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[신문은 선생님 - 재미있는 과학] 염화 칼슘 - 어는점 낮추는 마법의 가루… 빙판길, 녹아라 얍!

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약초 농부 쪽지보내기 메일보내기 홈페이지 자기소개 아이디로 검색 전체게시물 댓글 0건 조회 1,432회 작성일 16-02-03 14:32

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어는점 낮추는 마법의 가루… 빙판길, 녹아라 얍!

[염화 칼슘]

수분 흡수하고 녹을 때 열 방출… 물 얼지 않게 방해하는 성질도 있어
제설제로 쓰기 적합한 염화 칼슘… 어는점 영하 54.9℃까지 낮춰줘

최근 제주 공항이 기상 악화로 운항 중단되어 많은 여행객의 발이 묶이는 일이 있었어요. 미국에서는 초대형 눈폭풍이 불어닥치면서 얼음(ice)과 세계의 종말을 의미하는 아포칼립스(apocalypse)의 합성어인 '아이스포칼립스(icepocalypse)'나 '스노마겟돈(snowmageddon·눈인 snow와 종말을 뜻하는 armageddon을 합친 단어)'이 유행했다고 해요. 여러분은 하얀 눈이 내리는 겨울이 어떻게 느껴지나요? 친구들과 눈싸움도 했을 것이고, 눈사람도 만들어본 적 있어 놀이터 같은 느낌이 들 수 있을 거예요. 하지만 한겨울 빙판길로 인해 연쇄 추돌 교통사고도 빈번하니 눈이 쌓이면 꼭 치워야 해요. 눈 내린 날 밖에 나가면 제설 차량이 대로에 흰색 가루를 뿌리는 모습을 볼 수 있죠? 이 입자는 바로 염화 칼슘(CaCl₂)이에요. 탄산 칼슘에 염산을 더해 대량으로 생산할 수 있지요. 오늘은 염화 칼슘이 제설제로 사용되는 원리를 쉽게 설명해드릴게요.

◇빙판길에 제설제 뿌리고, 달걀 삶을 때 물에 소금을 집어넣는 이유

먼저 염화 칼슘에는 조해성(潮解性·주위 물을 흡수하는 성질)이 있어요. 즉 눈이나 얼음 위에 뿌려두면 수분을 흡수하면서 녹게 되는 성질이죠. 이 과정에서 주위로 열을 방출하는 발열반응이 진행돼요. 게다가 물의 어는점을 낮춰준답니다. 염화 칼슘이 섞인 눈은 녹으면 쉽게 다시 얼지 않아요.

▲ 그래픽=안병현

불순물이 섞인 물은 고체인 얼음으로 얼기 힘들어질 뿐만 아니라, 기체인 수증기로 쉽게 증발하지도 않아요. 물과 소금물 두 용액 속에서 증발하는 입자 수를 비교해보면, 순수한 물에 비해 소금물에서 증발하는 입자 수가 더 적답니다. 왜냐하면 소금물 용액(두 물질이 고르게 섞인 혼합물) 속에 녹아 있는 용질(용액 속에 녹아 있는 물질)인 소금이 용매(용질을 녹이는 물질)인 물 분자를 잡아당기기도 하고, 또 표면에 떠다니면서 물 분자의 증발을 어렵게 만들기 때문이죠. 용액 속 용질 분자가 증발을 막는 방해꾼 역할을 했기 때문입니다.

이러한 원리는 끓는점 오름 현상에서도 관찰할 수 있어요. 순수한 물이 아닌 소금물 같은 용액은 방해꾼 요소로 인해 100℃보다 더 높은 온도에서 끓어요. 어머니께서 달걀을 삶으실 때 물에 소금을 넣는 모습을 본 적 있나요? 순수한 물에 비해 소금물이 더 높은 온도에서 끓으므로, 이렇게 하면 달걀을 좀 더 빨리 삶을 수 있답니다.

