어는점 내림 현상이 일어나는 이유가 무엇인가요?

Question

어는점 내림 현상은 용질이 용매에 녹아 있을 때, 순수한 용매보다 어는점이 낮아지는 현상을 말하잖아요. 어는점 내림 현상이 일어나는 이유가 무엇인가요?

Answer 1

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

어는점 내림 현상이 일어나는 원인은 용질 입자가 용매 분자들의 규칙적인 결정 구조 형성을 방해하고, 용액 상태의 증기압과 열역학적 포텐셜을 낮추기 때문입니다.

액체가 어는 과정은 용매 분자들이 운동 에너지를 잃고 서로 끌어당겨 규칙적인 고체 결정 구조를 형성하는 과정입니다. 순수한 용매는 온도만 낮아지면 용매 분자끼리 쉽게 결합할 수 있지만, 용질이 녹아 있으면 용매 분자 사이사이에 용질 입자가 끼어들게 됩니다. 이 용질 입자들이 용매 분자끼리 접촉하고 결합하는 과정을 방해하기 때문에, 순수한 상태일 때보다 온도를 더 낮춰 분자 운동을 더욱 둔화시켜야만 결정을 형성할 수 있습니다.

또한, 어는점은 고체 상태 용매의 증기압과 액체 상태 용액의 증기압이 같아지는 온도입니다. ​비휘발성 용질이 녹으면 용액 표면의 일부를 용질 입자가 차지하면서 용매 분자가 표면 밖으로 증발하는 것을 막습니다. 그 결과 모든 온도 구간에서 용액의 증기압은 순수한 용매의 증기압보다 낮아집니다. 고체 용매의 증기압 곡선과 액체 용액의 증기압 곡선이 만나는 교점이 순수한 용매일 때보다 더 낮은 온도 쪽으로 이동하게 되므로 어는점이 내려갑니다.

Answer 2

안녕하세요. 어는점 내림은 용매에 용질이 녹아 있을 때 순수한 용매보다 더 낮은 온도에서 얼게 되는 현상입니다. 이러한 현상은 용액에 녹아 있는 입자의 수가 액체와 고체 상태 사이의 평형에 영향을 주기 때문에 발생합니다. 우선 순수한 물은 일반적인 대기압에서 0도에 도달하면 물 분자들이 규칙적인 결정 구조를 형성하면서 얼기 시작합니다. 그러나 물에 소금이나 설탕 같은 용질을 녹이면 물 분자 외에도 용질 입자들이 액체 속에 존재하게 됩니다. 이때 액체 상태에 있는 물의 열역학적 성질이 순수한 물과 달라지면서 얼음 결정이 형성되기 위해서는 더 낮은 온도가 필요해지는데요, 즉 용액은 순수한 물이 어는 0도보다 낮은 온도에서 얼기 시작합니다.

어는점 내림의 핵심은 용질이 물 분자의 움직임을 단순히 방해한다는 데 있지 않습니다. 용질이 녹으면 액체 상태에서 용매가 갖는 열역학적 안정성이 달라지고, 액체와 고체 사이의 평형이 더 낮은 온도에서 이루어집니다. 특히 용질의 종류 자체보다는 용액 속에 실제로 존재하는 입자의 수가 어는점 내림의 크기에 중요한 영향을 미칩니다. 예를 들어 같은 양의 물에 설탕과 소금을 각각 녹이면, 설탕은 주로 분자 상태로 존재하지만 소금은 나트륨 이온과 염화 이온으로 나뉩니다. 따라서 같은 몰수의 물질을 녹였을 때 소금은 더 많은 입자를 만들어 어는점을 더 크게 낮추는 경향이 있고, 일반적으로 묽은 용액에서는 용질 입자의 수가 많을수록 어는점이 더 낮아지며, 이러한 관계를 어는점 내림 공식으로 나타낼 수 있습니다. 우리 주변에서도 어는점 내림 현상을 쉽게 확인할 수 있습니다. 겨울철 도로에 소금을 뿌리면 소금이 눈이나 얼음 표면의 물에 녹아 어는점을 낮추므로, 기온이 0도보다 낮더라도 얼음이 녹을 수 있습니다. 자동차 냉각수에 부동액을 섞는 것도 냉각수가 낮은 온도에서 쉽게 얼지 않도록 하기 위한 것인데요, 다만 소금물도 온도가 충분히 낮아지면 얼며, 소금의 양에 따라 어는점을 낮출 수 있는 정도에는 한계가 있습니다. 감사합니다.