어는점 내림

3. 계산

액체의 어는점은 고체와 액체, 기체가 평형 상태를 유지하고 있는 온도이며, 액체의 증기압 곡선과 고체의 증기압 곡선이 교차하는 지점이다. 용매의 증기압보다 용액의 증기압이 낮아지면 용액의 증기압 곡선의 교차점이 낮아진다. 바닷물이 민물보다 잘 얼지 않는 현상이 그 예시이다. 실험적으로도 용매의 어는점보다 용액의 어는점이 낮아지며 그 관계는 끓는점 오름의 경우와 같다.^[20]

1kg의 용매에 용질 1몰을 녹였을 때의 어는점 내림을 몰 어는점 내림이라고 하는데, 이 값은 용매에 따라 결정되고 용질의 종류와는 관계가 없다. 몰 어는점 내림을 이용하여 용질의 분자량을 구할 수 있다.

용질이 비전해질인 경우에는 용액 속에서 입자의 수에 변화가 없지만, 전해질인 경우에는 이온으로 분리하기 때문에 입자 수가 증가한다. 예를 들어 염화 나트륨은 나트륨 이온과 염화 이온으로 이온화하기 때문에 염화나트륨 자체는 하나이지만 이론적으로는 2가지가 된다. 이 때문에 염화 나트륨 1몰이 완전히 이온화하면 용질 입자의 몰수가 2몰의 효과를 나타내게 되어 이온이 되지 않는 설탕에 비해서 끓는점 오름이나 어는점 내림은 약 2배가 된다.^[20]

3. 1. 묽은 용액

• $\backslash Delta\; T\_f$는 어는점 강하로, 순수한 용매의 어는점 $T\_f^0$에서 용액의 어는점 $T\_f$를 뺀 값으로 정의되며, 위의 공식은 모든 인수가 양수이므로 양수 값을 갖는다. 위 공식을 사용하여 계산된 $\backslash Delta\; T\_f$로부터 용액의 어는점을 $T\_f\; =\; T\_f^0\; -\; \backslash Delta\; T\_f$로 계산할 수 있다.
• $K\_f$는 어는점 내림 상수로, 용질이 아닌 용매의 특성에 따라 달라진다. (참고: 실험을 수행할 때, ''k'' 값이 높을수록 어는점 강하를 더 크게 관찰하기 쉽다.)
• $b$는 몰랄 농도 (용매 1kg당 용질의 몰 수)
• $i$는 반트호프 인자 (용질의 화학식 단위당 이온 입자 수, 예: NaCl의 경우 i = 2, BaCl₂의 경우 3)

3. 2. 진한 용액

4. 활용

어는점 내림 현상은 실생활 및 산업 분야에서 다양하게 활용된다.

제설제를 도로에 뿌리면 어는점 내림 현상에 의해 영하의 온도에서도 얼음이 녹아 결빙을 방지할 수 있다. 염화 나트륨은 물의 어는점을 낮추는 효과가 있지만, 도로 표면 온도가 매우 낮으면 효과가 없다. 그래서 염화 칼슘, 염화 마그네슘 등 다른 염이나 여러 물질의 혼합물이 사용되기도 한다.^[3]

자동차 냉각수는 물과 에틸렌 글리콜 혼합물로 만들어지는데, 어는점 내림 현상 덕분에 겨울철에도 라디에이터가 얼지 않는다.^[3]

극심한 추위에서 서식하는 생물들은 소르비톨, 글리세롤과 같은 물질을 체내에 고농도로 생성하여 어는점 내림 현상을 이용한다. 이를 통해 주변 환경이 얼어붙는 상황에서도 생존할 수 있다.^[5] 예를 들어, 북극에 사는 무지개 송어는 글리세롤 등의 분자를 생성하여 겨울철 얼어붙은 강어귀에서 생존한다.^[5]

어는점 내림은 저온법이라 불리는 몰 질량 측정에도 활용된다. 과거 유기 화학에서 유용하게 사용되었으며, 어는점을 정확하게 측정하여 몰 질량을 구하는 방법이다.^[8] 이상 용액이거나 용질의 농도가 매우 작을 경우, 어는점 내림은 몰랄 농도에 관한 일차식으로 표현된다.

