지문해설 | 2023학년도 고3 3모 "결정화 공정과 초임계 용매" 과학지문 Q14~17

2023학년도 고3 3모 속 결정화 공정, 초임계 용매를 설명합니다. 잘 와닿지 않아 어려웠던 과학기술을 쉽게 이해해 보세요 :)

목차

2023학년도(2023년 시행) 고3 3월 교육청 모의고사 Q14~17  결정화 공정과 초임계 용매

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 요약 

혼합물에 용질이 용해도 이상으로 녹아 있으면, 고체 입자로 석출되어 포화 상태를 유지하려는 경향이 있습니다.

결정화 공정에는 초임계 유체가 사용되며, 초임계 유체에 가해지는 압력을 높일수록 더 많은 양의 용질을 녹일 수 있습니다.

▲ 초임계 이산화 탄소를 반용매로 사용하는 GAS 공정: 액체 용매에 결정화하려는 물질을 녹여 만든 혼합물에 초임계 이산화 탄소를 주입하면, 초임계 이산화 탄소가 용매와 섞이며 기존에 용매에 녹아 있던 용질이 고체 상태로 석출됩니다.

▲ 초임계 이산화 탄소를 용매로 사용하는 RESS 공정: 초임계 이산화 탄소에 결정화하려는 물질을 녹여 만든 혼합물을 대기압으로 분사하면, 이산화 탄소가 기체로 변하며 용질이 고체 입자로 석출됩니다.

한편, 결정화 공정에 사용되는 혼합물의 농도가 높을수록 석출되는 고체 입자의 크기는 작아지며, 이를 다양한 산업 현장에서 활용할 수 있습니다.

 

1문단

 

초등학교 때 용해와 용액에 대해 배웠던 거 기억하나요?

한 물질이 다른 물질에 녹아 골고루 섞이는 현상을 용해, 그리고 그 결과 설탕물처럼 설탕과 물이 골고루 섞여 있는 것을 용액이라고 합니다. 이때, 설탕물에서 설탕처럼 다른 물질에 녹는 물질을 용질, 물처럼 용질을 녹이는 물질을 용매라고 합니다.

용액, 용질, 용매

 

'일정한 온도에서 일정한 양의 용매에 최대로 녹을 수 있는 용질의 양'을 용해도라고 하는데,

혼합물이 '용질이 용해도 이상으로 녹아 있는' 과포화 상태라면, '포화 상태로 돌아가려는 경향'이 있습니다.

그래서 혼합물은 최대로 녹을 수 있는 용질의 양을 초과한 만큼 '용질이 고체 입자로 석출'되는 결정화를 거칩니다.

용해와 석출 과정

 

결정화 공정을 거치면 '입도가 작은(=입자 크기가 작은) 고체 입자'를 얻을 수 있는데,

'약물의 생체 흡수율을 높이'고자 하는 제약 분야 등에서 유용하게 활용됩니다.

 

2문단

 

여러 산업 분야에서 유용한 '결정화 공정에서는 초임계 유체를 쓰는 경우'가 많습니다.

초임계 유체는 무엇일까요?

 

일반적으로 물질은 고체, 액체, 기체의 세 가지 상태를 가집니다.

일정한 압력에서 고체 상태였던 물질이 온도가 상승하면 액체, 그리고 기체로 변화하고

마찬가지로 일정한 온도에서 기체 상태였던 물질에 가해지는 압력이 높아지면 액체, 그리고 고체로 변화합니다.

 

만약에 어떤 물질이 '액체로 존재할 수 있는 최고 온도(=임계 온도)'보다 높은 온도에 있으면서 동시에 '기체로 존재할 수 있는 최대 압력(=임계 압력)'보다 높은 압력을 받으면 어떤 상태가 될까요?

임계 온도보다 높은 온도니까 기체? 아니면 임계 압력보다 높은 압력이니까 액체?

 

'임계 온도와 임계 압력 이상에서' 물질은 '액체도 아니고 기체도 아닌 초임계 상태로 존재'합니다.

아래 그림은 온도와 압력에 따라 물질이 어떤 상태를 보이는지 나타내는 상평형 그림인데, 임계점을 기준으로 우측(임계 온도 이상) 상단(임계 압력 이상)에 초임계 유체 상태라는 점을 확인할 수 있습니다.

