[비센의 재미있는 과학 이야기] 끓는점과 녹는점 그리고 기압과 불순물
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작성자 석준영 쪽지보내기 메일보내기 홈페이지 자기소개 아이디로 검색 전체게시물 작성일14-09-02 19:03 조회5,918회 댓글0건관련링크
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석준영 비센학원장온도와 압력 외에 끓는 점과 녹는 점을 좌우하는 또 다른 대표 요소는 해당 물질에 녹아 있는 불순물
많은 분들이 이미 상식적으로 잘 아시다시피 물질의 상태는 고체, 액체, 그리고 기체 상태로 구분되며, 고체에서 액체로 변화하는 온도를 녹는점, 액체가 기체로 변화하는 온도를 끓는점이라고 합니다. 역시 모두 아시겠지만 물의 녹는점은 0°C, 그리고 끓는점은 100°C이지요.
사실 이 녹는점과 끓는점은 가정된 조건이 있습니다. 우리가 흔히 알고 있는 녹는 점, 끓는 점의 값은 우리가 일상생활을 하는 곳에서의 평균 기압으로 대기압이 1 기압(1 atm=101.3kPa=760mmHg)이라고 가정했을 때의 값인데, 만약 압력에 변화가 생긴다면 녹는점과 끓는점의 값도 그에 따라 변화하게 됩니다. 즉, 물질의 상태는 온도뿐만 아니라 동시에 압력과도 밀접한 관계를 갖고 있다는 것이지요. 예를 들어 물의 끓는점이 압력과 관계가 있기 때문에 산에서는 물이 낮은 온도에서 끓어 밥이 맛있게 지어지지 않는다는 것은 이미 많은 분들이 알고 계신 이야기입니다. 이 외에도 많은 현상들이 바로 압력과 끓는점, 녹는점과의 관계로 설명될 수 있는데, 그중에 하나가 드라이 아이스의 승화작용(sublimation:고체가 기체로 상태변화를 하는 현상)입니다.
드라이 아이스는 이산화탄소의 고체형태인데, 이 드라이 아이스가 액체형태를 거치지 않고 고체에서 바로 기체로 승화된다는 것은 잘 알려진 사실입니다. 보통 이 현상을 이산화탄소의 특성으로 생각하는 경우가 많은데, 이는 사실 이산화탄소의 특성이라기 보다는 물질의 상태변화가 온도와 압력의 변화에 따라 일어나기 때문에 생기는 현상이라 볼 수 있습니다. 물도 주변의 압력을 약 천분의 일정도로 낮추면 일상적인 생활온도에서 얼음상태로부터 수증기상태로 바로 승화되는 것을 볼 수 있습니다. 단지 우리가 일상생활을 하는 1기압의 압력에서 물은 세가지 상태를 전부 갖을 수 있는 반면, 이산화탄소는 고체와 기체 두가지 상태만 갖을 수 있기 때문에 생기는 현상인 것이지요. 다르게 이야기하자면, 대기압이 1기압보다 훨씬 높게 만든다면 이산화탄소도 액체상태가 될 수 있는 것입니다.
사실, 우리 주변에서도 액체상태로 물에 녹아있는 이산화탄소를 쉽게 볼 수 있는데요, 이것이 바로 탄산음료입니다. 탄산음료가 캔 속에 담겨있을 때에는 압력이 높기 때문에 액체상태로 음료에 녹아있다가 캔을 열었을 때 기압이 대기압과 같이 낮아지면서 더이상 액체상태로 있을 수 없는 이산화탄소가 음료 밖으로 올라오는 것이 바로 톡 쏘는 탄산음료의 원리인 것입니다. 즉, 온도를 변화시키는 것이 아니라 일정온도에서 압력을 변화시킴으로써도 물질을 상태를 변화시킬 수 있는 것입니다.
이렇듯 탄산음료에는 높은 압력에 의해서 적지 않은 양의 이산화탄소가 녹아있는 것이기 때문에 조심해야 할 것이 있는데, 탄산음료를 냉동을 시켜 얼리는 것은 자칫 위험할 수 있다는 것입니다. 따지 않은 탄산음료를 영하의 온도에서 얼리면, 물은 얼게 되지만, 물이 어는 온도에서는 이산화탄소가 얼지 않기 때문에 물이 얼면서 이산화탄소는 빠져 나오게 되고, 좁은 공간에 갇히게 된 이산화탄소의 압력을 견디지 못하고 용기가 터져버리면 자칫 폭발사고로 이어질 수 있기 때문입니다. 실제로 몇년 전 중국의 어느 아이가 냉동고에 넣어둔 콜라를 따는 순간 캔이 터지는 바람에 다치는 사고가 일어나기도 했습니다.
온도와 압력 외에 끓는 점과 녹는 점을 좌우하는 또 다른 대표 요소를 꼽는다면 해당 물질에 녹아 있는 불순물을 들 수 있겠습니다. 일반적으로 불순물의 농도가 높을 수록 물질의 끓는점은 더 높아지고, 녹는 점은 더 낮아지는 현상을 보입니다. 겨울에 빙판길을 방지하기 위해서 염화칼슘(CaCl2)을 뿌려놓는 것은 바로 이 원리를 이용하는 것인데요. 염화칼슘이 물에 녹으면서 물의 불순물도가 높아지고 이에 의해 녹는점이 0°C 보다 낮아지게 됩니다. 염화칼슘의 농도에 따라서 달라지지만, 이때 얼음의 녹는점이 이론적으로는 최대 영하 55°C까지 떨어지게 되어, 왠만한 겨울 추위에는 아직 온도가 녹는점보다 높아지기 때문에 눈이 얼지 못하게 만드는 것입니다.
여기서 재미있는 사실은 이렇게 염화칼슘을 뿌리면, 얼음이 위의 원리에 의해서 녹아내리게 되는데, 얼음이 녹아서 물이 되기 위해서는 외부로부터 에너지를 흡수해야하기 때문에 주변의 온도는 오히려 더 떨어지게 됩니다. 녹는점이 낮아지는 현상에 의해서 얼음이 녹아내리기는 하지만, 실제 빙판의 온도는 물이 어는 점인 0도에서 더 떨어져 더 추워지게 된 것이지요. 일반적으로 얼음이 녹으려면 온도가 높아야 하니 길에 녹은 얼음을 보고 온도가 올라갔구나 착각 하기 쉽지만 실제로는 그렇지 않은 것입니다.
이번 칼럼에서 알아본 끓는점, 녹는점과 같이 우리들의 일상생활에서 겪고, 이용하는 모든 것들에는 과학적 원리가 숨어있습니다. 드라이 아이스의 승화작용과, 콜라에 녹아있는 가스의 톡쏘는 맛을 내는 원리가 근본적으로 같다는 것처럼 눈에 보이기에는 관련이 없어 보이지만, 그에 숨어있는 근본적 원리는 하나일 수 있는 것입니다. 사과나무에서 사과가 떨어지는 것과 달이 지구 주위를 공전하는 원리가 같은 것과 마찬가지로 말입니다. 이런 공통된 근본적 원리를 탐구하고 깨우치는 것이 과학을 공부하는 즐거움 중에 하나라 할 수 있겠습니다.
석준영 비센학원장
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