얼음을 녹이기 위해 겨울철에 도로 위에 소금을 뿌리는 이유는 무엇인가요?
안녕하세요. 얼음을 녹이기 위해 겨울철에 도로 위에 소금을 뿌리면 녹는점이 낮아지는 이유를 용액의 농도와 화학 결합의 관점에서 어떻게 이해할 수 있나요?
안녕하세요.
겨울철 도로 위에 소금을 뿌리면 얼음이 녹는 이유는 소금이 물에 녹아 용액의 어는점을 낮추기 때문인데요, 이 현상은 화학적으로 용액의 ‘어는점 내림’ 현상으로 설명할 수 있습니다.
원래 순수한 물은 0℃에서 액체 ↔ 고체(얼음) 의 평형상태를 이루는데요, 이때는 물 분자 간의 수소결합이 안정되어 얼음 격자가 형성되고 얼음과 물이 동적 평형을 유지합니다.
단 소금을 뿌리면, 얼음 표면에 존재하는 얇은 물막에 소금이 녹는데요 이온 결합으로 이루어진 NaCl이 물에 녹아 나트륨 이온과 염화 이온으로 해리됩니다. 이 이온들은 물 분자 주변에 전기적으로 인력을 형성하여 물 분자들이 규칙적인 얼음 격자를 이루는 것을 방해합니다. 이때 물 속에 소금이 녹아 생긴 용액은 순수한 물보다 증기압이 낮아지는데요 즉, 물이 얼음으로 고체화되기 위해서는 물 분자들이 서로 규칙적으로 배열될 확률이 줄어드는 것입니다. 그 결과, 동일한 압력에서 물이 어는 온도가 0℃보다 더 낮아져야 평형이 성립합니다. 이 현상을 용액의 ‘콜리게이티브 성질’ 중 하나인 어는점 내림이라 고 하며 이때 소금이 많이 녹아 이온 농도가 높을수록, 그리고 이온으로 분리되는 수가 많을수록 어는점이 더 낮아집니다.
또한 얼음이 녹을 때는 흡열 과정이 일어나며, 얼음이 녹기 위해서는 주변으로부터 융해열을 흡수해야 하는데요 그런데 소금이 녹은 용액은 이미 자유에너지가 낮기 때문에, 얼음이 녹아 물로 전환되는 과정이 더 안정된 상태로 향하게 되어 자발적으로 진행됩니다. 즉, 화학적으로는 소금이 물의 화학적 퍼텐셜(μ)을 낮추기 때문에, 얼음이 녹는 반응이 유리해지는 것으로 설명할 수 있습니다. 감사합니다.