혼합물

화학에서 혼합물(混合物, mixture)은 물리적 방법으로 분리할 수 있는 두 가지 이상의 서로 다른 화학 물질로 구성된 재료이다. 이는 임의의 비율로 기계적으로 혼합된 2개 이상의 원소 또는 화합물로 이루어진 불순물이다.^[1] 혼합물은 두 가지 이상의 물질이 고유의 정체성을 유지하면서 물리적으로 결합한 것으로, 용액, 현탁액 또는 교질의 형태로 섞여 있다.^[2]^[3]

혼합물은 원소나 화합물과 같은 화학 물질을 화학적 결합이나 기타 화학적 변화 없이 기계적으로 블렌딩하거나 섞어서 만든 산물로, 각 성분 물질은 고유의 화학적 성질과 구성을 유지한다.^[4] 구성 성분에 화학적 변화가 없다는 사실에도 불구하고, 녹는점과 같은 혼합물의 물리적 성질은 개별 성분의 성질과 다를 수 있다. 일부 혼합물은 물리적(기계적 또는 열적) 수단을 사용하여 성분으로 분리될 수 있다. 불변 끓음 혼합물은 구성 성분을 얻기 위해 필요한 분리 과정(물리적 또는 화학적 과정, 혹은 이들의 조합)에서 대개 상당한 어려움을 겪는 혼합물의 한 종류이다.^[5]^[6]^[7]

혼합물의 특징

모든 혼합물은 기계적 수단(예: 정제, 증류, 전기 분해, 크로마토그래피, 열, 여과, 중력 분류, 원심분리)에 의해 분리될 수 있다는 특징이 있다.^[8]^[9] 혼합물은 다음과 같은 점에서 화학 화합물과 다르다.

혼합물 내의 물질은 여과, 냉각, 증류와 같은 물리적 방법을 사용하여 분리할 수 있다.
혼합물이 형성될 때 에너지 변화가 거의 없거나 전혀 없다(혼합 엔탈피 참조).
혼합물 내의 물질은 각각의 고유한 성질을 유지한다.

모래와 물의 예에서, 두 물질 중 어느 것도 혼합될 때 어떠한 방식으로도 변하지 않는다. 모래가 물속에 있더라도 물 밖에 있을 때와 동일한 성질을 그대로 유지한다.

혼합물은 가변적인 조성을 갖는 반면, 화합물은 고정되고 일정한 공식을 갖는다.
혼합되었을 때 개별 물질은 혼합물 내에서 자신의 성질을 유지하지만, 화합물을 형성하면 성질이 변할 수 있다.^[10]

다음 표는 세 가지 혼합물 "가족"의 모든 가능한 상 조합에 대한 주요 성질과 예시를 보여준다.

혼합물 표
분산매 (혼합물 상)	용질 또는 분산상	용액	교질	현탁액 (조대 분산액)
기체	기체	기체 혼합물: 공기 (질소 내의 산소 및 기타 기체)	없음	없음
	액체	없음	액체 연무질:^[11] 안개, 박무, 증기, 헤어스프레이	스프레이
	고체	없음	고체 연무질:^[11] 연기, 얼음구름, 대기 미립자	먼지
액체	기체	용액: 물속의 산소	액체 거품: 휘저은 크림, 면도 크림	바다 거품, 맥주 거품
	액체	용액: 술	유화액: 젖, 마요네즈, 핸드크림	비네그레트
	고체	용액: 물속의 설탕	액체 졸: 안료가 포함된 잉크, 혈액	현탁액: 진흙 (물에 분산된 흙 입자), 물에 분산된 백악 가루
고체	기체	용액: 금속 내의 수소	고체 거품: 에어로젤, 스티로폼, 경석	거품: 마른 해면
	액체	용액: 아말감 (금 속의 수은), 파라핀 속의 헥세인	젤: 우무, 젤라틴, 실리카겔, 단백석	젖은 해면
	고체	용액: 합금, 플라스틱 내의 가소제	고체 졸: 루비 유리	점토, 미사, 모래, 자갈, 화강암

균일 및 불균일 혼합물

혼합물은 균일하거나 불균일할 수 있다. 조성이 균일하고 물속의 소금처럼 모든 성분이 동일한 상에 있는 혼합물을 균일 혼합물이라고 하며, 조성이 균일하지 않고 물속의 모래처럼 성분을 쉽게 식별할 수 있는 혼합물을 불균일 혼합물이라고 한다.

