왜 어떤 물질은 물에 녹을 때 열이 나고, 어떤 것은 차가워질까요?

Question

안녕하세요. 왜 어떤 물질은 물에 녹을 때 열이 나고, 다른 것은 차가워지기도 하는지 궁금합니다. 이러한 용해 과정에서 결합이 끊어지고 새로 형성되는데, 이때 에너지 변화는 어떻게 결정되며 흡열과 발열은 무엇이 다른건가요?

Answer 1

안녕하세요.

어떤 물질이 물에 녹을 때 열이 나거나 반대로 차가워지는 현상은 용해 과정 전체에서의 에너지 출입, 즉 열역학적 에너지 수지에 의해 결정되는 것입니다.

우선 고체 물질이 물에 녹기 위해서는 그 물질을 이루고 있던 입자들 사이의 결합이 끊어져야 하는데요 예를 들어 이온성 고체라면 양이온과 음이온 사이의 정전기적 인력이 끊어지고, 분자성 물질이라면 분자들 사이의 분자 간 인력이 약화됩니다. 이 과정은 기존의 안정한 결합을 깨뜨리는 일이므로 반드시 에너지를 필요로 하며, 이는 흡열 과정입니다. 동시에 물 분자들끼리도 수소 결합으로 어느 정도 결합되어 있기 때문에, 용질이 들어오기 위해서는 물 분자들 사이의 결합 일부도 끊어져야 하며, 이 역시 에너지를 흡수합니다. 다음 단계에서는 분리된 용질 입자들이 물 분자에 둘러싸이면서 새로운 상호작용이 형성되는데 이를 용매화라고 하며, 이온과 물 분자 사이의 이온-쌍극자 인력, 극성 분자 사이의 수소 결합 등 비교적 강한 상호작용이 새롭게 만들어집니다. 새로운 결합이 형성되는 과정에서는 에너지가 방출되며, 이는 발열 과정에 해당합니다. 다음으로 전체 용해 과정에서 열이 나느냐, 차가워지느냐는 이 두 에너지의 크기 비교로 결정됩니다. 즉, 기존 결합을 끊는 데 필요한 에너지의 총합보다 새로운 결합이 형성되면서 방출되는 에너지가 더 크면, 남는 에너지가 열로 주변에 방출되어 용액의 온도가 올라가게 되는 것이고 이 경우를 발열 용해라고 합니다. 반대로, 결합을 끊는 데 필요한 에너지가 더 크고 새로 형성되는 결합에서 방출되는 에너지가 이를 충분히 보상하지 못하면, 부족한 에너지를 주변으로부터 흡수하게 되어 용액과 용기의 온도가 내려가며, 이를 흡열 용해라고 합니다. 감사합니다.