안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.
겨울철에 사용하는 액체 상태의 휴대용 손난로는 아세트산나트륨이라는 물질의 성질을 이용한 화학 제품입니다. 이 손난로 안에는 아세트산나트륨이 물에 아주 많이 녹아 있는 고농도 수용액이 들어 있습니다. 아세트산나트륨은 높은 온도에서는 물에 잘 녹지만 온도가 낮아지면 녹을 수 있는 양이 급격히 줄어듭니다. 뜨거운 물에 끓였다가 식힌 손난로는 차가워져도 고체로 굳지 않고 액체 상태를 유지하는데, 이를 원래 녹을 수 있는 양보다 훨씬 많은 양이 억지로 녹아 있는 과포화 상태라고 부릅니다.
과포화 상태는 겉보기에는 평온해 보이지만 실제로는 매우 불안정하여 작은 자극에도 쉽게 깨지는 특성이 있습니다. 이때 손난로 속에 들어 있는 얇은 금속판을 똑딱하고 꺾으면 금속판의 미세한 홈이 부딪히면서 순간적으로 강한 충격과 마찰이 발생합니다. 이 작은 충격이 씨앗이 되어 주변의 아세트산나트륨 분자들을 자극하고, 마치 도미노가 쓰러지듯 순식간에 수용액 전체가 하얀 고체 결정으로 굳어버리게 만듭니다.
이 과정에서 따뜻한 열이 발생하는 이유는 물질의 상태 변화 때문입니다. 액체 상태의 분자들이 고체 상태로 굳어지는 응고 현상이 일어날 때는 분자들이 가지고 있던 에너지를 밖으로 내보내야 합니다. 이를 응고열이라고 하는데, 액체 속에 갇혀 있던 숨은 열이 고체로 변하면서 한꺼번에 주변으로 방출되기 때문에 손난로가 순식간에 뜨거워지게 됩니다. 굳어버린 손난로를 다시 끓는 물에 넣으면 열을 흡수하여 액체로 돌아가므로 언제든 재사용이 가능합니다.