또한, "균일 혼합물"은 입자가 고르게 분포되어 있어 외관이 균일하거나 하나의 상만 가진다는 생각에서 유래한 용어이다. 반면, 불균일 혼합물은 구성 물질이 서로 다른 상에 있고 서로 쉽게 구별된다. 또한 불균일 혼합물은 균일한 조성(예: 교질) 또는 불균일한 조성(예: 연필)을 가질 수 있다.

소금 및 설탕과 같은 여러 고체 물질은 물에 녹아 균일 혼합물 또는 "용액"을 형성하며, 여기에는 용질(녹는 물질)과 용매(녹이는 매체)가 모두 존재한다. 공기 역시 용액의 한 예이다. 이는 기체 질소 용매에 산소와 소량의 다른 기체 용질이 녹아 있는 균일 혼합물이다. 혼합물은 물질의 수나 양에 제한이 없으나, 대부분의 용액에서 용질 대 용매의 비율은 혼합물이 분리되어 불균일해지기 전까지 특정 지점에만 도달할 수 있다.

균일 혼합물은 구성 물질이 전체적으로 균일하게 분산되어 있다는 특징이 있다. 즉, 물질이 혼합물 내 어디에서나 동일한 비율로 존재한다. 달리 말하면, 균일 혼합물은 혼합물의 어느 부분에서 샘플을 채취하더라도 동일하다. 예를 들어, 고체-액체 용액을 부피가 같은 두 개의 반으로 나누면, 각 반에는 액체 매질과 용해된 고체(용매와 용질)가 동일한 물질량만큼 포함된다.

균일 혼합물

용액

용액은 "균일 혼합물"과 동등한 의미이다. 용액에서 용질은 시간이 지나도 가라앉지 않으며, 필터나 원심분리기와 같은 물리적 방법으로 제거할 수 없다.^[12] 균일 혼합물로서 용액은 하나의 상(고체, 액체 또는 기체)을 가지지만, 용질과 용매의 상은 처음에 서로 달랐을 수 있다(예: 소금물).

기체

기체는 원자나 분자 사이에 매우 넓은 공간(결과적으로 가장 약한 분자 간 힘)을 나타낸다. 분자 간 상호작용이 액체나 고체에 비해 아주 작기 때문에, 희박한 기체는 서로 매우 쉽게 용액을 형성한다. 공기가 그러한 예 중 하나이다. 더 구체적으로는 질소(주성분)에 산소와 기타 기체가 녹아 있는 기체 용액으로 설명할 수 있다.

불균일 혼합물

불균일 혼합물의 예로는 유화액과 거품이 있다. 대부분의 경우 혼합물은 두 가지 주요 성분으로 구성된다. 유화액의 경우 물과 기름처럼 서로 섞이지 않는 액체이다. 거품의 경우 고체와 유체, 또는 액체와 기체이다. 거시적인 규모에서는 혼합물의 어느 영역에서나 두 성분이 모두 존재하며, 잘 섞인 혼합물에서는 농도가 같거나 약간만 변한다. 그러나 미시적 규모에서는 충분히 작은 영역에서 성분 중 하나가 존재하지 않을 수 있다. (이러한 부재가 거시적 규모에서도 흔하다면, 그 조합은 혼합물이 아니라 분산매이다.) 구성 성분의 연속 침투 여부에 따라 불균일 혼합물의 서로 다른 특성을 구별할 수 있다. 거품의 경우, 한 성분이 연결된 네트워크를 형성하여 다른 성분이 자유롭게 침투할 수 있는 망상형 폼(reticulated foam)과, 한 성분이 다른 성분에 의해 형성된 벽을 가진 작은 세포 안에 갇혀 있는 폐쇄형 세포 거품으로 구분된다. 유화액에 대해서도 유사한 구분이 가능하다. 많은 유화액에서 한 성분은 다른 성분 전체에 분산된 전형적인 구형의 고립된 영역 형태로 존재한다. 그러나 각 성분이 크고 연결된 네트워크를 형성하는 것도 가능하다. 이러한 혼합물을 바이컨티뉴어스(bicontinuous)라고 한다.^[13]

