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부동액은 왜 물보다 어는점이 낮고 끓는점은 높나요?
자동차 냉각수에 넣는 부동액이 물의 어는점을 낮추면서 동시에 끓는점도 높인다고 들었는데, 하나의 물질이 왜 이렇게 양쪽 방향으로 다 영향을 미치는 건지 궁금합니다.
2개의 답변이 있어요!
안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.
겨울에는 꽁꽁 어는 것을 막아주고, 여름에는 펄펄 끓어 넘치는 것을 막아주는 부동액은 화학에서는 이를 용액의 총괄성이라는 아주 자연스러운 현상으로 설명합니다. 핵심부터 말씀드리면, 부동액이 물을 덥히거나 차갑게 만드는 것이 아닙니다. 부동액 분자들이 물 분자들 사이에 끼어들어 물 분자가 기체로 날아가거나, 고체로 뭉치는 과정을 물리적으로 방해하기 때문입니다. 이 과정에 대해 설명해 드릴게요.
순수한 물은 100°C가 되면 분자들이 자유롭게 표면을 탈출하려고 하지만, 물에 에틸렌 글리콜 같은 부동액 성분이 녹아 있으면, 이 부동액 분자들이 물 표면의 일부를 차지하고 있기 때문에 물 분자 입장에서는 탈출구가 좁아지고 부동액 분자들이 길을 막고 있는 셈입니다. 결과적으로 물 분자들이 표면을 뚫고 기체로 날아가려면 평소보다 더 많은 열에너지가 필요해집니다. 이 때문에 100°C에서 끓어야 할 냉각수가 105°C~110°C가 되어야 비로소 끓게 되는 것입니다.
반대로 물이 얼 때는 물 분자들이 뭉쳐 규칙적인 얼음 결정을 만들어야 하는데, 이때도 부동액 분자가 중간에 끼어들어 결합을 훼방 놓습니다. 이 방해를 이겨내고 얼음이 되려면 물 분자의 움직임이 평소보다 훨씬 둔해져야 하므로 0℃보다 온도가 크게 떨어져야 합니다.
채택된 답변안녕하세요. 정재경 전문가입니다.
부동액이 물보다 어는점이 낮고 끓는점이 높은 이유는 물에 다른 물질이 섞이면서 발생하는 어는점 내림과 끓는점 상승이라는 화학적 현상 때문입니다.
물이 얼 때는 물분자끼리 규칙적으로 뭉쳐 얼음 결정 구조를 만들어야 하는데, 부동액 속에 들어있는 에틸렌글리콜 성분이 물분자 사이에 끼어들어 결합을 방해합니다. 그래서 순수한 물의 어는점인 0℃보다 훨씬 더 낮은 온도까지 내려가야 겨우 얼기 시작합니다.
반대로 액체가 끓으려면 물분자가 표면을 뚫고 기체로 증발해야 하는데, 표면에 섞여 있는 부동액 입자들이 물분자의 증발을 막아버립니다. 이 때문에 100℃보다 더 많은 열에너지를 가해 증기압을 높여야만 끓어오르게 됩니다.
결과적으로 부동액은 물분자의 결합과 증발을 모두 방해하여 겨울에는 냉각수가 얼어붙는 것을 막고, 여름에는 엔진 열로 냉각수가 끓어 넘치는 오버히트를 막아줍니다.