물질의 특성 - 끓는점, 녹는점, 어는점

안녕하세요.

제주도에서 중·고등학생을 대상으로 개인&그룹 과학수업을 하고 있는 달빛과학 입니다.

여러분, 라면을 맛있게 끓이는 자기만의 방법이 있으신가요?

저는 특별한 방법을 가지고 있지는 않지만, 면을 넣기 전에 스프를 먼저 넣습니다.

왜냐하면 스프를 넣으면 물이 더 높은 온도에서 끓기 때문입니다.

대부분 다 아시는 방법일거에요 ^^

이번 시간에는 물질의 특성 중 하나인 끓는점, 녹는점(어는점)에 대해서 알아보겠습니다.

왜 스프를 넣으면 물이 더 높은 온도에서 끓는지도 아실 수 있을거에요.

*** 끓는점 [boiling point]

■ 끓는점에 대한 이해

액체 상태인 물질이 끓는 동안 일정하게 유지되는 온도를 끓는점이라고 합니다.

액체 상태인 물질의 내부와 표면에서 모두 상태변화(기화: 액체 → 기체)가 일어나죠.

(표면에서만 기화하는 것을 '증발'이라고 하지요)

온도가 일정하게 유지되는 이유는 1학년 과정에서 배우셨지요?

'열 에너지가 상태변화에 쓰이기 때문'입니다.

이 개념을 이해하기 위해서 상상력을 조금 발휘해봅시다.

물을 비커에 담고 알코올램프로 열을 가해줍니다.

물 분자들이 손을 잡고 있다고 생각해보세요.

이렇게 입자끼리 손을 잡고 당기는 힘을 '인력'이라고 합시다.

온도가 높아지면 물 분자들 사이의 거리가 조금씩 멀어지고 당기는 힘도 약해집니다.

100℃가 되면 더 이상 버티지 못하고 손을 놓게 된다고 상상하세요.

열 에너지는 처음에는 물의 온도를 높이는데 쓰입니다.

서서히 온도가 올라갑니다. 50℃, 60℃, 70℃...

그러다가 딱 100℃가 되면 이제 열 에너지는 온도를 높이는데 사용되는게 아니라 물 분자들이 붙잡은 손을 놓게 하는데 사용됩니다.

물 분자들은 이제 더 이상 버티지 못하고 수증기가 되어 하나씩 날아가는 겁니다.

액체에서 기체로 상태가 변하는 것이죠.

열 에너지가 물 분자끼리의 결합을 끊는데만 사용이 되기 때문에 온도는 일정하게 유지됩니다.

이때의 온도를 '끓는점'이라고 합니다.

이제 '열 에너지가 상태변화에 쓰이기 때문에 온도가 일정하게 유지된다'라는 개념을 이해하시겠지요 ^^

■ 물질의 특성 - 끓는점

끓는점은 물질의 종류마다 다릅니다.

물은 100℃, 에탄올은 78℃, 메탄올은 65℃ 입니다.

양이 많아도 이 온도는 똑같습니다.

물질마다 다르고, 양에 관계없이 일정하기 때문에 끓는점은 물질의 특성이 될 수 있는겁니다.

그렇다면 왜 물질의 종류마다 끓는점이 다른걸까요?

바로 물질마다 입자 사이에 작용하는 인력(잡아당기는 힘)이 모두 다르기 때문입니다.

에탄올의 끓는점이 78℃이고 물의 끓는점은 100℃라는 이야기는 에탄올 입자 사이의 인력이 물 입자 사이의 인력보다 약하다는 말입니다.

반대로 끓는점이 높다는 것은 입자 사이의 인력이 강하기 때문에 이 인력을 이겨내고 기체로 변화를 시키는데 많은 열 에너지가 필요하다는 이야기이고요.

■ 가열곡선 이해하기

여러가지 액체의 가열 곡선을 보고 여러가지를 이해해봅시다.

다음 그래프는 4가지 액체 물질을 똑같은 열로 가열하고 시간에 따른 온도 변화를 측정한 그래프입니다.

끓는점은 C가 가장 높고, D가 가장 낮습니다.

입자간 인력이 가장 센 물질은 C이고, 가장 약한 물질은 D라고 볼 수 있습니다.

A와 B는 끓는점이 같기 때문에 같은 물질이라고 판단할 수 있습니다.

또한 B가 A보다 늦게 끓었기 때문에 B의 양이 A의 양보다 많다고 생각할 수 있네요.

(50mL의 물과 1L의 물 중 같은 불로 끓였을 때 어떤게 먼저 끓을지 생각하면 쉽게 이해할 수 있어요)

*** 녹는점과 어는점 [melting point & freezing point]

■ 녹는점

고체 물질이 고체에서 액체로 상태변화 하는 동안 일정하게 유지되는 온도입니다.

온도가 일정하게 유지되는 이유는 열 에너지가 상태변화에 쓰이기 때문이죠.

■ 어는점

액체 물질이 액체에서 고체로 어는 동안 일정하게 유지되는 온도입니다.

온도가 일정하게 유지되는 이유는 상태 변화를 하면서 열이 방출이 되는데, 이 열이 온도가 떨어지는 것을 막아주기 때문이에요.

■ 물질의 특성 - 녹는점, 어는점

녹는점과 어는점은 물질의 종류마다 다릅니다.

또한 양에 관계없이 일정하구요.

한 물질의 녹는점과 어는점은 같습니다.

물의 어는점도 0℃, 녹는점도 0℃인 것 처럼요.

