분류
1. 정의
액체나 혼합기체와 같은 용액을 구성하는 성분의 양(量)의 정도. 용액이 얼마나 진하고 묽은지를 수치적으로 나타내는 방법이다. 일상적으로는 퍼센트 농도나 ppm(mg/L)를 주로 사용하나, 화학에서는 질량보다는 입자의 수가 중요한 경우가 많다.
2. 종류
농도에는 여러가지 종류가 있는데
2.1. 질량 퍼센트 농도
용질의 질량 / 용액의 질량 * 100
| [math(c= dfrac {100w_{0}}{w})]
| 단위: %
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wt%, 또는 그냥 %로 나타낸다. 온도와 질량은 무관하므로, 온도에 따른 용해도 차를 이용한 석출량을 구할 때 사용한다.
2.2. 부피 퍼센트 농도
용질의 부피 / 용액의 부피 * 100
| [math(c= dfrac {100V_{0}}{V})]
| 단위: %
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vol%로 나타내거나 %로 쓴 뒤 따로 표기를 해 준다.
2.3. 비율을 나타내는 농도
2.3.1. 백만분율(ppm)
parts per million, 즉 100만 개당 개수로 비율을 나타내는 것이다. 일반적으로 %로 나타내기는 작은 상황에 자주 사용하며(공기 중 CO2농도 등) 개수 비 뿐만 아니라 무게 비 등도 ppm으로 나타낼 수 있다.
2.3.2. 십억분율(ppb)
parts per billion, 즉 10억 개당 개수로 비율를 나타내는 것이다. 일반적으로 ppm으로 나타내기에도 작은 비율을 나타낼 때 주로 사용하며(공기중 오존 농도 등) 개수 비 뿐만 아니라 무게 비 등도 ppb로 나타낼 수 있다.
2.4. 몰 농도(molarity)
용질의 mol수 / 용액의 부피(L)
| [math(rm {M} it= dfrac {n}{V})]
| 단위: mol/L
|
용액 1L에 함유되어 있는 용질의 몰(mol)수
mol/L 혹은 간단하게 M으로 나타낸다. 특별한 일이 없는 한 화학에서 주로 사용되는 농도 단위. 분모에 들어가는 용액의 부피가 온도에 따라 바뀐다는 문제가 있지만 대부분의 실험이 실온에서 진행된다는 점, 그리고 무엇보다도 대부분의 화학 실험에서는 부피를 측정 하기 때문에 몰 농도로 표현하기 편하다는 점 때문에 많이 쓰인다. 용액의 총괄성 중 삼투압 등을 나타낼 때 쓰인다.
위의 질량 %농도를 몰농도로 변환하는 식은 다음과 같다.
mol/L 혹은 간단하게 M으로 나타낸다. 특별한 일이 없는 한 화학에서 주로 사용되는 농도 단위. 분모에 들어가는 용액의 부피가 온도에 따라 바뀐다는 문제가 있지만 대부분의 실험이 실온에서 진행된다는 점, 그리고 무엇보다도 대부분의 화학 실험에서는 부피를 측정 하기 때문에 몰 농도로 표현하기 편하다는 점 때문에 많이 쓰인다. 용액의 총괄성 중 삼투압 등을 나타낼 때 쓰인다.
위의 질량 %농도를 몰농도로 변환하는 식은 다음과 같다.
M (몰농도) = [math(dfrac {10d{times}wp}{Mw})]
|
d = 용액의 밀도, wp = 질량 %농도, Mw = 용질의 몰질량
2.5. 몰랄 농도(molality)
용질의 mol수 / 용매의 질량(kg)
| [math(m= dfrac {n}{W})]
| 단위: mol/kg
|
mol/kg 나 간단하게 m으로 나타낸다. 위에서 설명했듯이 용액의 온도가 변하면 열팽창으로 인해 용액의 부피가 변해 몰 농도가 변하므로, 온도가 변하는 상황에서 사용한다. 대표적으로 용액의 총괄성인 끓는점 오름, 어는점 내림 등을 나타낼 때 사용된다. 대부분의 화학 실험에서는 부피를 측정하므로 부피를 측정하여 밀도를 이용해 질량을 구하는 것이 번거로우므로 특별한 상황에서만 사용된다.
