녹음과 얼음

방 공기로 데워지던 얼음 비커는 녹는 동안 30분 넘게 정확히 0 °C에 머물렀습니다.

−12 °C인 얼음을 비커에 담아 실험대 위에 올려 둔다고 해 봅시다. OpenStax가 이때 어떤 일이 일어나는지 보여 줍니다. 10분이 지나면 얼음은 0 °C까지 데워졌고, 그중 조금이 녹았습니다. 다시 30분이 지나자 얼음은 더 많이 녹았지만, 온도계 눈금은 여전히 0 °C를 가리킵니다. 마지막 남은 얼음까지 모두 사라진 뒤에야 온도가 오르기 시작해 22.2 °C에 이릅니다. 얼음은 그 시간 내내 쉬지 않고 방에서 열을 받아들이고 있었습니다. 그런데 녹는 동안에는 그 열이 조금도 온도를 올리지 않았습니다.

열은 어디로 갈까

결정 속에서 분자 하나하나는 이웃 분자들에게 붙들려 제자리를 지키고 있습니다. 고체를 데우면 분자들이 더 세게 떨게 되고, 그만큼 온도가 올라갑니다. 그러다 녹는점(melting point)에 이르면, 떨림이 분자를 정해진 자리에서 끌어낼 만큼 세집니다. 그때부터는 넣어 준 에너지가 분자를 더 빨리 움직이게 하는 데 쓰이지 않고, 분자를 붙들고 있던 힘을 끊는 데 쓰입니다. 그래서 고체 전체가 액체로 바뀔 때까지 온도가 평평하게 그대로 머뭅니다. 고체 1몰을 녹이는 데 필요한 에너지를 그 고체의 융해 엔탈피(융해열, enthalpy of fusion)라고 합니다. 얼음의 융해 엔탈피는 6.01 kJ/mol입니다. 그래서 얼음 18.02 g을 녹이는 데 6.01 kJ가 듭니다.

6.01 kJ/mol은 얼마나 큰 값일까요? 물을 데우는 데 드는 열과 비교해 보면 알 수 있습니다. 액체 물 1 g을 1 °C 올리는 데는 4.18 J가 듭니다. 그러니 18.02 g이라면 1도마다 약 75.3 J가 필요합니다. 그렇다면 얼음 1몰을 녹이는 데 드는 6.01 kJ를 녹은 물을 데우는 데 대신 쓴다면, 그 물을 6010 ÷ 75.3 ≈ 80 °C나 데울 수 있습니다. 얼음을 넣은 음료가 그토록 오래 차갑게 유지되는 까닭이 바로 이것입니다. 얼음 조각 하나하나가 다 녹을 때까지 많은 열을 빨아들이고, 그동안 음료는 0 °C 가까이에 머뭅니다.

물이 얼 때는 같은 과정이 거꾸로 일어납니다. 0 °C의 물이 얼음으로 바뀔 때는 1몰마다 6.01 kJ의 열을 밖으로 내놓습니다. 녹을 때는 열을 흡수하고(흡열, endothermic), 얼 때는 열을 내놓습니다(발열, exothermic). 또 녹는 것과 어는 것은 같은 온도에서 일어납니다. 그래서 얼음의 녹는점과 물의 어는점은 하나의 같은 숫자입니다. 열이 전혀 드나들지 않는 완벽한 보온병에 얼음과 물을 함께 넣어 두면 그 혼합물은 그 온도에 계속 머뭅니다. 그 안에서는 녹는 일과 어는 일이 같은 빠르기로 계속 일어나고 있습니다.

물질마다 녹는점이 다릅니다

고체가 녹으려면 얼마나 뜨거워져야 하는지는 그 고체의 입자들이 서로를 얼마나 세게 끌어당기는지에 달려 있습니다. 아래 값은 1기압에서 잰 것으로 NIST Chemistry WebBook에서 가져왔습니다. 이 목록에 있는 금속 가운데 실온에서 액체인 것은 수은 하나뿐입니다. 수은은 −38.84 °C에서 얼기 때문에, 그보다 낮은 온도에서는 수은 온도계가 제대로 작동하지 않습니다. 반면 질소와 산소는 분자 사이의 약한 힘으로만 붙어 있어서, 영하 200도보다 더 낮은 온도에서 이미 녹습니다.

순수한 물질은 저마다 정해진 온도에서 녹습니다. 그래서 화학자는 녹는점을 재어 그 물질이 무엇인지 빠르게 확인하는 데 씁니다. 예상보다 낮은 온도에서 녹기 시작하는 시료는 순수하지 않을 가능성이 큽니다. 섞여 녹아 있는 불순물이 어는점을 낮추기 때문입니다. 얼어붙은 도로에 소금을 뿌리는 것도 같은 원리로 작동합니다. 소금물은 순수한 물의 어는점인 0 °C보다 낮은 온도에서 얼어서, 기온이 0 °C 아래여도 얼음이 녹습니다(OpenStax 11.4).