용해한도 (solubility limit) - 상태도 기초

합금에서 특정 온도에 대한 용매 내에 용질 원자가 용해될 수 있는 최대 농도를 용해 한도(solubility limit)라고 합니다. 이 용해 한도를 초과하여 용질을 첨가하면 독특한 구성을 가진 다른 고용체(solvent)나 화합물이 생성됩니다. 이러한 개념을 쉽게 이해하기 위해 교과서에서는 설탕-물 (C12H22O11-H2O) 을 예로 들고 있습니다. 설탕을 물에 첨가하면 설탕-물 용액 또는 시럽이 형성됩니다. 설탕을 더 첨가함에 따라 용액은 농도가 높아지며, 용해 한계에 도달하거나 설탕으로 포화됩니다. 이 시점에서 용액은 더 이상 설탕을 용해하지 못하며, 추가된 설탕은 단순히 용기 하단으로 침전합니다. 이제 이 시스템은 설탕-물 시럽 용액과 용해되지 않은 설탕의 고체 결정체의 두 가지 별개의 물질로 이루어지게 됩니다.

The solubility of sugar (C12H22O11) in a sugar–water syrup [1]

설탕의 물에 대한 이 용해 한계는 물의 온도에 따라 달라지며, 그래프로 나타낼 수 있습니다. 그래프에서는 온도를 세로축으로, 조성(중량% 설탕)을 가로축으로 나타냅니다. 조성 축을 따라 설탕 농도는 좌에서 우로 증가하고, 물의 백분율은 우에서 좌로 읽습니다. 용해 한계 선의 왼쪽에서는 오직 시럽 용액만 존재하며, 선의 오른쪽에는 시럽과 고체 설탕이 공존한다는 것을 의미합니다. 어떤 온도에서의 용해 한도는 주어진 온도 좌표와 용해 한계 선의 교차점에 해당하는 조성입니다. 용해 한도 온도의 상승에 따라 약간 증가함을 보여줍니다.

 

합금에서 용해도(용해한도)를 측정하는 방법은 다양한 실험 및 분석 기법을 사용할 수 있습니다.

• 상태 변화 관찰: 평형 열처리 후 합금의 금속조직 관찰을 통해 용질이 용해되는지 혹은 석출이 되는지를 관찰합니다. 용질이 용해되는 양이 최대치에 도달하고 이후로는 석출 되는 것으로 관찰되는 시점이 용해도 한계입니다.
• 열분석법: 열분석기를 사용하여 합금과 용매의 혼합물을 가열하고, 열 흡수 또는 방출량을 측정하는 방법입니다. 용질이 용해되는 동안 발생하는 열 효과를 통해 용해도 한계를 판단할 수 있습니다.
• X선 회절 분석: X선 회절을 사용하여 합금에서 용질의 결정 구조를 분석합니다. 용매와 용질이 서로 다른 결정 구조를 가지는 경우, 용질이 용해될 수 있는 한계 농도에서는 추가된 용질이 새로운 결정 구조를 형성하거나 침전될 수 있습니다.
• 전자 현미경 분석: 전자 현미경을 사용하여 합금 내의 용질 분포를 관찰하고, 용질이 최대 용해도 한계에 도달했을 때의 용질 분포 상태를 확인할 수 있습니다.

합금 시스템에 따라 다른 방법을 적용할 수 있고, 합금 시스템의 특성에 맞게 선택되고 조합되어 사용됩니다.

 

참고

[1] William D. Callister Jr., David G. Rethwisch, Materials Science and Engineering

[2] 고용체 합금 (solid-solution alloy)의 분류와 예