화학 전문가님 화학 실험에 관한 답변부탁드립니다.

Question

학교에서 물에 대해 실험하는데 이 사진에 있는 현상을 수소결합으로 인한 물의 특성과 연관지어 설명해주세요ㅜㅠ 또 실험 가능한지 봐주세오

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Answer 1

안녕하세요.

올려주신 사진 속의 현상들은 물 분자 사이의 수소결합 네트워크가 재배열되면서 나타나는 현상으로 이해하시면 됩니다.

첫번째로, 아세트산과 물을 섞으면 전체 부피가 감소하는 현상의 경우 우선 물은 수소결합으로 인해 비교적 느슨하지만 방향성을 가진 구조를 형성하고 있고, 이 구조는 끊임없이 재배열됩니다. 여기에 아세트산 분자가 들어오면, 기존의 물 분자간의 수소결합 일부가 깨지고 대신 물과 아세트산 사이에 새로운 수소결합이 형성됩니다. 이때 새롭게 형성된 상호작용이 더 효율적인 공간 배치를 만드는데요, 물 분자들끼리 있을 때보다 서로 다른 분자가 섞이면서 더 촘촘하게 배열되면서 전체 부피가 줄어드는 것입니다.

두 번째 현상인 딱딱이 손난로가 존재할 수 있는 이유도 수소결합과 관련이 있는데요, 우선 물 속에서 용질이 녹는 과정은 물 분자들이 수소결합 네트워크를 재구성하면서 용질 이온이나 분자를 둘러싸는 수화가 일어나는 과정입니다. 특정 온도에서 물은 많은 양의 용질을 안정하게 감쌀 수 있는데, 온도를 낮추면 원래는 용해도가 줄어들어야 합니다. 그런데 급격히 식히면 결정이 형성될 핵이 없는 상태에서 용질이 여전히 물 속에 분산된 채 남을 수 있으며, 이를 과포화 상태라고 합니다. 이때도 물은 수소결합 네트워크를 유지하면서 용질을 둘러싸고 있으나 이 상태는 열역학적으로 불안정하기 때문에, 작은 충격이 주어질 경우 수소결합 네트워크가 재배열되면서 용질이 한꺼번에 결정으로 석출됩니다.

마지막으로, 소금 포화 용액에 설탕이 더 녹는 현상의 경우에도 만약 물에 단순한 고정된 빈 공간이 있다면, 소금으로 이미 꽉 찼다면 다른 물질이 더 이상 들어갈 수 없어야 합니다. 하지만 소금은 물 속에서 각각 양이온과 음이온으로 분리되어 각 이온이 물 분자들과 강한 이온-쌍극자 상호작용 및 수소결합 네트워크 재구성을 통해 안정화됩니다. 반면 설탕은 주로 분자 형태로 존재하며, 다수의 -OH기 때문에 물과 수소결합을 형성하면서 용해되는 물질입니다. 즉, 소금과 설탕이 물과 상호작용하는 방식이 다르기 때문에, 동시에 서로 다른 방식으로 용질들이 안정화될 수 있는 것입니다. 세 가지 실험 모두 학교 수준에서도 충분히 재현 가능합니다. 첫 번째는 물과 아세트산을 눈금실린더로 정확히 측정해 섞으면 부피 감소를 관찰할 수 있고 두 번째 손난로 실험은 시판되는 아세트산나트륨 용액 키트를 사용하면 안전하게 재현할 수 있을 것 같습니다. 세 번째는 소금 포화 용액을 만든 후에 설탕을 넣어 실제로 더 녹는지 확인하는 방식으로 간단히 수행할 수 있습니다. 감사합니다.