자동차 부동액인 에틸렌 글리콜이 물과 혼합되었을 때 물의 어는점을 크게 낮추는 이유가 무엇인가요?

Question

자동차 부동액인 에틸렌 글리콜이 물과 혼합되었을 때 물의 어는점을 크게 낮추는 이유를 에틸렌 글리콜 분자의 다중 히드록시기와 물 분자 간의 강력한 상호작용 관점에서 설명해 주세요.

Answer 1

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

자동차 부동액으로 널리 쓰이는 에틸렌 글리콜이 물의 어는점을 낮추는 원리는 물 분자들이 규칙적인 결정 구조를 갖추지 못하도록 방해하는 화학적 상호작용에 있습니다.

​물은 온도가 낮아지면 분자 간의 수소 결합을 통해 육각형 형태의 규칙적인 격자 구조를 형성하며 얼음으로 변합니다. 그런데 에틸렌 글리콜 분자는 구조적으로 두 개의 히드록시기(-OH)를 가지고 있어 물 분자와 매우 강력한 친화력을 발휘합니다.

​에틸렌 글리콜이 물과 혼합되면 이 다중 히드록시기가 물 분자들 사이사이에 끼어들어 물 분자와 직접 수소 결합을 형성합니다. 이 강력한 결합력은 물 분자들이 서로를 끌어당겨 얼음 결정을 만들려는 힘보다 더 우세하게 작용합니다. 즉, 에틸렌 글리콜 분자가 물 분자들을 하나하나 붙잡고 놓아주지 않는 셈이 되어 물 분자들이 질서 정연한 고체 격자로 배열되는 과정을 물리적, 화학적으로 차단하게 됩니다.

​또한 에틸렌 글리콜은 물과 섞였을 때 용액의 전반적인 구조적 무질서도를 높이는 역할을 합니다. 두 개의 히드록시기가 다양한 방향으로 물 분자와 결합하기 때문에 물 분자들은 얼음이 되기 위해 필요한 고유의 기하학적 배치를 취하기가 훨씬 어려워집니다.

​이러한 방해 효과 때문에 온도가 0도 이하로 내려가더라도 물 분자들은 응집하지 못하고 액체 상태를 유지하게 됩니다. 결정이 형성되려면 훨씬 더 낮은 온도로 내려가 물 분자들의 운동 에너지가 극도로 낮아져야만 비로소 에틸렌 글리콜의 방해를 뚫고 결합할 수 있게 되는 것입니다. 결과적으로 에틸렌 글리콜의 농도에 따라 어는점은 -30도에서 -50도 이하까지도 크게 낮아지며 추운 겨울철에도 자동차 냉각 계통이 얼어 터지지 않도록 보호해 줍니다.

Answer 2

안녕하세요.

자동차 부동액으로 사용되는 에틸렌 글리콜이 물과 섞였을 때 용액의 어는점을 크게 낮추는 이유는 용질의 첨가에 따른 현상이며 분자 간 상호작용인 수소결합의 변화와도 관련이 있습니다.

순수한 물에서는 물 분자들이 서로 수소결합을 형성하며 일정한 규칙성을 갖는 육각형 격자 구조를 이루지만 에틸렌 글리콜이 첨가되면, 그 분자의 히드록시기들이 물 분자와 경쟁적으로 수소결합을 형성하게 됩니다. 따라서 물-물 간의 규칙적인 수소결합 네트워크가 깨지고, 대신 물-에틸렌 글리콜 간의 보다 불규칙한 상호작용이 형성됩니다. 이때 에틸렌 글리콜은 물 분자들이 얼음과 같은 규칙적인 결정 구조로 배열되는 것을 방해하기 때문에 고체 상태로 전이하기 위해 더 낮은 온도까지 내려가야만 얼음이 형성될 수 있습니다.

또한 에틸렌 글리콜은 한 분자 내에 두 개의 히드록시기를 가지고 있기 때문에, 단순한 단일 -OH를 가진 물질보다 더 많은 수소결합을 동시에 형성할 수 있고, 물 분자들을 더욱 강하게 붙잡아 자유롭게 재배열되는 것을 방해합니다. 열역학적으로 보면 에틸렌 글리콜이 섞이면서 계의 무질서도가 증가하고, 고체처럼 질서 있는 상태로 전이하는 것이 불리해지므로 더 낮은 온도가 필요해지는 것입니다. 감사합니다.