2.6. 노르말 농도 (Normality)
몰농도 * 당량
|
용액 1 L 속에 녹아 있는 용질의 당량을 나타낸 농도를 의미하며, N으로 나타낸다. 산이나 염기 수용액을 다룰 때 주로 사용하며, 내놓는/받는 수소 이온의 수, 즉 당량을 표현하는 농도다. 1M 염산은 1N이지만, 1M 황산은 2N, 1M 인산은 3N이라고 생각하면 편하다. 학부 때는 쓸 일이 거의 없으나 웬만한 연구 현장에서는 몰농도보다 많이 쓰인다. 그러나 반응 환경에 따라 각기 다르게 산출되기 때문에 '국제 순수·응용 화학 연합'과 'NICS'는 더이상의 이 농도의 사용을 권장하지 않는다.
2.7. 포르말 농도 (Formal concentration)
용질의 화학식량 수/용액의 부피(L)
|
식량 농도라고도 한다.
용질이 녹기 전의 초기 모습 그대로 녹아있지 않기 때문에,
몰농도 대신 사용하는 농도, F로 나타낸다.
예를 들어, HBr과 같은 강산의 경우에는 H+ 이온과, 브로민 이온으로 100% 해리되기 때문에
분자의 실제 농도는 0에 가깝지만, 포르말 농도는 1F이다.
통상적으로는 몰농도와 별로 구별하지 않지만 정확한 농도는 포르말농도이다.
용질이 녹기 전의 초기 모습 그대로 녹아있지 않기 때문에,
몰농도 대신 사용하는 농도, F로 나타낸다.
예를 들어, HBr과 같은 강산의 경우에는 H+ 이온과, 브로민 이온으로 100% 해리되기 때문에
분자의 실제 농도는 0에 가깝지만, 포르말 농도는 1F이다.
통상적으로는 몰농도와 별로 구별하지 않지만 정확한 농도는 포르말농도이다.
2.8. 몰분율
특정 성분의 몰수 / 전체 성분의 몰수
| [math(chi = dfrac {n_{0}}{n})]
| 단위: 없음
|
두 성분 이상으로 된 혼합물에서 한 성분의 농도를 나타내는 방법. 한 성분의 몰수와 모든 성분의 몰수의 총합과의 비율로 나타낸다. 용액에서 각 성분의 몰분율의 합은 항상 1이다. 단위는 없으며 주로 그리스 문자 Χ(카이)로 나타낸다. 이상기체의 경우 몰분율과 부분압이 큰 관련(혼합 기체에서 각 성분 기체의 부분 압력은 전체 압력과 몰 분율에 비례)이 있기 때문에 기체를 다룰 때 많이 사용하게 된다.
3. 수학 문제
특히 수학이나 화학에서 농도 관련 문제와 농도가 서로 다른 용액을 섞는 문제로 나온다.[1] 특히 중학교 수학은 모든 학년군에서 등장하는 활용 파트이므로 소홀히 하면 수포자가 되기 일쑤이다. 용질만의 무게의 합, 수용액의 총 무게의 합을 나타내는 두 개의 방정식을 세우면 풀 수 있다.