: $\backslash Delta\; T\_F\; =\; K\_Fmi$

: 이때 ''ΔT''_F는 내려간 온도, ''K''_F는 어는점 내림 상수, m은 몰랄 농도, i는 반트호프 계수를 의미한다.

시차 주사 열량 측정법(DSC)을 이용한 분석에서 어는점 내림은 물질의 순도를 분석하는 데 사용된다.^[21][22]

유제품 산업에서는 우유에 물 첨가 여부를 확인하기 위해 어는점 내림(FPD) 측정을 사용한다. FPD가 0.509°C 이상인 우유는 물이 첨가되지 않은 것으로 간주된다.^[10]

4. 1. 제설

4. 2. 부동액

4. 3. 생물학적 응용

4. 4. 몰 질량 측정 (저온법)

4. 5. 순도 분석

4. 6. 식품

참조

_[1] 논문 Controlling the hardness of ice cream, gelato and similar frozen desserts 2021-03-18
_[2] 서적 General Chemistry Prentice-Hall 2002
_[3] 웹사이트 Salt Doesn't Melt Ice—Here's How It Makes Winter Streets Safer https://www.scientif[...]
_[4] 뉴스 Q & A https://www.nytimes.[...] 2022-02-10
_[5] 논문 The freeze-avoidance response of smelt ''Osmerus mordax'': initiation and subsequent suppression 6353 http://jeb.biologist[...]
_[6] 서적 Animal Physiology: From Genes to Organisms Thomson Brooks/Cole, Belmont, CA 2005
_[7] 웹사이트 Bioetymology – Biomedical Terms of Greek Origin http://bioetymology.[...]
_[8] 서적 Practical Organic Chemistry https://archive.org/[...] MacMillan and Co. 1910
_[9] 웹사이트 Archived copy http://faculty.sites[...] 2019-07-08
_[10] 웹사이트 Freezing Point Depression of Milk http://www.dairyuk.o[...] Dairy UK
_[11] 서적 Physical Chemistry Freeman 1990
_[12] 서적 SI Chemical Data 5th ed. John Wiley & Sons
_[13] 논문 Estimation of Freezing Point Depression, Boiling Point Elevation, and Vaporization Enthalpies of Electrolyte Solutions
_[14] 논문 Calculations of Freezing Point Depression, Boiling Point Elevation, Vapor Pressure and Enthalpies of Vaporization of Electrolyte Solutions by a Modified Three-Characteristic Parameter Correlation Model
_[15] 논문 Correlation and Prediction of Activity and Osmotic Coefficients of Aqueous Electrolytes at 298.15 K by the Modified TCPC Model
_[16] 논문 Correlation and Prediction of Thermodynamic Properties of Some Complex Aqueous Electrolytes by the Modified Three-Characteristic-Parameter Correlation Model
_[17] 논문 Correlation and Prediction of Thermodynamic Properties of Nonaqueous Electrolytes by the Modified TCPC Model
_[18] 논문 A Simple Two-Parameter Correlation Model for Aqueous Electrolyte Solutions across a Wide Range of Temperatures†
_[19] 서적 基礎物理化学 東京教学社 1997
_[20] 글로벌2 어는점 내림
_[21] 저널 인용 Estimation of Freezing Point Depression, Boiling Point Elevation, and Vaporization Enthalpies of Electrolyte Solutions
_[22] 저널 인용 Calculations of Freezing Point Depression, Boiling Point Elevation, Vapor Pressure and Enthalpies of Vaporization of Electrolyte Solutions by a Modified Three-Characteristic Parameter Correlation Model
_[23] 저널 인용 Correlation and Prediction of Activity and Osmotic Coefficients of Aqueous Electrolytes at 298.15 K by the Modified TCPC Model
_[24] 저널 인용 Correlation and Prediction of Thermodynamic Properties of Some Complex Aqueous Electrolytes by the Modified Three-Characteristic-Parameter Correlation Model
_[25] 저널 인용 Correlation and Prediction of Thermodynamic Properties of Nonaqueous Electrolytes by the Modified TCPC Model
_[26] 저널 인용 A Simple Two-Parameter Correlation Model for Aqueous Electrolyte Solutions across a Wide Range of Temperatures†