나뭇잎 교과서

증기압 내림, 끓는점 오름, 어는점 내림

라면 국물은 맹물보다 조금 높은 온도에서 끓고, 바닷물은 0 °C에서 얼지 않습니다. 겨울 도로에는 염화 칼슘을 뿌립니다. 물에 무언가가 녹으면 증기압, 끓는점, 어는점이 바뀌는데, 그 크기는 녹은 입자의 종류가 아니라 개수로 정해집니다.

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증기압 내림, 끓는점 오름, 어는점 내림

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눈이 오면 도로에 염화 칼슘을 뿌린다. 염화 칼슘이 녹은 물은 0 °C보다 훨씬 낮은 온도에서도 얼지 않기 때문이다. 바닷물이 0 °C에서 얼지 않고, 라면 국물이 맹물보다 조금 높은 온도에서 끓는 것도 같은 현상이다. 그런데 같은 질량이라면 설탕보다 소금이, 소금보다 염화 칼슘이 더 효과가 좋다. 무엇이 어는점을 정할까?

그림 1. 물 1 kg에 녹인 용질의 몰수와 종류에 따른 끓는점 오름과 어는점 내림. 변화의 크기는 물속에 녹아 있는 입자의 총수에 비례하며, 용질의 종류와는 관계없다.
먼저 알아야 할 것증기 압력과 끓는점(화학), 몰과 용액의 농도, 부분 압력(부분 압력과 몰 분율).

2.2.1증기압 내림

밀폐된 그릇 속 물은 일부가 증발하여 수증기가 되고, 증발과 응축이 같아지면 수증기의 압력이 일정해진다. 이를 증기 압력이라 한다. 그런데 물에 설탕처럼 잘 증발하지 않는 용질을 녹이면, 수면의 일부를 용질 입자가 차지하여 증발할 수 있는 물 분자가 줄어든다. 그래서 용액의 증기 압력은 순수한 물보다 낮다. 증기 압력은 용매의 몰 분율에 비례한다(라울 법칙).

액체는 증기 압력이 대기압과 같아질 때 끓는다. 그런데 용액은 증기 압력이 낮으므로 더 높은 온도까지 데워야 대기압에 이른다. 즉 끓는점이 오른다. 또 어는점에서는 액체와 고체의 증기 압력이 같아야 하는데, 용액의 증기 압력이 낮아 더 낮은 온도에서 얼음과 맞추어진다. 즉 어는점이 내려간다.

정리 2.2.1 끓는점 오름과 어는점 내림

몰랄 농도 \(m\)(용매 1 kg에 녹은 용질의 몰수)인 묽은 용액에서 \[\Delta T_b = K_b\,i\,m,\qquad \Delta T_f = K_f\,i\,m\] 이다. 물은 \(K_b = 0.52\), \(K_f = 1.86\) °C·kg/mol이고, \(i\)는 용질 한 단위가 물에 녹아 만드는 입자 수이다.

이 변화는 입자의 종류가 아니라 개수로 정해진다. 그래서 총괄성이라 부른다. 설탕은 녹아도 분자 하나 그대로라 \(i = 1\)이고, NaCl은 Na⁺와 Cl⁻로 나뉘어 \(i = 2\), CaCl₂는 Ca²⁺와 Cl⁻ 둘로 나뉘어 \(i = 3\)이다. 그림 1에서 용질을 바꾸어 보자.1

설탕 1 mol→ 분자 1 moli = 1 NaCl 1 mol→ Na⁺ 1 mol + Cl⁻ 1 moli = 2 CaCl₂ 1 mol→ Ca²⁺ 1 mol + Cl⁻ 2 moli = 3
그림 2. 이온 결합 물질은 물에 녹아 여러 입자로 나뉘므로 같은 몰수로 더 큰 효과를 낸다.

2.2.2예제 풀이

예제 2.2.2

물 1 kg에 NaCl 58.5 g(1 mol)을 녹인 용액의 끓는점과 어는점을 구하여라. 같은 물에 CaCl₂ 111 g(1 mol)을 녹이면 어는점은 얼마인가?

NaCl은 \(i = 2\), \(m = 1\)이므로 \(\Delta T_b = 0.52 \times 2 \times 1 = 1.04\) °C, \(\Delta T_f = 1.86 \times 2 \times 1 = 3.72\) °C이다. 따라서 끓는점은 약 101.0 °C, 어는점은 약 −3.7 °C이다.