혼합물 유형 간의 구별

균일 혼합물과 불균일 혼합물을 구별하는 것은 샘플링 규모의 문제이다. 충분히 거친 규모에서는 전체 물품을 하나의 "샘플"로 간주할 수 있다면 어떤 혼합물도 균일하다고 말할 수 있다. 충분히 미세한 규모에서는 샘플이 단일 분자만큼 작을 수 있으므로 어떤 혼합물도 불균일하다고 말할 수 있다. 실질적인 관점에서, 검사에 사용된 샘플을 어느 부위에서 채취하든 혼합물의 관심 성질이 동일하다면 그 혼합물은 균일하다.

가이의 샘플링 이론(Gy's sampling theory)는 입자의 불균일성을 다음과 같이 정량적으로 정의한다.^[14]

h_{i}={\frac {(c_{i}-c_{\text{batch}})m_{i}}{c_{\text{batch}}m_{\text{aver}}}},

여기서 $h_{i}$ , $c_{i}$ , $c_{\text{batch}}$ , $m_{i}$ , $m_{\text{aver}}$ 은 각각 다음과 같다: 모집단 내 $i$ 번째 입자의 불균일성, 모집단 내 $i$ 번째 입자의 관심 성질의 질량 농도, 모집단 전체의 관심 성질의 질량 농도, 모집단 내 $i$ 번째 입자의 질량, 모집단 내 입자의 평균 질량.

입자로 이루어진 불균일 혼합물의 샘플링 중에 표본 오차의 분산은 일반적으로 0이 아니다.

피에르 지(Pierre Gy)는 푸아송 샘플링 모델로부터 샘플 내 질량 농도의 표본 오차 분산에 대한 다음 공식을 유도했다.

V={\frac {1}{(\sum _{i=1}^{N}q_{i}m_{i})^{2}}}\sum _{i=1}^{N}q_{i}(1-q_{i})m_{i}^{2}\left(a_{i}-{\frac {\sum _{j=1}^{N}q_{j}a_{j}m_{j}}{\sum _{j=1}^{N}q_{j}m_{j}}}\right)^{2},

여기서 V는 표본 오차의 분산, N은 (샘플을 채취하기 전) 모집단 내의 입자 수, q_i는 모집단의 i번째 입자가 샘플에 포함될 확률(즉, i번째 입자의 제1차 포함 확률), m_i는 모집단 i번째 입자의 질량, a_i는 모집단 i번째 입자의 관심 성질의 질량 농도이다.

위의 표본 오차 분산 식은 샘플 내 질량 농도의 선형화에 기초한 근사치이다.

지의 이론에서 정확한 샘플링은 모든 입자가 샘플에 포함될 확률이 동일한 샘플링 시나리오로 정의된다. 이는 q_i가 더 이상 i에 의존하지 않음을 의미하며, 따라서 기호 q로 대체될 수 있다. 표본 오차 분산에 대한 지의 방정식은 다음과 같이 된다.

V={\frac {1-q}{qM_{\text{batch}}^{2}}}\sum _{i=1}^{N}m_{i}^{2}\left(a_{i}-a_{\text{batch}}\right)^{2},

여기서 a_batch는 샘플을 추출할 모집단의 관심 성질 농도이고, M_batch는 샘플을 추출할 모집단의 질량이다.

건강에 미치는 영향

대기 오염 연구^[15]^[16]에 따르면 혼합물에 노출된 후의 생물학적 및 건강상의 영향은 개별 성분에 노출되었을 때의 영향보다 더 강력하다.^[17]

균질화

혼합물의 성질

각주

↑ IUPAC, Compendium of Chemical Terminology, 2nd ed. (the "Gold Book") (1997). 온라인 수정 버전: (2006–) "mixture". doi:10.1351/goldbook.M03949
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1 2 Everett, D. H. (1971년 7월 23일). Manual of Symbols and Terminology for Physicochemical Quantities and Units. Appendix II Definitions, Terminology and Symbols in Colloid and Surface Chemistry. Part I (PDF) (보고서). London: International Union of Pure and Applied Chemistry: Division of Physical Chemistry. 2016년 10월 28일에 원본 문서 (PDF)에서 보존된 문서. 2016년 10월 28일에 확인함.
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IUPAC, Compendium of Chemical Terminology, 2nd ed. (the "Gold Book") (1997). 온라인 수정 버전: (2006–) "mixture". doi:10.1351/goldbook.M03949

