왜 소금물은 순수한 물보다 늦게 어는 것인가요?

Question

안녕하세요. 염화나트륨이 물에 녹아 있을 때 어는점이 낮아지는 현상을 콜리게이티브 성질 관점에서 어떻게 설명할 수 있으며 입자의 종류가 아니라 입자 수가 중요한 이유는 무엇인가요?

Answer 1

안녕하세요.

순수한 물은 1기압에서 0℃가 되면 액체와 고체의 화학 퍼텐셜이 같아지면서 평형에 도달하고, 그 온도에서 얼기 시작하는데요 이때 물에 염화나트륨이 녹아 있으면 이 평형 조건이 달라지며 이는 용질이 물의 열역학적 성질, 특히 용매인 물의 화학 퍼텐셜을 낮추기 때문입니다.

콜리게이티브 성질의 관점에서 보면 어는점 내림은 용질 입자의 수에 의해 결정되는 현상인데요 소금이 물에 녹으면 NaCl은 Na⁺와 Cl⁻ 이온으로 해리되어 물속에 분산됩니다. 이렇게 용질 입자가 존재하면 물 분자들이 규칙적인 얼음 결정 구조를 형성하기가 더 어려워집니다. 얼음은 물 분자들이 수소 결합을 통해 정돈된 격자 구조를 이루어야 만들어지는데, 사이사이에 이온이 끼어 있으면 그 배열이 방해받으며 따라서 물이 얼기 위해서는 더 낮은 온도, 즉 더 낮은 에너지 상태로 내려가야 하고 결과 어는점이 0℃보다 낮아집니다.

열역학적으로 표현하면, 용질이 녹아 있으면 액체 상태 물의 화학 퍼텐셜이 감소합니다. 반면 고체 상태는 거의 순수한 물 분자들로만 이루어져 있기 때문에 용질의 영향을 거의 받지 않는데요 따라서 두 상태의 화학 퍼텐셜이 같아지는 온도가 더 낮아져야 새로운 평형이 형성됩니다. 이때 중요한 것은 이 현상이 물질의 종류보다는 입자의 수에 의존한다는 것이며 이는 용액의 엔트로피 증가와 관련이 있습니다. 용질 입자가 많을수록 계의 무질서도가 증가하고, 이 효과가 용매의 열역학적 성질을 변화시킵니다. 정리하면 소금물이 순수한 물보다 늦게 어는 이유는 용질 입자들이 물의 결정 형성을 방해하고, 동시에 용매의 화학 퍼텐셜을 낮추어 액체 상태를 더 안정하게 만들기 때문입니다.

Answer 2

안녕하세요. 김찬우 전문가입니다.

총괄성을 아시는걸 보면 질문에 대한 답도 알고 물어보시는 것 같습니다.

순수한 물보다 소금물이 더 낮은 온도에서 어는 것은 엔트로피로 설명을 할 수 있습니다.

기본적으로 순수한 용매에 용질이 녹아서 용액이 되면 순수한 용매보다 낮은 온도에서 어는 현상을 어는점 내림 이라고 합니다.

액체가 고체가 된다는건 액체 분자들이 운동 에너지를 잃고 서로 뭉쳐서 결정 구조를 만들어야 합니다. 순수한 물일 때보다 소금물이 훨씬 무질서한 상태 이기 때문에 순수한 물을 얼릴때보다 더 많이 에너지를 잃어야 합니다. 그래서 이 무질서도를 상회하는 저온을 가해 에너지를 뺏어야지만 소금물이 얼게 되는 것 입니다.

그럼 답변 읽어주셔서 감사드립니다~! 더 궁금한게 있으시면 언제든지 문의 주십시요:)