CaCl₂는 \(i = 3\)이므로 \(\Delta T_f = 1.86 \times 3 \times 1 = 5.58\) °C, 어는점은 약 −5.6 °C이다. 그리고 CaCl₂는 물에 녹을 때 열을 내놓아 눈을 녹이는 데 도움을 주고, 물에 매우 잘 녹아 진한 용액을 만들면 −50 °C 가까이까지 얼지 않는다. 그래서 몹시 추운 날의 제설제로 쓰인다. 한편 라면 국물은 염분이 이보다 훨씬 묽어 끓는점이 0.3 °C 안팎만 오른다.

아래 탐구 카드에서 용질의 종류와 양을 바꾸며 소금물이 더 높은 온도에서 끓고 더 낮은 온도에서 어는 까닭을 직접 확인해 보자.

  1. 진한 용액에서는 이온들이 서로 끌어당겨 일부가 짝을 이루므로 실제 \(i\)가 이론값보다 조금 작다. 위 식은 묽은 용액에서 잘 맞는다.
마무리

잘 증발하지 않는 용질이 녹으면 용액의 증기 압력이 낮아져 끓는점이 오르고 어는점이 내려간다. 그 크기 \(K\,i\,m\)은 녹아 있는 입자의 총수에 비례하는 총괄성이다. 그래서 처음 질문의 염화 칼슘은 한 단위가 입자 세 개로 나뉘어 같은 몰수의 소금보다 어는점을 1.5배 더 낮추고, 녹을 때 열까지 내어 제설에 유리하다.

탐구 1

소금물은 왜 더 높은 온도에서 끓고, 더 낮은 온도에서 얼까?

증기압 내림 · 끓는점 오름 · 어는점 내림
녹은 입자의 몰랄 농도
—
100 °C에서 증기 압력
—
끓는점
—
어는점
—

물의 몰랄 끓는점 오름 상수는 Kb = 0.52, 어는점 내림 상수는 Kf = 1.86 (°C·kg/mol)이다. 염은 물속에서 완전히 이온으로 나뉜다고 보았고(NaCl → 입자 2개, CaCl₂ → 3개), 진한 용액에서는 실제 값이 조금 다르다.

  1. 질문바닷물은 약 −2 °C가 되어야 얼고, 겨울 도로에 뿌린 염화 칼슘은 얼음을 녹인다. 물에 무언가를 녹이면 왜 어는점이 내려갈까?
  2. 복원액체 표면에서는 분자가 끊임없이 증발하고, 그 기체가 누르는 압력이 증기 압력이다. 그리고 증기 압력이 바깥 압력(1기압)과 같아지는 온도가 끓는점이다.
  3. 설명휘발하지 않는 용질을 녹이면 용매 분자가 용질 입자 사이로 흩어져 더 무질서해진다(엔트로피 증가). 그만큼 용액 속 용매는 순수한 액체일 때보다 안정해져서, 기체로 빠져나가거나 순수한 고체(얼음)로 굳으려는 경향이 줄어든다. 그래서 용액의 증기 압력은 순수한 물보다 낮아지고(증기압 내림), 1기압에 이르려면 더 높은 온도가 필요하며(끓는점 오름), 얼음과 평형을 이루려면 더 낮은 온도까지 내려가야 한다(어는점 내림). 용질이 표면을 막아 증발이 줄어든다는 설명은 흔하지만, 표면에서 다시 응결하는 분자도 같은 비율로 줄기 때문에 맞지 않고 어는점 내림도 설명하지 못한다.
  4. 연결묽은 용액에서 이 변화들은 용질의 종류와 관계없이 녹아 있는 입자의 수에만 비례해서, 끓는점 오름은 ΔTb = Kb·m, 어는점 내림은 ΔTf = Kf·m이다. 여기서 m은 용매 1 kg에 녹은 입자의 몰수인 몰랄 농도로, 온도가 바뀌어도 부피가 달라지지 않는 질량 기준 농도라서 온도를 다룰 때 쓴다.
  5. 적용같은 1 mol/kg에서 설탕, NaCl, CaCl₂의 어는점을 비교하고, 왜 제설제로 CaCl₂를 즐겨 쓰는지 생각해 보자. 그리고 그래프에서 용액의 곡선이 순수한 물 곡선 아래에 있는 까닭을 설명해 보자.
  6. 판단라면을 빨리 끓이려면 소금을 먼저 넣으라는 말은 과학적 근거가 약하다. 라면 국물 정도의 농도로는 끓는점이 1 °C도 오르지 않고, 오히려 끓기 시작하는 시점이 조금 늦어질 뿐이기 때문이다. 이 효과가 뚜렷한 것은 제설처럼 농도가 높을 때이다.

확인조건이 달라지면

물 1 kg에 설탕 0.5 mol을 녹인 용액과, 물 1 kg에 NaCl 0.5 mol을 녹인 용액의 어는점을 비교하면?

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