녹는점
1. 개요
融點, Melting Point
일반적으로 녹는점 또는 융해점[2]은 고체가 액체로 상전이하는 온도이다. 끓는점과 같이 압력의 영향을 받긴 하지만, 받는 정도가 훨씬 적다. 몇몇 물질은 과냉각 상태가 존재하기 때문에 녹는점은 끓는점과 달리 물질의 특성으로 사용되지는 않는다. 또한 과냉각 상태라는 애매한 상태가 존재하기 때문에 얼음이 생성되는 온도가 아닌, 얼음이 녹는 온도로 정의한다.[3]
2. 녹는점과 압력
액체가 기화될 때의 부피 변화는 수천 배에 달한다. 따라서 끓는점은 압력의 영향을 크게 받으며, 증기압력은 온도와 양의 상관관계를 가지고 있기 때문에 압력이 증가할수록 끓는점도 상승한다. 그러나 고체와 액체 간의 변화에서 부피 변화는 고작해봐야 수 배 정도이므로 압력에 큰 영향을 받지 않고, 고체의 부피가 액체보다 큰 경우[4]가 있기에 압력이 오르면 오히려 녹는점이 감소하는 경향을 보일 때도 있다.
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200 MPa (대기압은 0.1 MPa) 차이에도 불구하고 녹는점은 25 ℃ 이하의 차이 밖에 보이지 않는다. 단 0.1 MPa 차이로 100℃ 차이를 보이는 끓는점과는 매우 대조적이다.
3. 어는점 내림[5]
겨울에 기온이 영하로 내려가더라도 바닷물이 어는 것은 흔치 않다. 이는 바닷물이 끊임없이 순환하는 구조이기 때문이기도 하나 기본적으로 바닷물, 즉 소금물 자체의 어는점이 0℃가 아니기 때문이다. 겨울철, 얼음에 염화칼슘을 뿌려 얼음을 녹이는 것도 이것을 이용한 것이다.
참고로 다른 물질도 아닌 굳이 염화칼슘을 쓰는 이유는 염화칼슘이 이온 결합을 하는 물질로, 용해되면 대부분 이온 3개로 나뉘기 때문이다. 어는점 내림은 이온화된 입자의 개수에 비례한다. 소금의 1 m (몰랄 농도)를 넣어도 소금은 Na+ 이온과 Cl- 이온으로 이루어져 있기 때문에 2 m의 효과를 낸다는 소리다. CaCl2인 염화칼슘은 같은 양에 비해 3배의 효과를 내는 셈. [6]
상술된 내용을 수식화하면 다음과 같다.
$$\Delta T_{F}=K_{F} b i$$
$$K_{F}$$ 는 어는점 내림 상수로, 용질이 아닌 용매에 관계된다. 물에다가 소금을 넣든 설탕을 넣든 입자 수만 같으면 효과는 같은 셈. 물의 경우는 1.853이다. b는 몰랄 농도, i는 반트 호프 상수로 물질이 용해되었을 때 한 입자당 생성되는 이온화 입자 수. 소금은 2이고 염화칼슘은 3이다.[7]
[1] 고체가 융해하는 것이 아닌, 액체가 어는 경우이므로 녹는점 내림이 아닌 어는점 내림. 그리고 녹는점 내림은 나노입자의 녹는점이 낮아지는 현상으로 아예 다른 현상이다.[2] 반대로 액체가 얼면 어는점, 빙점 등의 용어를 사용할 수 있다.[3] 따라서 물질이 실제로 어는 온도와 녹는 온도는 다를 수 있다. 물의 경우, 결정 구조를 만들 핵을 만들지 않고 얼리면 영하 40℃ 이하까지도 과냉각 시킬 수 있다. 물론 이 상태는 상당히 불안정하기에 조금의 충격으로도 얼음이 될 수 있다.[4] 가장 대표적인 예는 물이며, 비스무트 또한 그러하다.[5] 고체가 융해하는 것이 아닌, 액체가 어는 경우이므로 녹는점 내림이 아닌 어는점 내림. 그리고 녹는점 내림은 나노입자의 녹는점이 낮아지는 현상으로 아예 다른 현상이다.[6] 물론 모두 이온화 되는 것은 아니어서 정확히 2 배나 3배는 아니다.[7] 소금은 이온결합으로 입자식이 NaCl이므로 Na+와 cl-가 각각 한 개씩 있으므로 총 이온수는 2, 염화칼슘은 입자식이 CaCl2이므로 Ca2+와 Cl-가 각각 한 개, 두 개씩 있으므로 총 이온수가 3이다.