학문
밤하늘의오로라
왜 얼음에 소금을 뿌리면 더 차가워지나요?
안녕하세요. 아이스크림을 직접 수제로 만들 때 얼음에 소금을 섞으면 온도가 더 내려가는데요, 이게 어는점이 내려가서 라고는 말할 수 있지만, 실제로는 고체가 녹으면서 주변의 열을 흡수하는 흡열 과정이 일어난다고 알고있습니다. 이때 소금이 물 분자 사이의 배열에 어떤 변화를 일으키며, 왜 그 결과로 온도가 더 낮아질 수 있는 것인가요?
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안녕하세요.
순수한 물이 0℃에서 어는 이유는, 그 온도에서 액체 물과 고체 얼음의 화학 퍼텐셜이 같아져 두 상태가 평형을 이루기 때문입니다. 얼음 속에서는 물 분자들이 수소결합을 통해 비교적 규칙적인 육각형 격자 구조를 형성하는데요 이 구조는 분자들이 비교적 멀리 떨어진 배열을 가지므로 밀도가 낮습니다. 그런데 여기에 소금을 뿌리면 상황이 달라집니다. 소금은 물에 녹으면서 Na⁺와 Cl⁻ 이온으로 분리되며 이 이온들은 극성을 가진 물 분자들과 강하게 상호작용합니다. 물 분자의 산소 쪽은 Na⁺ 주변에, 수소 쪽은 Cl⁻ 주변에 배열되면서 수화 껍질을 형성합니다. 이 과정에서 두 가지 중요한 변화가 일어나는데 우선 물 분자들이 얼음의 규칙적인 수소결합 격자를 유지하기 어려워집니다. 즉, 이온이 물 분자 사이에 끼어들어 결정 구조 형성을 방해하며 그 결과, 물이 얼기 위해서는 더 낮은 온도가 필요해집니다. 이것이 바로 어는점 내림입니다. 다음으로 얼음이 녹는 과정은 기본적으로 흡열 과정인데요 얼음이 물로 변하려면 수소결합 격자를 깨야 하고, 이때 에너지가 필요합니다. 보통 0℃에서는 녹는 속도와 어는 속도가 같아 평형이 유지됩니다. 그런데 소금을 넣으면, 액체 상태가 더 안정해지므로 평형이 녹는 쪽으로 이동하고, 이처럼 얼음이 더 많이 녹아야 새로운 평형이 됩니다.
열역학적으로 보면, 소금이 녹으면서 계의 엔트로피가 크게 증가합니다. 고체 얼음이 녹아 액체가 되고, 소금이 이온으로 흩어지는 과정은 모두 무질서도를 증가시키는 방향이며 이러한 엔트로피 증가 효과 때문에 더 낮은 온도에서도 액체 상태가 유지될 수 있습니다. 감사합니다.
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