용질의 입자 수가 많아질수록 용액의 증기압이 낮아져 끓는점은 올라가고 어는점은 내려가는 물리화학적 현상을 설명해 주세요.

Question

겨울철 눈이 내린 도로에 염화칼슘을 뿌리면 영하의 날씨에도 눈이 녹습니다. 용질의 입자 수가 많아질수록 용액의 증기압이 낮아져 끓는점은 올라가고 어는점은 내려가는 물리화학적 현상을 설명해 주세요.

Answer 1

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

겨울철 도로에 염화칼슘을 뿌리면 눈이 녹는 현상은 화학에서 용액의 총의성이라 부르는 화학적 특성으로 설명할 수 있습니다. 용액의 총의성이란 용질의 종류와 관계없이 녹아 있는 용질의 입자 수에 의해서만 결정되는 성질을 의미합니다. 이에 관련하여 설명해 드릴게요.

물에 용질이 녹으면 용질 입자가 표면을 막아 증발을 방해하므로 증기압이 낮아집니다. 이에 따라 증기압이 대기압과 같아지려면 더 높은 온도가 필요해 끓는점이 올라갑니다. 반면 어는점은 용질 입자가 물 분자의 결정 형성을 물리적으로 방해하면서 낮아집니다. 물이 얼기 위해 분자 운동을 더욱 줄여야 하므로 0도 이하의 차가운 온도에서 얼게 되는 것입니다.

이처럼 녹아 있는 용질 입자 수가 많을수록 어는점 내림 효과는 커집니다. 염화칼슘은 물에 녹아 3개의 이온으로 분해되면서 입자 수를 대폭 늘려 어는점을 영하 수십 도까지 떨어뜨립니다. 그 결과 영하의 날씨에도 눈이 녹아 액체 상태를 유지하게 됩니다.

Answer 2

안녕하세요. 말씀해주신 현상은 총괄성이라고 부르는데요, 이때 핵심은 용액의 성질이 용질의 종류보다는 용액 속에 존재하는 용질 입자의 수에 따라 달라진다는 것입니다. 우선 용질을 넣으면 증기압이 낮아지는 이유에 대해 설명드리자면, 순수한 물의 표면에서는 물 분자가 끊임없이 기체 상태로 빠져나갑니다. 이때 물 분자가 기체로 빠져나가려면 물 분자 사이의 인력을 이겨내야 합니다. 하지만 물에 소금과 같은 비휘발성 용질을 넣으면 상황이 달라지는데요, 용액 표면의 일부를 용질 입자가 차지하기 때문에 표면에서 증발할 수 있는 물 분자의 비율이 감소합니다. 또한 용액 속 물의 화학적 퍼텐셜이 순수한 물보다 낮아집니다. 결과적으로 같은 온도에서 기체 상태로 빠져나가는 물 분자의 수가 감소하여 물의 증기압이 낮아집니다.

다음으로 액체가 끓는다는 것은 액체의 증기압이 외부 압력과 같아지는 것인데요, 예를 들어 해수면에서 대기압은 약 1기압입니다. 순수한 물은 약 100℃에서 증기압이 1기압에 도달하기 때문에 끓습니다. 하지만 물에 소금을 넣으면 같은 온도에서 물의 증기압이 순수한 물보다 낮아집니다. 따라서 증기압이 외부 압력인 1기압에 도달하려면 더 높은 온도까지 가열해야 하는 것입니다. 감사합니다.