혼합물 분리 — 입자 성질 차이를 이용하기

주변 물질의 대부분은 한 가지 성분만 모인 것이 아니라 여러 성분이 섞인 혼합물입니다. 소금물에는 물 분자와 소금 입자가, 공기에는 산소·질소·이산화탄소가 섞여 있습니다.

혼합물을 나눌 때 핵심은 한 가지입니다. 섞인 성분들의 입자 성질 차이를 찾아 그 차이를 이용합니다. 입자 크기, 자성, 끓는점, 밀도, 용해도가 대표적인 성질이며, 이 글에서는 다섯 가지 분리 방법을 한 표로 정리합니다.

혼합물 분리의 기본 원리

혼합물을 만나면 먼저 묻습니다. "이 안의 성분들이 어떤 성질이 가장 크게 다른가?" 그 답이 분리 방법을 결정합니다.

다섯 가지는 모두 원자·분자 수준에서 성분이 가진 성질의 차이를 이용한다는 점에서 같은 결을 가집니다.

거름은 체나 필터로 크기가 다른 입자를 나누는 방법입니다. 체나 필터의 구멍보다 큰 입자는 막히고, 작은 입자는 통과합니다. 큰 돌과 모래는 체로, 흙물은 종이 필터로 나눌 수 있습니다.

한계도 분명합니다. 소금물처럼 소금 입자가 분자 수준으로 녹아 있는 경우에는 거름으로 나뉘지 않습니다. 필터의 구멍이 분자보다 훨씬 크기 때문입니다.

쇠와 모래가 섞여 있을 때 자석을 가까이 대면 쇠만 붙어 따라옵니다. 자석에 붙는 성질을 자기적 성질이라 하며, 철(Fe)이 대표적인 자성 원소입니다. 산소(O)나 탄소(C)는 자석에 반응하지 않습니다. 자석 분리는 철을 골라내는 재활용 공정 등에서 실제로 쓰입니다.

액체 혼합물에서는 끓는점 차이를 이용합니다. 끓는점이 낮은 성분이 먼저 김이 되어 빠져나갑니다.

증발은 액체 성분만 공기 중으로 보내고 남는 고체를 얻는 방법입니다. 햇볕에 바닷물을 두면 물 분자가 빠져나가고 소금만 남으며, 이때 물 분자는 회수하지 않습니다.

증류는 한 단계 더 나아갑니다. 김으로 올라간 성분을 차가운 곳에 닿게 해 다시 액체로 응결시켜 따로 담습니다. 바닷물을 증류하면 소금과 맑은 물을 모두 얻을 수 있습니다.

물의 끓는점은 100℃, 알코올의 끓는점은 약 78℃입니다. 두 액체가 섞여 있다면 끓는점이 낮은 알코올이 먼저 김으로 올라가므로 증류로 분리할 수 있습니다.

물과 기름처럼 섞이지 않고 두 층으로 나뉘는 액체는 분별 깔때기로 나눕니다. 아래 꼭지를 열어 무거운 쪽 액체부터 따로 받아내며, 밀도 차이를 이용합니다.

추출은 특정 성분만 잘 녹는 용매를 써서 그 성분을 골라 빼내는 방법입니다. 찻잎에 뜨거운 물을 부으면 색과 향이 물로 빠져나오는 것이 일상적인 추출의 예입니다.

대표 매핑을 한 표로 정리합니다.

표의 두 번째 열을 먼저 찾는 것이 핵심입니다. 분리 방법은 그 다음에 따라옵니다. 소금물처럼 분자 수준에서 녹은 균일 혼합물은 거름으로 나뉘지 않으며, 거름은 입자 크기 차이가 분명할 때만 동작합니다.