제설제는 왜 추위가 심하면 잘 안 듣나요?

Question

겨울철 도로에 염화 나트륨을 뿌리면 얼음이 녹지만 기온이 크게 떨어지면 효과가 줄어든다는 설명을 봤습니다. 염화나트륨이 물의 어는점을 낮춘다면 추운 날에도 계속 작용할 것 같은데요. 그렇지 못한 이유가 궁금하네요. 그 논리가 맞다면 제설제가 효과를 낼 수 있는 한계 온도 같은것도 있는 건가요?

Answer 1

안녕하세요, 엄격한비단벌레5님. 이중철 전문가입니다.

먼저, 제설제인 염화나트륨이 심한 추위에서 잘 듣지 않는 이유는 고체 상태의 염화나트륨이 먼저 소량의 액체 물에 녹아 이온화되어야 어는점 내림이 일어나는데, 기온이 너무 낮으면 얼음 표면의 수분막마저 얼어붙어 용해 자체가 어려워지고, 용액이 얼지 않고 버틸 수 있는 물리적 한계 온도인 공융점에 도달하기 때문이랍니다.

■ 초기 용해 과정의 중단과 흡열 반응의 한계

염화나트륨이 얼음을 녹이려면 먼저 얼음 표면에 존재하는 얇은 액체 수분막에 녹아 나트륨 이온과 염화 이온으로 나뉘어야 합니다. 이 이온들이 물 분자끼리 결합해 얼음 결정이 되는 것을 방해하면서 어는점을 낮추는데요. 기온이 영하 7도에서 영하 10도 아래로 떨어지면 얼음 표면의 미세한 물기마저 완전히 얼어붙어 염화나트륨 알갱이가 녹을 수 있는 매개체가 사라집니다. 게다가 염화나트륨은 물에 녹을 때 주변의 열을 빼앗는 흡열 반응을 일으키므로, 극한의 추위에서는 오히려 주변 온도를 더 떨어뜨려 녹는 속도가 급격히 느려집니다.

■ 제설제의 한계 온도인 공융점의 존재

설령 물에 녹더라도 제설제가 작동할 수 있는 절대적인 한계 온도인 공융점이 존재합니다. 소금물의 농도를 아무리 높여도 어는점이 무한정 내려가는 것은 아니며, 염화나트륨 수용액의 공융점은 약 영하 21.1도입니다. 기온이 이보다 낮아지면 염화나트륨 수용액 자체가 얼음과 소금 결정으로 완전히 얼어붙어 제설 기능을 상실하는데요. 이 때문에 한파가 심할 때는 물과 만나 열을 내는 발열 반응을 일으키며 공융점이 영하 51도 수준으로 훨씬 낮은 염화칼슘을 함께 섞어 사용하고 있어요.

정리하자면,

염화나트륨 제설제가 혹한에서 제 기능을 못 하는 것은 얼음 표면의 수분막이 얼어 초기 용해와 이온화가 일어나기 어렵고, 용액이 액체 상태를 유지할 수 있는 한계 온도인 공융점 영하 21.1도 아래에서는 소금물마저 얼어붙기 때문이며, 실제 도로에서는 영하 10도 이하부터 효율이 급감하므로 더 낮은 공융점을 가진 염화칼슘 등을 혼합해 대처한답니다.

※ 질문자님을 포함하여 소중한 분들의 건강, 재산과 안전을 지키고, 혹시나 발생할 수 있을 다양한 문제 상황에 놓이지 않기 위해서라도 저를 포함하여 다양한 토픽에서 활동하는 모든 전문가분들의 아하 지식커뮤니티에서의 답변은 예외 없이 참고 용도로만 유용하게 활용하시기 바랍니다.😉

Answer 2

안녕하세요. 김찬우 전문가입니다.

제설제가 추위가 심할때 잘 듣지 않는 이유는 소금이 물에 녹아 내려갈 수 있는 한계온도가 존재하고 극저온에서는 염분이 물에 녹는 반응 자체가 멈추기 때문입니다.

염화나트륨이 물의 어는점을 낮출 수 있는 물리적 한계온도는 영햐 21도 이며 실제 도로에서는 영하 10도만 되어도 효과가 크게 줄어 듧니다.

기온이 너무 낮으면 얼음 표면의 미세한 물기마저 완전히 얼어붙어 제설제가 녹아들며 반응이 시작할 수 없습니다. 염화나트륨은 녹으면서 주변의 열을 빼앗기 때문에 기온이 낮을 수록 제설반응이 더욱 느려 집니다.

그래서 제설제는 무한정 어는점을 낮추는 것이 아니라 한계온도가 51도까지 내려가는 염화칼슘 등을 혼합해 사용해야 합니다.

그럼 답변 읽어주셔서 감사드립니다:)