[math(displaystyle wc=100w_{0})][4]]
|
* [math(w_{0})]: 용질의 무게
* [math(w)] : 용액의 무게
* [math(c)]: 퍼센트 농도
* [math(w)] : 용액의 무게
* [math(c)]: 퍼센트 농도
- 용질의 무게에 관한 식(소금의 양에 관한 식)[math(displaystyle w_{0}=frac {wc}{100})][7]]
- 퍼센트 농도에 관한 식(소금물의 농도에 관한 식)[math(displaystyle c=frac {100w_{0}}{w})][10]]
- 용액에 물(용매)을 더할 경우 (단, [math(l)]은 물의 무게)[math(displaystyle c=frac {100w_{0}}{w+l})]
- 용액에 물(용매)이 증발하는 경우[math(displaystyle c=frac {100w_{0}}{w-l})]
- 소금물에 소금을 더한 경우[math(displaystyle c=frac {100(w_{0}+x)}{w+x})]
- 특히 용액을 균등하게 나눠서 서로 다른 비커에 나눠갖는 조건이 제시될 경우가 있는데, 먼저 균일하게 나눠가진 두 비커의 농도는 같다. 각 비커 안에 들어있는 용질과 용액의 무게는 동일한 비율로 줄어든다.[math(displaystyle c=frac {100w_{0}}{w})]에서 [math(displaystyle c=frac {100(w_{0}-kw_{0})}{w-kw})] (단, [math(displaystyle 0<k<1)])
수포자 중에서는 이런 문제에 손을 놓게 되는 경우가 있는데, 화학Ⅱ는 이런 문제를 그냥 기본으로 깔고 들어간다. 여기에 이온화까지 생각해야 하는 경우가 있고, 몰 농도나 몰랄 농도까지 들어간다.
중학교 1학년 일차방정식 활용 문제에서 소금물 농도 문제 때문에 고생하는 학생들을 위한 팁이 몇 가지 있다.
- 소금물 활용 문제는 거의 무조건 소금의 양에 관한 식을 기준으로 방정식을 세워 푼다.
- 소금물 A와 소금물 B를 섞는 것은 (A의 소금의 양에 관한 식)+(B의 소금의 양에 관한 식)=(결과물의 소금의 양에 관한 식) 꼴로 세워 푼다.
- 소금물에 물을 섞는 것은 (소금물의 소금의 양에 관한 식)=(결과물의 소금의 양에 관한 식에서 (소금물의 양+x)) 꼴로 세워 푼다.[13]
- 소금물에 소금을 섞는 것은 (소금물의 소금의 양에 관한 식+x)=(결과물의 소금의 양에 관한 식에서 (소금물의 양+x)) 꼴로 세워 푼다.[14]
[1] 주로 일상에서 흔한 소금물이 자주 나온다.[2] [math(displaystyle (소금물의 양)×(소금물의 농도)=100×(소금의 양))[3] [math(displaystyle (소금물의 양)×(소금물의 농도)=100×(소금의 양))[4] [math(displaystyle (소금물의 양)×(소금물의 농도)=100×(소금의 양))[5] [math(displaystyle (소금의 양)=frac {(소금물의 양)×(소금물의 농도)}{100})[6] [math(displaystyle (소금의 양)=frac {(소금물의 양)×(소금물의 농도)}{100})[7] [math(displaystyle (소금의 양)=frac {(소금물의 양)×(소금물의 농도)}{100})[8] [math(displaystyle (소금물의 농도)=100×frac {(소금의 양)}{(소금물의 양)})[9] [math(displaystyle (소금물의 농도)=100×frac {(소금의 양)}{(소금물의 양)})[10] [math(displaystyle (소금물의 농도)=100×frac {(소금의 양)}{(소금물의 양)})[11] 물 그 자체는 따지고 보면 '소금의 양이 0인 소금물'이라고 볼 수 있다. 따라서 좌변에 추가적인 소금의 양에 관한 식이 나올 필요가 없다. 반면에 우변은 물을 탔지만 여전히 소금물이므로 양이 증가했음을 보여야 한다.[12] 소금 그 자체는 따지고 보면 '물의 양이 0인 소금물'이라고 볼 수 있다. 따라서 농도가 100%이므로 좌변에 농도 100%짜리 소금물이 더해지고, 그 결과도 소금물이니 마찬가지로 양이 증가했음을 보여야 한다.[13] 물 그 자체는 따지고 보면 '소금의 양이 0인 소금물'이라고 볼 수 있다. 따라서 좌변에 추가적인 소금의 양에 관한 식이 나올 필요가 없다. 반면에 우변은 물을 탔지만 여전히 소금물이므로 양이 증가했음을 보여야 한다.[14] 소금 그 자체는 따지고 보면 '물의 양이 0인 소금물'이라고 볼 수 있다. 따라서 농도가 100%이므로 좌변에 농도 100%짜리 소금물이 더해지고, 그 결과도 소금물이니 마찬가지로 양이 증가했음을 보여야 한다.