■ 가열-냉각 곡선 그래프

위 그래프는 어떤 고체물질을 가열한뒤 모두 녹였다가 다시 식히는 과정에서의 온도변화를 나타낸 것입니다. 가열-냉각 곡선 그래프라고 부르죠.

처음에 고체 상태 물질의 온도가 상승하다가 녹는점에 도달하면 액체로 상태변화를 시작합니다. 이때 온도가 유지되면서 고체와 액체가 섞여있는 상태가 되겠지요. 그러다가 고체가 녹아서 모두 액체가 되면 온도가 다시 상승하게 됩니다. 냉각 곡선을 이와 반대로 진행됩니다. 

*** 온도에 따른 물질의 상태

이번에는 간단한 문제로 온도에 따른 물질의 상태를 맞춰봅시다.

현재 온도가

▶ 녹는점보다 낮으면 → 고체

▶ 녹는점과 끓는점 사이면 → 액체

▶ 끓는점보다 높으면 → 기체

위 표는 3가지 물질의 녹는점과 끓는점을 표시한 것입니다.

만약 현재 온도가 25℃라면 A, B, C의 상태는 어떠할까요?

▶ A는 녹는점이 0℃이기 때문에 25℃라면 이미 녹아있는 상태입니다.

그리고 끓는점이 100℃라서 25℃라면 아직 끓지는 않은 상태이구요.

그렇다면 A는 액체 상태이군요.

▶ B는 끓는점이 -170℃로 무척 낮습니다.

25℃라면 한참 전에 끓어서 모두 기체로 상태변화를 했겠네요.

B의 현재 상태는 기체입니다.

▶ C는 녹는점이 60℃로 꽤 높네요.

현재 기온인 25℃에서 아직 녹지도 않은 상태입니다.

C의 현재 상태는 바로 고체네요.

*** 순물질과 혼합물의 구별

순물질은 끓는점과 녹는점, 어는점이 일정하지만 혼합물은 일정하지 않습니다.

■ 고체 + 액체 혼합물의 끓는점

소금물은 순수한 물보다 높은 온도에서 끓기 시작하고, 끓는 동안에도 온도가 계속 높아집니다.

그래프로 보면 아래와 같습니다.

▶ 소금물이 높은 온도에서 끓는 이유

물에 녹아있는 소금이 물이 기체로 변하는 것을 방해합니다. 그래서 물 분자끼리 결합을 끊기 위해 더 많은 열이 필요하고, 끓는점이 올라가게 되는 것이죠. 그리고 물이 끓으면 소금물의 농도가 높아지게 됩니다. 그러면 물이 기화하는 것을 더 방해하게 되기때문에 온도가 점점 더 높아지는 것입니다.

■ 고체 + 액체 혼합물의 어는점

소금물은 순수한 물보다 낮은 온도에서 얼기 시작하고, 어는 동안에도 온도가 계속 낮아집니다.

그래프를 보시죠.

▶ 소금물이 낮은 온도에서 어는 이유

물이 언다는 것은 물 분자끼리 다닥다닥 엉켜서 붙는 것이라고 생각해봅시다. 그런데 소금이 있으면 물 분자 사이에 껴서 이 작용을 방해하는 것입니다. 그리고 물이 얼기 시작하면서 농도가 점점 높아지고 소금이 상대적으로 많아져서 응고를 더 방해하게 되겠죠. 그래서 어는 동안에도 온도가 점점 내려가는 것입니다.

*** 우리 생활에서의 이용

■ 끓는점과 압력

압력과 끓는점은 비례관계입니다.

압력이 높아지면 끓는점도 높아지고, 압력이 낮아지면 끓는점도 낮아집니다.

이것을 이용한 대표적인 예가 '압력 밥솥'입니다.

압력솥 내부 압력을 높이면 물의 끓는점이 높아져서 쌀이 높은 온도에서 빨리 익게됩니다. 그래서 압력밥솥에 밥을 하면 시간도 적게 걸리고, 높은 온도에서 조리가 되기때문에 밥도 맛있죠.

반대로 높은 산에 올라가서 밥을 하면 밥이 설익는 현상을 들 수 있습니다.

높은 산에서는 외부 기압이 낮아지기 때문에 끓는점이 낮아지고, 물이 100℃보다 낮은 온도에서 끓기 때문에 쌀이 잘 익지 않습니다.

■ 끓는점이 높은 것을 이용한 예

라면을 끓일 때 스프를 먼저 넣으면 끓는점이 높아져서 라면이 높은 온도에서 빨리 익습니다.

또 달걀을 삶을 때도 물에 소금이나 식초를 조금 넣으면 더 좋겠죠?

■ 어는점이 낮은 것을 이용한 예

눈이 많이 오면 도로에 염화칼슘을 뿌립니다. 눈에 염화칼슘이 섞이면 혼합물이 되기 때문에 어는점이 낮아지게 되고, 0℃가 되더라도 길이 얼지 않게되겠죠.

겨울이 되서 자동차에 부동액(혼합물)을 넣는 이유도 똑같습니다.

■ 녹는점이 높은 것을 이용한 예

녹는점을 높인다는 것은 고열에도 쉽게 녹지 않게 만든다는 것입니다.

소방관이 입는 방화복 재질은 녹는점이 높은 물질을 이용합니다.

■ 녹는점이 낮은 것을 이용한 예

전기 기구에 있는 안전장치인 퓨즈는 납과 주석이 섞인 혼합물로 만들어지는데요, 녹는점이 낮아지게 됩니다. 그래서 전류 흐름이 너무 많아져서 열이 갑자기 오르게 되면 퓨즈가 쉽게 녹아서 전기가 차단되게 됩니다.

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