 

초임계 유체 상태의 물질은 분자 간 거리도, 용질이나 용매의 자유도도 액체와 기체 사이인 특성을 갖습니다.

 

한편, 초임계 유체는 '가해지는 압력을 높이면 밀도가 높아져 더 많은 양의 용질을 녹일 수' 있습니다. 즉, 가해지는 압력에 따라 용해도가 달라집니다.

이 특징 때문에 결정화 공정을 거쳐 석출되는 '고체 입자의 입도를 조절'할 수 있는데,

이어지는 지문에서 ▲구체적인 결정화 공정과 그로 인해 ▲석출되는 고체 입자의 크기의 연관성을 확인해 봅시다.

 

3문단

 

먼저, GAS 공정입니다.

GAS 공정은 '초임계 이산화 탄소를 반용매로 사용하여 혼합물에 녹아 있는 용질을 작은 입도의 고체로 석출'하는 공정입니다.

용매는 용질을 녹이는 물질인 반면, 반용매는 '용매와는 잘 섞이지만 용질을 녹이지 않는 물질'입니다.

 

GAS 공정에서 ▲초임계 이산화 탄소는 ▲반용매로서 고체 입자 석출에 어떤 역할을 하는지 이해해 봅시다.

1. '결정화하려는 물질을 액체 용매에 녹여서' 혼합물을 만든다.
2. 혼합물을 넣은 용기를 '이산화 탄소와 액체 용매의 임계 온도와 임계 압력의 사이에 맞춘다.'
   (※ 이산화 탄소는 초임계 상태를, 용매는 액체 상태를 유지할 수 있는 조건의 온도와 압력)
3. '초임계 이산화 탄소를 용기에 주입'한다.
   (※ 이산화 탄소의 임계 온도와 임계 압력 이상의 용기로 주입되는 것으로, 이산화 탄소는 초임계 상태에 있음)
4. 초임계 이산화 탄소가 용매와 섞이면서(=반용매) '용매에 녹아 있을 수 있는 용질의 양이 줄어든다.'
5. 과포화 상태가 된 혼합물에 '녹아 있던 용질이 고체 입자로 석출된다.'

GAS 공정

 

즉, GAS 공정에서 이산화 탄소는 ▲임계 온도와 임계 압력 이상으로 맞춰진 용기에 주입되면서 초임계 상태가 되고

초임계 이산화 탄소는 ▲반용매로 작동하여 용매와 잘 섞이면서, 용매에 기존에 녹아 있던 용질을 고체 입자로 석출시키는 결정화를 발생시키는 것입니다.

 

이때, 고체 입자로 '석출되는 용질의 양은 처음 혼합물의 농도에 의해 정해집니다.'

 

4문단

 

이와 같은 '결정화 과정에서 고체 입자가 석출'되기 위해서는 '결정핵이 생성'되어야 합니다.

 

앞서 3문단에서 처음 혼합물의 농도가 고체 입자로 석출되는 용질의 양을 결정한다고 했는데, '혼합물의 농도가 높을수록 결정핵을 만들 수 있는 용질 분자 수가 많음'을 의미합니다. 용질 분자 수가 많으면 결정핵이 많이 생성될 수 있고, 그렇게 되면 '하나의 결정핵에 모일 수 있는 용질 분자의 수가 적어져서 고체 입자의 크기는 작아지게' 되는 것입니다.

 

즉, 처음 혼합물의 농도가 높을수록 고체 입자의 크기가 작아집니다.

 

5문단

 

한편, RESS 공정은 '초임계 이산화 탄소를 용매로 사용'합니다. 즉, 혼합물에 '결정화하려는 물질과 초임계 이산화 탄소가 섞여' 있는 것입니다.

 

3문단에서 설명하는 GAS 공정과 잘 구분 지어, RESS 공정에서 ▲초임계 이산화 탄소는 ▲용매로서 고체 입자 석출에 어떤 역할을 하는지 이해해 봅시다.

