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나트륨이 물에 들어가면 왜 끓는점이 낮아지는건가요

안녕하세요. 원형석 과학전문가입니다.어는 과정과 끓는 과정을 분자차원에서 살펴보면 이유를 알 수 있습니다. 중학생이라도 분자에 대해서는 얼추 알고 계시죠? 해당 물질의 성질을 지닌 가장 작은 입자를 분자라 합니다.물질의 온도가 높아 각 분자가 지닌 열에너지가 많다면, 그 열에너지가 곧 진동 등의 운동을 하는 것으로부터 발생하는 것이기 때문에 분자의 활동성이 크다고 볼 수 있습니다.그리고 활동성이 큰 분자는 서로 간 인력을 이겨내고 자유분방하게 활동하죠. 그러면서도 인력을 완전히 끊어내지 못하여 유동성을 지니나 형태를 가지는 상태를 액체라고 합니다.즉, 액체 상의 분자들은 적당히 에너지를 가지고 있어서 고체에 비해서 비교적 자유로이 움직이지만 기체에 비해서는 분자들 서로가 서로에게 매여있는 상태라 볼 수 있겠습니다.이 액체가 얼기 위해서는 분자들이 충분히 에너지를 잃고 서로간의 인력에 의해 규칙적인 구조를 가져야 합니다.그리고 인력이 지배적인 상태가 되면 그것이 고체가 되는 것입니다.이때 에너지를 잃게 하는 가장 좋은 방법이 주위의 온도를 낮추어 분자의 열에너지를 빼앗는 것입니다.에너지를 빼앗긴 분자들은 활동성이 적어지고 결국 서로간 인력에 의해 규칙적인 구조를 가지게 되는 것이죠.그런데 이때, 소금이란게 물에 녹아있다면?이 소금은 이온결합을 이룬 분자로 이루어져 있습니다. 이온결합에 대해서는 고교과정에서 자세히 배우시겠지만, 지금 대충 설명드리자면, 음, 액체가 되지 않아도 물에 녹을 수 있게 만들어 준다고 볼 수 있겠네요.이온음료 들어보셨죠? 게토레이, 이프로, 포카리스웨트 같은것들요.여기에 들어있는게 이온결합물질들입니다.이온결합 물질을 물에 녹이면 전기적 성질을 가진 이온이라는 것들로 분리 되어서 물에 녹아들어갑니다.그리고 물 분자 사이사이에서 이온들이 움직이죠.자, 다시 하던 얘기로 돌아가서,소금이 물에 녹아도 이온들이 형성됩니다. 소금의 분자식이 NaCl인데, 나트륨과 염소로 이루어져 있죠. 따라서 소금이 녹으면 나트륨이온, 염화이온으로 나눠져 물 분자 사이를 누빕니다.물이 얼려고 할 때, 물 분자들 사이 인력이 작용해 규칙적인 구조를 이뤄야 된다고 했죠?그런데 여기 물 분자들 사이의 이온들이 인력이 작용하는 분자 사이에 딱 들어앉는겁니다.쉽게 말하자면 길막을 하는거죠.이온은 물 분자와 인력이 작용하기도 하고 척력이 작용하기도 하는데, 얘네들이 분자 사이를 왔다갔다 하면서 중요한 물 분자 간 인력을 끊거나 방해하는겁니다.그렇기 때문에 원래라면 인력을 이겨내지 못하고 다른 분자들 사이에 속박되었을 물 분자들이 이온의 길막으로 인해 날뛰는겁니다.그래서 원래 물이 어는 온도인 0도에서도 얼지 못하는 것이죠.그럼 어떻게 해야 얼릴 수 있을까요? 간단합니다. 더 에너지를 빼앗아서 인력이 더 지배적으로 작용하게 만들면 되는겁니다. 그리고 에너지를 빼앗는 가장 대표적인 방법이 주변온도를 내리는거죠. 즉, 0도보다 낮게 내리는 겁니다.이것이 바로 소금물이 어는점이 내려가는 이유입니다.자, 그럼 질문자분이 정말 궁금해 하셨던, 끓는점이 올라가는 이유에 대해 마저 설명해 보자구요.끓는다. 끓는건 분자차원에서 보면 어떤 현상일까요?앞서 설명드린 바를 잘 읽어보셨다면 대충 짐작은 가실겁니다.어는 것은 인력이 분자 자체의 운동에너지를 이겨내어 속박시키는 것이라면, 끓는 것은 반대로 분자의 운동에너지가 너무 높아져 분자 간 인력이 제대로 작용하지 못하는 상태인것이죠.즉, 분자들이 각각 마이웨이로 퍼져 나가는겁니다.그리고 이와 같은 상태를 만드는 가장 좋은 방법이 이번엔, 온도를 높여주는거죠.주위 온도를 높여 분자들이 받는 열에너지가 증가하고, 이것이 곧 분자들의 활동성을 증가시키는 효과를 가져오기 때문에, 분자 간 인력을 이겨내고 분자들이 개별로 액체 상태에서 탈출하는 겁니다.물을 끓이면 속에서도 기포가 막 올라오는걸 볼 수 있어요. 이게 물 속에서도 기체가 될만큼 분자들의 운동에너지가 커졌다는 뜻입니다.근데 여기 아까처럼, 이온들이 들어가 있다면?이온은 물 분자와도 인력, 척력등을 가져서 길막을 한다고 했었죠?이번에도 마찬가지입니다. 에너지가 많아져서 날아가고 싶은 분자들을 이온들이 이번엔 붙잡는겁니다.가는 길목을 직접적으로 길막하기도 하구요.따라서 소금이 섞여들어간 물은 100도가 되어도 끓지 못합니다.끓는 현상을 이온들이 방해하거든요. 그렇기 때문에 얼렸던 것과 마찬가지로, 이번엔 분자들에게 더 많은 에너지를 주어서 이온의 간섭까지 이겨내게 만들어줘야 합니다.그 방법이 온도를 더 높여주는 것이구요.자, 정리하자면, 물에 섞여들어간 소금이 어는 것과 끓는 것. 모두 방해하기 때문에 어는점은 내려가고, 끓는점은 올라간다고 볼 수 있습니다.이로부터 더 나아가, 소금물의 농도가 높다면 방해공작을 하는 이온의 농도도 높아져 어는점이 더 내려가고 끓는점은 더 올라간다는 것도 유추할 수 있죠.

학문 / 화학

23.04.10

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