보일러 내부나 주전자 바닥에 하얀 석회질이 쌓이는 이유가 무엇인가요?

Question

보일러 내부나 주전자 바닥에 하얀 석회질이 쌓이는 이유를, 물속의 탄산수소칼슘이 가열되면서 이산화탄소를 잃고 용해도가 매우 낮은 탄산칼슘 고체로 침전되는 열분해 과정으로 설명해 주세요.

Answer 1

안녕하세요.

보일러 내부나 주전자 바닥에 시간이 지나면서 생기는 하얀 석회질은 물속에 녹아 있던 칼슘 성분이 가열 과정에서 화학적으로 변해 고체로 석출된 것입니다. 자연 상태의 물은 토양과 암석층을 지나오면서 탄산칼슘이나 광물과 접촉하는데요, 이때 빗물이나 지하수 속에는 공기 중 이산화탄소가 녹아 약한 탄산이 형성되어 있는데, 이 탄산이 석회암을 조금씩 녹입니다. 그 결과 물속에는 잘 녹는 형태의 탄산수소칼슘 이온 상태가 존재하게 되는데, 이 물질은 물속에서 칼슘 이온과 탄산수소 이온 형태로 안정하게 녹아 있는 상태입니다.

이때 물을 끓이거나 보일러처럼 지속적으로 가열하여 온도가 올라가면 물속에 녹아 있던 이산화탄소의 용해도가 감소하여 CO₂가 기체로 빠져나가고, 평형 상태가 변합니다. 그러면 탄산수소 이온은 더 이상 안정하게 존재하지 못하고 분해되어 탄산칼슘 침전을 만드는데요, 물에 잘 녹아 있던 탄산수소칼슘이 가열되면서 이산화탄소를 잃고, 물에 거의 녹지 않는 탄산칼슘 고체로 바뀌어 바닥이나 금속 표면에 달라붙는 것입니다. 이 탄산칼슘은 용해도가 매우 낮기 때문에 한 번 생성되면 다시 물속으로 잘 돌아가지 않으며 주전자 바닥, 전기포트 열판, 보일러 열교환기처럼 가장 뜨겁고 증발이 잘 일어나는 부분에 집중적으로 붙습니다. 표면이 거칠거나 미세한 흠집이 있으면 결정핵이 생겨 더 빠르게 성장하는데다가 시간이 지나면 얇은 막이 두꺼운 층으로 변하고 단단하게 굳습니다. 감사합니다.

Answer 2

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

주전자나 보일러 바닥에 생기는 하얀 석회질은 물속에 투명하게 녹아 있던 성분이 열을 받아 고체로 변하며 쌓이는 현상입니다. 평소 우리가 사용하는 물에는 칼슘 이온과 탄산수소 이온이 결합한 탄산수소칼슘이라는 성분이 포함되어 있는데, 이 물질은 물에 매우 잘 녹기 때문에 평상시에는 눈에 보이지 않습니다.

​하지만 물을 끓이면 열에너지가 공급되면서 이 탄산수소칼슘의 화학적 결합이 깨지는 열분해 반응이 일어납니다. 이 과정에서 물속에 녹아 있던 이산화탄소가 기체 상태로 빠져나가게 되는데, 이로 인해 화학적 균형이 깨지면서 용해도가 극히 낮은 탄산칼슘이 생성됩니다. 탄산칼슘은 물에 거의 녹지 않는 성질을 가지고 있어 생성되는 즉시 미세한 흰색 가루 형태의 고체로 가라앉게 됩니다.

​이렇게 만들어진 탄산칼슘 입자들이 열기구의 뜨거운 바닥이나 배관 벽면에 달라붙어 층층이 쌓이면 단단한 석회질 덩어리가 됩니다. 결국 보일러의 석회질은 액체 속에 안정적으로 숨어 있던 칼슘 성분이 열이라는 자극을 받아 기체를 내뱉고 본래의 딱딱한 돌 같은 성질로 되돌아간 결과물이라고 할 수 있습니다. 이러한 과정은 자연계에서 종유석이나 석순이 만들어지는 원리와도 같으며, 일상생활에서는 열전달을 방해하거나 기기 고장을 일으키는 원인이 되기도 합니다.