물론 이 현상은 액체가 얼게 되는 순간에도 적용이 되겠죠? 순수한 물에 비해 방해꾼 입자가 섞인 물은 더 낮은 온도에서 얼게 됩니다. 바로 어는점 내림이라는 현상입니다. 추운 겨울철 강물은 얼어도 바닷물이 얼지 않는 이유도 바닷물에 녹아 있는 염분이 물의 어는점을 더 낮춰주기 때문입니다. 장독대에 놓인 간장이 얼지 않는 이유도 마찬가지랍니다. 또 엔진의 열을 식히기 위해 차 안에 들어 있는 냉각수는 영하의 날씨에도 얼지 않죠? 에틸렌글리콜이라는 성분이 어는점을 더 낮춰주기 때문이죠.

◇염화 칼슘, 방해꾼 입자 3배로 만들어요

▲ 지난 2013년 겨울, 서울 이대역 인근 도로에 구멍이 생겨 운전자의 안전을 위협하고 있어요. 제설제로 뿌린 염화 칼슘이 아스팔트에 침수되면 이런 구멍이 잘 생긴대요. /성형주 기자

특히 염화 칼슘은 방해꾼 역할을 잘해요. 염화 칼슘은 물에 녹으면 '양이온'이라는 물질과 '음이온'이라는 물질로 각각 나눠지는 성질이 있는 전해질(電解質)이랍니다. 염화 칼슘(CaCl₂)은 물속에서 칼슘 이온(Cl2+) 1개와 염화 이온(Cl-) 2개로 분리되고, 각 입자가 물 분자에 의해 둘러싸이게 되는데요. 1개의 입자가 3개의 입자로 변신하는 순간입니다. 즉 물이 어는 것을 막는 방해꾼들이 더 많아진 것이지요. 그 결과 염화 칼슘은 물의 어는점을 영하 54.9℃까지 낮춰지게 할 수 있답니다.

이해를 돕기 위해 소금물과 설탕물을 예로 들어보겠습니다. 먼저 소금물은 염화 나트륨이 물에 녹은 용액입니다. 염화 나트륨은 양이온인 나트륨 이온과 음이온인 염화 이온이 합체되어 있는 화합물이죠. 마치 남녀 한 쌍이 커플 댄스를 추는 것이라고 할까요? 그런데 이들이 물에 녹으면 서로 분리돼 물 분자에 둘러싸이는 수화(水和) 현상이 나타납니다. 남자(양이온)와 여자(음이온)가 서로 헤어진 후, 이번에는 각자 다른 사람들(물 분자들) 사이에 껴서 그룹 댄스를 추는 것 같이 말이에요. 한편, 설탕은 물에 녹아도 양이온·음이온으로 나뉘진 않고 설탕 입자 그대로 녹아요. 설탕은 소금과 달리 물에 녹아도 이온화하지 않는 물질이라 비전해질이라고 합니다.

따라서 전해질인 염화 칼슘은 똑같이 1개의 입자를 녹여도 물속에서 이온화되어 마치 3개의 입자처럼 행동하게 되고, 비전해질은 그대로 1개의 역할밖에는 못 하게 되죠. 즉, 물속에서 방해꾼 요소가 되는 입자의 수가 차이가 생긴다는 의미입니다. 그런데 왜 하필이면 많은 전해질 중 염화 칼슘이냐고요? 수분을 흡수하는 조해성의 원리, 전해질의 어는점 내림의 요인을 모두 만족하면서 비교적 쉽게 얻을 수 있기 때문입니다.

그렇다면 여기서 잠깐! 빙판은 녹았지만 염화 칼슘 때문에 투덜대는 부모님들도 있습니다. 눈 내린 길을 달린 후에는 세차를 꼭 해야 하는데요. 바로 차 아래 묻어 있는 염화 칼슘 때문입니다. 염화 칼슘이 뿌려진 도로 위는 수많은 전해질이 녹아 있는 용액 같은 상태죠. 한편 차량의 하부는 대부분 철로 이루어져 있는데, 철은 염화 칼슘에 매우 잘 부식되어 녹이 생길 수도 있답니다. 또 제설제로 녹은 물이 아스팔트 아래로 침수돼 도로에 구멍을 뚫을 수도 있다고 하니, 쉽게 구할 수 있으면서도 염화칼슘의 단점을 보완한 제설제가 나오길 바랍니다!

출처 : 조선일보 2016.02.02
이희나 EBS 화학 강사(경기북과학고 교사)

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