1. '결정화하려는 물질을 초임계 이산화 탄소에 녹여서(=용매)' 혼합물을 만든다.
   (※ 이산화 탄소가 초임계 상태일 수 있도록 고압을 유지하는 용기에 만듦)
2. '고압의 용기에서 대기압을 유지하는 용기로 분사한다.'
3. 초임계 이산화 탄소는 '빠르게 압력이 내려가며 기체로 변하고', 용질은 '고체 입자로 석출'된다.

RESS 공정

 

즉, RESS 공정에서 이산화 탄소는 ▲고압의 용기에서 초임계 상태로 존재하며, ▲결정화하려는 물질을 녹이는 용매로 작동합니다.

압력이 낮은 대기압으로 분사되면서, 이산화 탄소는 기체 상태로 변하고, 녹아 있던 용질이 고체 입자로 석출되는 결정화가 일어납니다.

 

'GAS 공정과 동일하게' 석출되는 입자의 크기는 처음 혼합물의 농도가 높을수록 작아집니다.

 

요약하자면, 3~5문단을 통해

▲2가지(GAS 공정과 RESS 공정) 결정화 공정을 이해하고,

▲석출되는 고체 입자의 크기는 처음 혼합물의 농도로 결정된다는 점을 확인하였습니다.

 

6문단

 

결정화 공정에서 주로 사용되는 물질은 이산화 탄소로, '임계 온도가 상온과 큰 차이가 없다'는 특징을 가집니다. 그래서 GAS 공정에서 '온도를 조금만 올리고 압력을 올리면 쉽게 초임계 상태'로 만들 수 있었습니다.

※ 실제로, 이산화 탄소의 임계 온도는 31°C(304 K) 정도로, 상온(20°C, 293 K)과 큰 차이가 없습니다.

 

특히, '초임계 이산화 탄소를 이용하면 압력을 조절하여 석출되는 고체 입자의 입도를 작게 만들 수 있다'는 장점은 RESS 공정에서 확인해 볼 수 있는데, RESS 공정에서 압력을 높여 혼합물의 농도를 높게 하였다가 대기압(낮은 압력)의 용기로 분사하면 더 작은 입자의 고체를 석출할 수 있습니다.

GAS 공정(좌)와 RESS 공정(우)에서 이산화탄소의 상 변화

 

16번 문제 풀이

 

문제 16번의 <보기>에서는 초임계 유체를 용매로 사용하는 공정, 즉 RESS 공정을 설명하고 있습니다.

 

 5문단 에서 설명되는 RESS 공정에서는 고압의 용기에서 만들어진 혼합물(초임계 이산화탄소+결정화하려는 물질)이 낮은 압력의 용기로 분사되면서 고체 입자가 석출됩니다.  2문단  내용에 따라 '초임계 유체에 가해지는 압력을 높이면' 더 많은 양의 용질을 녹일 수 있기 때문에, RESS 공정에 사용되는 혼합물의 농도를 높일 수 있습니다.  4문단  내용에 따르면, 결정화 공정에 사용되는 혼합물의 농도가 높을수록 '결정핵을 만들 수 있는 용질 분자 수가 많아' 결정핵이 많이 생길 수 있기 때문에 그에 따라 '석출되는 고체 입자의 크기가 작아'지는 것입니다.

 

17번 문제 풀이

 

문제 17번의 <보기>에서는 초임계 이산화 탄소를 반용매로 주입하여 A를 석출하는 실험을 설명하고 있습니다. 즉,  3~4문단 에서 설명되는 GAS 공정을 기반으로 문제를 풀어야 합니다.

②에서 혼합물의 농도가 더 높은 ㉯에서 석출된 A의 입도가 더 작은 것은, 혼합물의 농도가 높은 경우 결정핵을 만들 수 있는 용질 분자의 수가 많아 하나의 결정핵에 모이는 용질의 분자 수는 적어지기 때문입니다.

한편, ① 반용매는 용질(A)을 녹이지 않으며, ③, ⑤ 반용매가 주입될수록 용매와 섞이며 과포화가 일어나며, ④ 석출되는 A의 양은 사용된 혼합물의 양이 같은 경우, 처음 혼합물의 농도에 따라 결정된다는 점 등을 고려하면 나머지 선지가 적절하지 않음을 확인할 수 있습니다.