에틸렌글리콜은 왜 물의 어는점을 효과적으로 낮추나요?

Question

자동차 부동액의 주성분인 에틸렌글리콜이 물의 어는점을 크게 낮춘다고 배우는데, 이 물질이 물 분자의 결빙을 방해하는 화학적 원리가 궁금합니다.

Answer 1

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

에틸렌글리콜이 물의 어는점을 크게 낮추는 원리는 분자 내 2개의 히드록시기가 물 분자와 강력한 수소 결합을 맺어, 물이 규칙적인 얼음 결정 격자를 형성하지 못하도록 방해하기 때문입니다.

에틸렌글리콜의 양 끝에 위치한 -OH 기는 물 분자와 매우 강한 수소 결합을 형성하기 때문에 물 분자들은 자기들끼리 모여 얼기 시작하는 대신, 에틸렌글리콜 분자에 강하게 끌려가 결합하게 됩니다. 에틸렌글리콜 중앙의 탄소 사슬부는 물 분자에 비해 부피가 크고 비극성을 띱니다. 물이 얼 때는 정밀한 육각형 결정 구조를 만들어야 하는데, 이 거대한 분자가 물 분자 사이에 끼어들어 규칙적인 정렬을 물리적으로 막아버립니다.

물에 에틸렌글리콜이 녹아 들어가면 물 분자의 화학 포텐셜이 낮아집니다. 액체 상태의 물이 고체인 얼음으로 상전이하기 위해 극복해야 할 장벽이 커지므로, 응고에 훨씬 더 낮은 온도가 요구됩니다. 순수한 에틸렌글리콜의 어는점은 약 -13도 정도이지만, 물과 섞이면 서로의 결정을 최대로 방해하는 지점이 생깁니다. 물과 에틸렌글리콜을 약 40:60 부피비로 혼합할 때 어는점이 최저 약 -50도까지 하강합니다.

결국 에틸렌글리콜은 수소 결합으로 물 분자를 붙잡아 두고, 공간적 거대 구조로 얼음 뼈대가 만들어지는 것을 물리적으로 훼방 놓는 이중 작용을 통해 어는점을 낮춥니다.

Answer 2

안녕하세요. 에틸렌글리콜이 물의 어는점을 낮추는 가장 중요한 이유는 물 분자들이 규칙적인 얼음 결정 구조를 만드는 것을 방해하기 때문인데요, 에틸렌글리콜은 물과 잘 섞이는 성질을 가지고 있다보니 물속에 들어가면 각각의 분자 사이에 섞여 존재합니다. 물이 얼려면 물 분자들이 일정한 방향으로 배열되어 육각형에 가까운 규칙적인 결정 구조를 만들어야 하는데, 에틸렌글리콜 분자가 그 사이에 존재하면서 이러한 규칙적인 배열이 형성되기 어려워지게 됩니다.

이때 에틸렌글리콜의 수산기(-OH)가 중요한 역할을 하는데요, 에틸렌글리콜에는 두 개의 수산기가 있어서 물 분자와 수소결합을 형성할 수 있습니다. 따라서 물 분자끼리만 강하게 결합해 얼음 결정으로 배열되는 대신, 물과 에틸렌글리콜 사이에도 다양한 상호작용이 생기며, 결과적으로 물 분자들이 얼음의 결정 구조로 정렬하기가 더 어려워집니다. 근본적으로는 어는점 내림이라는 용액의 총괄적 성질이 작용하는데요, 물에 에틸렌글리콜 같은 다른 물질이 녹으면 물의 화학적 퍼텐셜, 즉 물이 액체 상태와 고체 상태 중 어느 쪽으로 존재하려는 경향이 달라집니다. 그 결과 순수한 물보다 더 낮은 온도에서야 얼음과 액체가 평형을 이루게 됩니다. 특히 자동차 부동액에서 에틸렌글리콜을 사용하는 것도 바로 이 원리 때문입니다. 물에 적절한 양의 에틸렌글리콜을 섞으면 겨울철 낮은 온도에서도 냉각수가 쉽게 얼지 않게 되며, 에틸렌글리콜은 물과 잘 섞이고 끓는점도 높기 때문에 겨울에는 결빙을 억제하고 여름에는 끓는 것도 어느 정도 억제하는 데 도움이 됩니다. 감사합니다.