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설탕인 소금은. 어떻게. 용액에서 결정 형태로 만들어지나요?

화확공학에서 결정화 공정을 배우는데 용액 상태의 물질이 온도나 농도 조절만으로 어떻게 규칙적인 결정 형태로 석출되는 건지 궁금합니다.

1개의 답변이 있어요!

  • 이중철 전문가

    이중철 전문가

    KISC

    ∙

    안녕하세요. 이중철 전문가입니다.

    용액 속에 녹아 있던 '설탕'이나 '소금'이 규칙적이고 아름다운 고체 결정으로 변하는 과정은 화학공학에서는 결정화(Crystallization)라고 부르는 핵심 분리 공정 중 하나랍니다.

    화학 시간에 배우는 '용해도'와 '화학 결합의 원리'를 바탕으로, 아무런 형태가 없던 액체 속에서 어떻게 자로 잰 듯이 반듯한 결정이 만들어지는지 그 과학적 원리와 공정의 비밀을 정리해 답변 드리겠습니다.

    1. 과포화 상태와 결정화의 원동력

    ​결정화 공정이 시작되기 위한 가장 첫 번째 조건이자 가장 중요한 원동력은 바로 용액을 과포화(Supersaturation) 상태로 만드는 거에요. 모든 물질은 특정 온도에서 액체에 녹을 수 있는 최대 한계치인 용해도를 가지고 있습니다. 이 한계치만큼 녹아 있는 상태를 포화 상태라고 하는데요. 만약 용액의 온도를 서서히 낮추거나 물을 증발시키면, 용액은 이론상 최대로 녹을 수 있는 양보다 더 많은 물질을 머금게 되는 불안정한 과포화 상태에 도달하게 됩니다. ​이때 불안정한 에너지를 낮추고 원래의 안정적인 상태로 돌아가기 위해, 용액 속에 과도하게 녹아 있던 용질 분자들이 액체 밖으로 밀려나와 고체로 변하기 시작합니다. 이것이 결정화의 출발점이랍니다.

    ​2. [핵 생성과 결정 성장] 보이지 않는 규칙성의 시작

    ​과포화 용액 속에서 무작위로 움직이던 분자들이 단단한 고체 벽돌 구조를 쌓아 올리는 과정은 크게 두 단계로 진행됩니다.

    ​첫번째 단계는 핵 생성(Nucleation)입니다.

    과포화 상태가 되면 액체 속을 떠돌던 설탕 분자나 소금의 이온(Na^+, Cl^-)들이 우연히 서로 충돌하며 뭉치기 시작합니다. 처음에는 합쳐졌다가도 쉽게 흩어지지만, 일정 크기 이상의 안정한 씨앗인 결정핵을 형성하는 순간부터는 쉽게 깨지지 않고 유지됩니다.

    ​두번째 단계는 결정 성장(Crystal Growth)입니다.

    일단 안정한 결정핵이 만들어지면, 주변의 다른 분자들이 이 핵의 표면에 자석처럼 달라붙기 시작합니다. 이때 분자들은 아무렇게나 붙는 것이 아니라, 분자 간의 인력이 가장 강해지고 전체 에너지가 가장 낮아지는 규칙적인 방향으로 차곡차곡 쌓이게 됩니다. 소금은 양이온과 음이온이 교대로 정육면체 모양의 강한 이온 격자 구조를 이루며 자라나고, 설탕은 거대한 분자들이 수소 결합을 통해 규칙적인 단사정계 구조를 이루며 성장하게 됩니다.

    3. 설탕과 소금의 결정화 방식 차이

    • 화학공학적 공정 설계

    ​화학공학에서는 각 물질의 고유한 물리화학적 성질에 맞추어 서로 다른 결정화 공정을 설계하고 있는데요. 설탕과 소금은 용해도 특성이 완전히 다르기 때문에 결정으로 만드는 방법도 다르답니다. 설탕은 온도에 따른 용해도 변화가 대단히 큰데요. 뜨거운 물에는 설탕이 엄청나게 많이 녹지만, 온도가 조금만 낮아져도 용해도가 급격히 떨어지거든요. 따라서 설탕 공장에서는 온도를 서서히 낮추어 과포화를 유도하는 냉각 결정화 공정을 주로 사용합니다. 반면에, 소금은 온도가 변해도 용해도가 거의 변하지 않는 독특한 성질을 가지고 있습니다. 뜨거운 물이나 찬 물이나 소금이 녹는 양은 비슷하거든요. 따라서 소금은 온도를 낮추는 방법으로는 결정을 만들기 어렵습니다. 이 때문에 화학공학에서는 물을 가열해 증발시켜 과포화를 만드는 증발 결정화 공정을 사용하여 소금 결정을 얻어냅니다. 바닷물을 말려 소금을 얻는 염전의 원리가 바로 이것이지요. 또한 결정이 자라는 속도를 조절하는 것도 공학적으로 매우 중요한데요. 온도를 급격하게 낮추거나 수분을 빠르게 증발시키면 핵이 한꺼번에 무수히 많이 생겨나 크기가 아주 작고 불규칙한 결정이 만들어집니다. 반대로 온도를 아주 천천히 조절하면 핵이 적당히 생기고 기존의 핵 위로 차분하게 성장할 시간이 주어지기 때문에, 크기가 크고 순도가 매우 높은 맑은 결정을 얻을 수 있습니다.

    ​정리하자면,

    용액에서 결정이 만들어지는 과정은 용액을 한계치 이상으로 녹아 있는 과포화 상태로 만들었을 때 에너지를 낮추기 위해 시작되는 현상인데요. 액체 속의 분자들이 충돌하여 단단한 씨앗을 형성하는 핵 생성 단계를 거쳐 에너지가 가장 낮고 안정적인 격자 방향으로 차곡차곡 쌓여가는 결정 성장 단계를 통해 규칙적인 모양이 완성되고, 화학공학에서는 온도에 따라 용해도가 급변하는 설탕은 냉각 결정화 방식을 쓰고 온도 변화가 적은 소금은 증발 결정화 방식을 사용하며 온도와 농도 조절 속도를 미세하게 제어하여 원하는 크기와 순도의 결정을 생산하고 있습니다.

    ※ 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.😉

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