바닷물은 왜 쉽게 얼지 않는 것인가요?

Question

안녕하세요. 극지방의 바닷물은 영하에서도 완전히 얼지 않습니다. 단순히 소금이 들어 있어서인 것인지, 이때 이온이 물 분자의 수소결합 네트워크에 어떤 구조적 교란을 일으키는지 분자 수준에서 어떻게 설명 가능한가요?

Answer 1

안녕하세요.

바닷물이 영하의 온도에서도 쉽게 얼지 않는 현상은 소금이 들어 있기 때문인 것은 맞습니다.

먼저 물이 얼 때 어떤 일이 일어나는지를 말씀드리면 우선 순수한 물에서는 온도가 내려가면 물 분자들이 운동 에너지를 잃고, 서로 사이에 형성되는 수소결합이 규칙적인 3차원 격자 구조를 만들게 됩니다. 이 정렬된 수소결합 네트워크가 바로 얼음 결정이며, 이 과정은 물 분자들이 질서 있는 배열을 선택하는 방향으로 진행되며 얼음 형성은 엔트로피가 감소하는 과정이고, 그 대신 수소결합 형성에 따른 에너지 안정화가 이를 보상합니다.

그런데 바닷물에는 Na⁺, Cl⁻ 같은 이온들이 다량으로 녹아 있는데요 이 이온들은 단순히 물 속에 떠 있는 것이 아니라, 각각의 전하 때문에 주변의 물 분자들을 강하게 끌어당겨 수화 껍질을 형성합니다. 물 분자들은 원래 다른 물 분자와 수소결합을 맺어야 얼음 격자를 만들 수 있는데, 이온 주변에 붙잡히게 되면 그 방향성과 위치가 강하게 제한되고 즉 이온은 물 분자들을 자유롭게 줄 세울 수 없게 만드는 방해물 역할을 합니다.

이로 인해 수소결합 네트워크는 두 가지 측면에서 교란되는데요 우선 공간적으로는 물 분자들이 규칙적인 육각 구조를 만들기 어려워집니다. 이온과 결합한 물 분자들은 얼음 격자의 일부로 편입되기 힘들기 때문입니다. 또한 열역학적으로는 액체 상태의 자유에너지가 상대적으로 안정화되는데요 이온이 녹아 있는 상태에서는 액체가 가지는 엔트로피가 크기 때문에, 얼음처럼 질서 정연한 상태로 전이되려면 더 많은 에너지가 필요해집니다. 이 현상은 열역학적으로 어는점 내림으로 설명되는데요 용질인 소금이 녹아 있으면, 고체 상태의 얼음과 액체 상태의 바닷물 사이의 평형 조건이 바뀌어, 고체가 안정해지기 위해 요구되는 온도가 더 낮아집니다. 이때 중요한 점은 이 효과가 소금의 종류보다는 용액 속에 존재하는 입자 수에 더 크게 의존한다는 것이며 그래서 바닷물처럼 이온 농도가 높은 경우, 어는점이 −2 °C 부근까지 내려가게 됩니다. 감사합니다.

Answer 2

안녕하세요. 김찬우 전문가입니다.

바닷물은 용액 상태 입니다. 물이라는 용매에 소금이라는 용질이 녹아 만들어진 소금물 용액 상태 입니다. 어는점 내림 이라고 하여 순수한 용매보다 용액의 어는점이 더 낮아지는 현상을 말합니다.

소금물의 경우 물이 액체에서 고체로 되는 과정은 주변의 온도가 내려가면 물 분자가 서로 가까워지면서 육각형 구조를 만들게 되면 고체화가 됩니다.

하지만 소금물 상태는 나트륨와 염화이온이 녹아있는 상태가 물분자가 서로 뭉쳐 육각형 구조를 만들지 못하게 계속 방해를 하여 더 낮은 온도가 되어서야 비로소 고체화가 되게 되기 때문입니다

그럼 답변 읽어주셔서 감사드립니다~! 더 궁금한게 있으시면 언제든지 문의 주십시요:)