할 수 있을 때 유용하다. 예를 들어, 에탄올 수용액이나 글리세린 수용액의 농도를 표시할 때 자주 활용된다. 실생활에서는 주류의 알코올 도수를 표시하는 데 널리 쓰이며, 이 경우 부피 백분율을 '도'라고 부르기도 한다.

그러나 부피 백분율 사용 시 주의할 점이 있다. 대부분의 물질은 혼합 시 전체 부피가 각 성분 부피의 단순 합과 정확히 일치하지 않는 부피 비가산성을 나타낸다. 예를 들어, 순수한 에탄올 50 mL와 물 50 mL를 혼합하면 전체 부피는 100 mL보다 약간 적어진다[3]. 따라서 정밀한 화학 계산보다는 실용적이고 편리한 농도 표현이 필요할 때 주로 사용된다.

질량/부피 백분율은 용액 100 mL에 녹아 있는 용질의 질량(g)을 백분율(%)로 나타낸 농도 표시법이다. 주로 의약품이나 생리 식염수와 같이 수용액의 농도를 표현할 때 널리 사용된다. 표기 방법은 %(w/v) 또는 %(m/v)를 사용하며, 계산식은 (용질의 질량(g) / 용액의 부피(mL)) × 100이다.

이 방법은 실험실에서 고체 용질을 액체 용매에 녹여 용액을 제조할 때 매우 편리하다. 예를 들어, 0.9%(w/v) 생리 식염수는 100 mL의 용액에 0.9 g의 염화 나트륨이 녹아 있음을 의미한다. 온도 변화에 따른 용액의 부피 변화가 농도에 영향을 미치므로, 정밀한 농도 조절이 필요한 경우에는 몰 농도를 사용하는 것이 더 적합하다.

이 표시법은 용질의 질량과 용액의 부피를 측정하는 것만으로 농도를 쉽게 표현할 수 있다는 장점이 있다. 그러나 용액의 밀도를 고려하지 않기 때문에, 농도가 높은 용액이나 온도에 민감한 정밀 실험에서는 한계가 있다.

노르말 농도는 용액 1리터(L) 속에 들어있는 용질의 당량 수를 나타내는 농도 단위이다. 기호는 N을 사용하며, 단위는 노르말(normal) 또는 eq/L(당량수/리터)로 표시한다. 온도에 따라 용액의 부피가 변할 수 있으므로, 몰 농도와 마찬가지로 온도의 영향을 받는다.

노르말 농도는 특히 산-염기 적정이나 산화-환원 적정과 같은 분석 화학 분야에서 역사적으로 널리 사용되었다. 이는 노르말 농도가 반응에 참여하는 화학종의 당량수를 직접적으로 반영하기 때문이다. 예를 들어, 1N 황산(H₂SO₄) 용액 1L는 2당량의 H⁺ 이온을 제공할 수 있어, 1N 염산(HCl) 용액 1L와 정확히 같은 양의 산을 중화할 수 있다.

그러나 노르말 농도는 사용 편의성에도 불구하고 명확한 한계를 지닌다. 같은 물질이라도 반응에 따라 당량이 달라질 수 있어[5], 농도 값이 모호해질 수 있다. 또한, 국제 단위계(SI)에서는 공식적으로 인정하지 않는 비SI 단위이다. 이러한 이유로 현대 화학에서는 보다 명확한 개념인 몰 농도(mol/L)를 사용하는 것이 권장되며, 노르말 농도는 점차 사용 빈도가 줄어드는 추세이다.

ppm은 parts per million의 약자로, 백만 분율을 의미한다. ppb는 parts per billion의 약자로, 십억 분율을 의미한다. 이들은 극히 낮은 농도를 표현할 때 주로 사용되며, 특히 환경 과학, 식품 안전, 약학, 공업 분석에서 미량 오염물질이나 성분의 농도를 나타내는 데 유용하다.

ppm과 ppb는 일반적으로 질량 대 질량(m/m) 또는 부피 대 부피(v/v) 비율로 정의된다. 예를 들어, 1 ppm은 용액 1 kg(또는 1 L) 속에 용질이 1 mg(또는 1 mL) 들어있는 농도에 해당한다. 이를 계산식으로 나타내면 다음과 같다.

• ppm = (용질의 질량 또는 부피 / 용액의 질량 또는 부피) × 10⁶

• ppb = (용질의 질량 또는 부피 / 용액의 질량 또는 부피) × 10⁹

이러한 단위는 농도가 매우 낮아 몰 농도나 퍼센트 농도로 표현하기 번거로울 때 선호된다. 예를 들어, 식용수 중 납의 허용 기준은 수 ppb 수준이며, 대기 중 오존 농도는 수십 ppm 단위로 보고된다. 온도 변화에 따른 용액의 부피 변화가 농도 값에 영향을 미치므로, 정밀한 분석에서는 질량 기준(m/m)을 사용하는 것이 일반적이다.