[1] IUPAC, Compendium of Chemical Terminology, 2nd ed. (the "Gold Book") (1997). 온라인 수정 버전: (2006–) "mixture". doi:10.1351/goldbook.M03949

[2] Whitten K.W., Gailey K. D. and Davis R. E. (1992). 《General chemistry》 4판. Philadelphia: Saunders College Publishing. ISBN 978-0-03-072373-5.

[3] Petrucci, Ralph H.; Harwood, William S.; Herring, F. Geography (2002). 《General chemistry: principles and modern applications》 8판. Upper Saddle River, N.J: Prentice Hall. ISBN 978-0-13-014329-7. LCCN 2001032331. OCLC 46872308.

[4] De Paula, Julio; Atkins, P. W. (2002). 《Atkins' Physical Chemistry》 7판. Oxford University Press. ISBN 978-0-19-879285-7.

[Alberts-5] Alberts B. 외 (2002). 《Molecular Biology of the Cell, 4th Ed.》. Garland Science. ISBN 978-0-8153-4072-0.

[Laider-6] Laidler K. J. (1978). 《Physical chemistry with biological applications》. Menlo Park: Benjamin/Cummings. ISBN 978-0-8053-5680-9.

[Weast-7] Weast R. C., Ed. (1990). 《CRC Handbook of chemistry and physics》. Boca Raton: Chemical Rubber Publishing Company. ISBN 978-0-8493-0470-5.

[8] Pleasants, Julian M 편집 (2017). 〈A Call to Duty: The Selective Service Act of 1940〉. 《Home Front》. doi:10.5744/florida/9780813054254.003.0003. ISBN 978-0-8130-5425-4.

[mixture-9] Ashworth, William; Little, Charles E. 편집 (2001). 〈Mixture〉. 《The Encyclopedia of Environmental Studies》. Facts on File.

[10] “Definition of mixture - Chemistry Dictionary”. 《www.chemicool.com》. 2018년 11월 30일에 확인함.

[PDF1-11] 1 2 Everett, D. H. (1971년 7월 23일). Manual of Symbols and Terminology for Physicochemical Quantities and Units. Appendix II Definitions, Terminology and Symbols in Colloid and Surface Chemistry. Part I (PDF) (보고서). London: International Union of Pure and Applied Chemistry: Division of Physical Chemistry. 2016년 10월 28일에 원본 문서 (PDF)에서 보존된 문서. 2016년 10월 28일에 확인함.

[solution-12] Ashworth, William; Little, Charles E. (2001). 〈Solution (chemistry)〉. 《Encyclopedia of Studies, New Edition》. Online publisher: Science Online. Facts on File, Inc.

[13] Sahimi, Muhammad (2006년 5월 26일). 《Heterogeneous Materials I: Linear Transport and Optical Properties》. Springer. 31쪽. ISBN 978-0-387-21705-5.

[14] Gy, P (1979). 《Sampling of Particulate Materials: Theory and Practice》. Amsterdam: Elsevier.

[15] US EPA, ORD. “Exposure and Health Effects of Mixtures of Air Pollutants” (영어). 《19january2017snapshot.epa.gov》. 2022년 11월 10일에 확인함.

[16] Institute, Health Effects (2016년 3월 9일). “Multipollutant Mixtures” (영어). 《Health Effects Institute》. 2022년 11월 10일에 확인함.

[17] Majumder, Nairrita; Kodali, Vamsi; Velayutham, Murugesan; Goldsmith, Travis; Amedro, Jessica; Khramtsov, Valery V; Erdely, Aaron; Nurkiewicz, Timothy R; Harkema, Jack R; Kelley, Eric E; Hussain, Salik (2022년 10월 27일). 《Aerosol physicochemical determinants of carbon black and ozone inhalation co-exposure induced pulmonary toxicity》. 《Toxicological Sciences》 191. 61–78쪽. doi:10.1093/toxsci/kfac113. ISSN 1096-6080. PMC 9887725. PMID 36303316.

[1]