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제설제로 많이 사용하는 염화칼슘은 어떤 원리로 눈을 녹이나요?

안녕하세요. 홍성택 과학전문가입니다.염화칼슘(CaCl2)은 분자식에서 보는 것처럼 칼슘이온 1개와 염화이온 2개의 비율로 구성된 화학물질이다. 상온에서 고체이고 물에 잘 녹으며 하얀색을 띤다. 염화칼슘은 낮은 온도에서도 물에 잘 녹는다(0℃에서 약 60 g/100 mL). 공기에 포함된 수분을 흡수하기 때문에 밀폐된 공간의 수분 제거 혹은 순수한 기체에 포함된 수분 제거에도 염화칼슘을 이용한다. 염화칼슘의 제습 효과는 실리카 겔의 제습 효과보다 훨씬 뛰어나고, 습도가 낮은 조건에서도 그 효과가 좋다. 그래서 수분에 의해 변질되기 쉽고, 매우 민감한 화학물질을 밀봉이 된 건조용기에 염화칼슘과 함께 보관하면 화학물질이 수분에 의해서 변질되는 것을 막을 수 있다. 이런 방법은 수분에 의해 변질되기 쉽고, 매우 민감한 화학물질을 보관하는 방법으로 오래전부터 이용되고 있다. 길에 뿌려진 염화칼슘은 대기의 수분을 흡수하여 물을 머금은 축축한 막을 형성하기도 한다. 그런 얇은 층은 도로의 미세 먼지를 붙잡을 수 있어서 먼지를 제거하는 효과도 있다. 그러나 기온이 많이 내려가서 물과 함께 얼어버리면 미끄러운 얼음 층이 되어 자동차 및 사람들 통행에 방해가 되기도 한다.염화칼슘과 결합하는 물 분자의 개수는 염화칼슘의 종류에 따라 다르다. 무수 염화칼슘(CaCl2)도 있고, 6개의 물 분자까지 결합된 염화칼슘(CaCl2. 6H2O)도 있다. 그러므로 제습 능력은 사용되는 염화칼슘이 몇 개의 물 분자와 결합하고 있는 종류인지 혹은 불순물의 비율이 얼마나 되는지에 달려 있을 것이다. 오래된 무수 염화칼슘의 제습 효율이 떨어지는 것은 보관을 잘못하여 이미 공기 중의 물 분자를 많이 흡수하였을 가능성이 매우 크다.고체 염이 물에 녹을 때 열의 발생 혹은 흡수가 진행된다. 그 결과 염을 녹이는 물의 온도 및 용기의 온도에 변화가 있다. 그 열을 염의 용해열(heat of solution) 혹은 용해 엔탈피(enthalpy of solution, ΔHsol)라 한다. 용해 엔탈피를 표시할 때 발열은 - 로 흡열은 + 로, 그 크기는 숫자로 한다. 예를 들어 염화칼슘(분자량: 110.98 g/mol)이 물에 녹을 때 열이 발생(발열)된다. 염화칼슘 110.98 그램(1 mol의 질량)이 녹을 때 발생되는 열은 약 80 kJ이며, 그것은 ΔHsol = -80 kJ/mol 라 적는다. 이 정도의 열은 얼마만한 것인지 계산해보자. 계산에는 물 1 그램을 1℃ 올리는 데 필요한 열은 약 4.18 J(줄)이며, 0℃의 얼음을 0℃의 물로 변환되는 데 필요한 열(융해열, heat of fusion)은 약 334 J/g 이라는 자료가 필요하다. 만약에 염화칼슘 10 그램을 물에 녹인다면, 그 때 발생되는 열은 25℃의 물 100 그램의 온도를 약 42℃까지 올릴 수 있다. 만약에 물의 양이 20그램이라면, 물의 온도는 끓는 온도까지 올라간다. 염화칼슘을 이용하여 일회용 핫팩을 만들 수 있는 것도 이런 발열현상 때문이다. 염화칼슘 10그램에서 발생되는 열로는 0℃의 눈(얼음) 약 21.6 그램을 녹일 수 있다. 이것은 순수한 염화칼슘에 대한 계산이므로, 불순물이 섞인 제설용 염화칼슘은 그 성능이 다소 떨어질 것이다. 염화칼슘과는 달리 염화소듐(NaCl, 염화나트륨, 소금)이 물에 녹을 때는 열을 흡수한다. 소금을 물에 녹일 때 용기가 차갑게 느껴지는 것은 바로 이 때문이다. 염화소듐(분자량: 110.98 그램/몰)이 녹을 때 흡수하는 열은 약 3.87 kJ/mol이며, 그것은 ΔHsol = +3.87 kJ/mol로 적는다.바닷물 혹은 한강물은 기온이 영하로 떨어져도 얼지 않는다. 순수한 물은 0℃에서 얼지만, 염화칼슘과 같은 염을 비롯한 불순물(물 이외의 다른 화학물질)이 녹아 있는 용액은 어는 온도가 0℃ 이하로 내려간다. 이와 같이 순수한 용매(물)의 어는 점(온도)보다 용액(용매+용질, 예: 물+염)의 어는 점이 낮은 것을 어는 점 내림(Freezing point depression)이라 한다. 어는 과정을 간략하게 상상해 보자. 만약 기온이 떨어져 물의 온도가 낮아지면 물 분자의 움직임이 둔해질 것이다. 바로 이웃해 있는 물 분자들이 서로 일정한 배열을 하면서 결정으로 성장할 것이다. 그런데 매우 작은 얼음 결정 주위에 다른 종류의 분자(혹은 이온)들이 있으면 얼음 결정이 성장하는 데 방해가 된다. 따라서 염(불순물)이 섞인 용액의 얼음 형성은 순수한 물에서 얼음이 형성보다 어렵게 되고, 온도가 더 낮아져야 결정 성장이 가능할 것이다. 용액의 어는 점 내림이 일어나는 것은 바로 이런 이유 때문이다.[네이버 지식백과] 염화칼슘 - 눈 올 때 도로에 뿌려대는 하얀 가루의 정체 (화학산책, 여인형)

학문 / 화학

22.12.20

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