물과 에탄올 혼합물의 가열 곡선에서 평탄한 구간이 나타나는 이유를 분자 간 인력의 차이와 관련지어 설명해 주세요.

Question

전통 소주를 만들 때 발효된 술(탁주)을 가열하여 맑은 술을 얻는데요, 물과 에탄올 혼합물의 가열 곡선에서 평탄한 구간이 나타나는 이유를 분자 간 인력의 차이와 관련지어 설명하고, 증류 과정에서 알코올 농도가 높아지는 원리는 무엇인가요?

Answer 1

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

발효된 술인 탁주를 가열하면 물과 에탄올이 섞여 있는 혼합물이 끓기 시작합니다. 이때 가열 곡선을 보면 일정한 온도에서 평탄한 구간이 나타나는데, 이는 단순히 온도가 계속 올라가는 것이 아니라 액체가 기체로 변하는 상변화가 일어나기 때문입니다. 상변화 과정에서는 공급되는 열이 온도를 높이는 데 쓰이지 않고, 분자들 사이의 인력을 끊어내는 데 사용됩니다. 물은 강한 수소결합을 가지고 있어 끓는점이 높고, 에탄올은 상대적으로 약한 수소결합을 형성하기 때문에 끓는점이 낮습니다. 두 성분이 섞여 있을 때는 각 분자의 인력 차이에 따라 증발이 동시에 일어나며, 이로 인해 일정한 온도에서 에너지가 잠열로 소비되어 곡선이 평탄하게 유지됩니다.

증류 과정에서 알코올 농도가 높아지는 원리는 에탄올이 물보다 더 쉽게 증발한다는 점에 있습니다. 에탄올은 끓는점이 낮고 증기압이 높기 때문에 같은 온도에서 물보다 먼저, 더 많이 기체 상태로 전환됩니다. 따라서 끓는 혼합물에서 발생하는 증기는 원래 액체보다 에탄올 비율이 높습니다. 이 증기를 모아 식히면 알코올 농도가 높은 맑은 술, 즉 소주가 얻어집니다. 결국 증류는 물과 에탄올의 끓는점 차이와 분자 간 인력의 차이를 이용해 알코올을 농축하는 과정이라고 할 수 있습니다.

이렇게 보면, 전통 소주의 증류는 단순히 끓이는 과정이 아니라 물질의 분자적 성질을 활용한 정교한 분리 기술이라고 설명할 수 있습니다.

Answer 2

안녕하세요.

물과 에탄올의 혼합물을 가열할 때 가열 곡선에서 온도가 일정하게 유지되는 평탄한 구간이 나타나는 이유는 기화에 필요한 잠열로 사용되기 때문입니다. 우선 물은 수소 결합이 매우 강하게 형성되는 물질인 반면 에탄올은 수소 결합을 할 수 있지만, 탄화수소 부분이 포함되어 있어 물보다 전체적인 분자 간 인력이 상대적으로 약합니다. 이러한 차이로 인해 에탄올은 약 78 °C에서, 물은 100 °C에서 끓게 됩니다.

즉 혼합물을 가열하면 먼저 에탄올이 더 쉽게 기화되기 시작하는데요, 액체에서 기체로 상태가 변하려면 분자 간 인력을 끊어야 하므로 많은 에너지가 필요합니다. 공급된 열은 분자 운동을 증가시켜 온도를 올리는 데 쓰이기보다는, 분자 간 인력을 끊고 기화시키는 데 사용되기 때문에 끓는 동안에는 온도가 일정하게 유지되는 평탄한 구간이 나타나는 것입니다. 말씀해주신 것처럼 이 원리는 전통 소주 제조에 사용되는 증류 과정과 직접적으로 연결되는데요 혼합물을 가열하면 끓는점이 더 낮은 에탄올이 물보다 더 많이 기체로 넘어가게 되고, 이 기체를 냉각하여 다시 액체로 만들면 원래 혼합물보다 에탄올의 비율이 높은 용액을 얻을 수 있습니다. 즉, 증류 과정에서 알코올 농도가 높아지는 이유는 두 물질의 끓는점이 다르다보니 기체로 넘어가는 성분의 조성이 액체보다 에탄올 쪽으로 더 치우치기 때문입니다. 감사합니다.