슈가콩 인사이트

1. 얼음에 소금을 넣으면 온도가 더 낮아지는 이유

열은 상대적으로 온도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동하면서 물질의 온도를 변화시킨다. 물이 담긴 스포이트를 얼음 안에 넣으면 얼음이 스포이트의 열을 흡수하면서 스포이트에 담긴 물의 온도가 내려가지만, 얼음만으로 물의 온도가 0도 이하 로 낮아지기는 어렵다. 하지만 얼음에 소금을 넣어 주면 얼음이 빠르게 녹으면서 주위의 열을 흡수하므로 온도가 0도 이하로 떨어지게 된다.

얼음이 소금과 만나면 고체에서 액체로 상태 변화가 일어나므로 흡열 반응이 일어나 주변의 온도가 더 낮아지는 것이다. 이때 얼음이 녹은 물은 소금과 섞이면서 어는점이 낮아져 0도 이하에서도 얼지 않고 액체 상태를 유지할 수 있다. 이처럼 두 가지 이상의 물질을 이용해 만든 냉각제를 한제라고 하는데, 각 물질을 적합한 비율로 섞으면 최저 온도를 얻을 수 있다.

얼음과 소금을 이용한 한제는 얼음 77.6%, 소금 22.4%를 섞었을 때 영하 21.3도까지 온도를 낮출 수 있다. 이것이 얼음 위에 물에 적신 털실을 올려놓고 소금을 뿌렸을 때 털실의 물이 얼면서 얼음과 털실이 달라붙는 까닭이기도 하다.

얼음낚시

2. 물이 얼면 부피가 늘어나는 이유

부피는 물질이 차지하는 공간을 말하며, 물질이 차지하는 공간은 물질을 이루는 분자의 구조와 운동의 영향을 받는다. 물질은 액체 상태보다 고체 상태일 때 분자 간의 거리가 더 가까우므로 일반적으로 액체 상태보다 고체 상태에서 부피가 작다. 하지만 물은 고체 상태인 얼음이 액체 상태인 물보다 부피가 커지고 밀도가 작아져서 물에 뜬다. 이렇게 물이 액체 상태보다 고체 상태일 때 부피가 더 큰 까닭은 얼음의 구조적인 특성 때문이다.

물 분자는 산소 원자 한 개와 수소 원자 두 개가 공유 결합하여 생긴 굽은 형 구조이다. 그리고 물 분자끼리는 각 분자를 이루는 수소와 산소가 수소 결합을 하고 있다. 굽은 형 구조인 분자가 다른 물 분자와 수소 결합을 한 상태에서 1기압, 0도에서 얼기 시작하면 규칙적인 배열을 이루면서 물 분자 사이에 빈 공간이 있는 육각형 구조를 이루는데, 이 빈 공간 때문에 고체 상태인 얼음이 액체 상태인 물보다 부피가 커진다.

3. 온도에 따른 물과 얼음의 부피 변화

물이 얼거나 얼음이 녹을 때와 같은 상태 변화가 일어나면 부피가 변하는데, 액체나 고체 상태가 유지되어도 온도에 따라 부피가 변한다. 물은 액체 상태에서 온도가 낮아질수록 부피가 감소하다가 4도에서 최소 부피를 가진다. 4도에서 0도까지는 온도가 낮아질수록 부피가 조금씩 증가하다가 액체에서 고체로 상태가 변하는 0도에서는 부피가 약 9`% 증가한다. 고체 상태인 얼음에서는 온도가 낮아질수록 부피가 계속 감소한다.

4. 물이 위에서부터 어는 이유

추운 겨울이 되면 강이나 호수의 물이 얼어 사람이 걸어 다니거나 얼음을 깨고 물속의 물고기를 잡기도 한다. 이러한 활동이 가능한 까닭은 물이 위에서부터 얼기 때문이며, 물이 위에서부터 어는 까닭은 얼음의 밀도가 물보다 작기 때문이다. 물의 밀도는 4도에서 가장 크므로 차가운 공기와 닿아 있는 물 표면에서 물의 온도가 4도 보다 낮아지면 4도 물보다 밀도가 작아 위쪽에 머물다 먼저 언다. 따라서 물은 위에서부터 얼게 된다.

5. 물 이외의 물질이 액체에서 고체로 변할 때의 부피 변화

일반적으로 고체는 액체보다 분자 사이의 거리가 가까우므로 물을 제외한 물질에서는 액체에서 고체로 상태가 변할 때 부피가 감소하는 것을 관찰할 수 있다.물을 비커에 넣어 얼리면 부피가 증가하여 높이가 높아진 것을 볼 수 있지만, 액체 상태의 양초나 초콜릿을 비커에 넣어 응고시키면 가운데 부분이 오목하게 들어가는 것을 확인할 수 있다. 이것은 액체가 고체로 변하면서 비커의 주변부보다 나중에 굳는 가운데 부분이 상태가 변하면서 줄어든 부피 때문에 높이가 낮아져서 나타나는 현상이다.