겨울철 어김없이 찾아오는 눈! 집에서나 길거리에서 보면 낭만스러운 분위기와 풍경을 연출하는데요. 하지만 운전자들에게는 겨울에 찾아오는 불청객이나 다름없습니다. 눈으로 소복이 쌓인 도로에는 눈이 녹아 물로 되었다가 다시 얼음으로 변하기 때문에 미끄럽습니다. 그래서 다른 계절보다 교통사고 확률이 급격히 늘어나는 계절인데요! 이러한 빙판길 교통사교를 예방하기 위해 우리는 다양한 제설제를 사용합니다. 그중에서 염화나트륨은 대표적인 제설제인데요 이 염화나트륨이 제설제로서의 역할을 어떻게 담당하는지 어떤 원리로 제설을 하는지 지금부터 알아보겠습니다.
올해는 유독 눈도 많이 오고, 날씨도 추운 것 같은데요. 눈이 오고 맹추위가 계속되면서 도로 곳곳에 눈이 꽝꽝 얼어붙어 있는 모습을 쉽게 찾아볼 수 있습니다. 특히 겨울철이 되면 뉴스에서 쉽게 들을 수 있는 현상 중에 블랙아이스가 있습니다. 블랙아이스는 도로에 살얼음이 낀 현상으로 빙판길이지만 얼음 두께가 얇아 아스팔트 도로색깔과 다르지 않아 붙여진 이름인데요. 도로에 살얼음이 꼈지만 운전자가 보기에는 도로가 그냥 젖어있는 것처럼 보이기 때문에 운전자들에게 큰 위험을 줄 수 있답니다. 이러한 얼음들은 교통체증과 사고의 원인이 되는 겨울철 불청객이지만 화학의 원리를 활용한다면 해결할 수 있답니다.
눈 오는 날 교통체증과 사고를 막아주는 대표적인 제설제로는 염화나트륨(NaCl)이 있습니다. 물에 다른 물질을 섞으면 어는점이 낮아집니다. 물이 얼기 위해서는 물 분자가 모여 단단한 결합을 형성해야 하는데요. 염화나트륨이 물에 녹으면서 만들어진 나트륨이온(Na+)과 염소이온(Cl-)이 물 분자 사이의 결합을 방해한답니다.
염화나트륨이 첨가된 물의 경우 물 분자가 얼면 얼지 않은 나머지 부분의 농도가 높아지겠죠. 농도가 더욱 높아지면, 어는점(얼게 되는 온도)이 더 떨어진답니다. 그렇기 때문에 소금물을 얼리면서 온도를 측정하면 순수한 물이 얼 때처럼 0℃에서 일정한 온도를 유지하지 않고 어느 점이 계속해서 낮아지게 됩니다. 이런 원리에서 어는점이 낮아지면, 녹는점도 같이 낮아지므로 얼음에 염화나트륨을 뿌리면 0℃ 이하의 기온에서도 얼음이 녹게 되는 것이죠!
▲ 염화나트륨(좌), 염화칼륨(우)과 각 분자구조, 이미지출처: 위키페디아(http://ko.wikipedia.org/wiki/)
염화칼륨과 염화나트륨 사이에는 큰 차이가 있는데요. 염화칼륨은 물에 녹으면서 열을 내는 특징이 있답니다. 염화칼륨을 얼음 위에 뿌리면 녹는점이 낮아져 얼음이 녹는데, 얼음이 녹아 생긴 물에 염화칼륨이 녹으면 발열반응이 일어나 주변 얼음까지 녹게 됩니다. 발열반응이 염화칼륨을 이용한 제설의 가장 중요 포인트라고 할 수 있죠.
고체의 용해과정을 보면 주변 열을 흡수하는 방식의 흡열반응인 경우가 많습니다. 주위 온도가 높으면 열을 흡수하기 쉬워 용해가 잘 일어나는 것이죠. 뜨거운 커피가 차가운 커피보다 설탕을 빠르게 더 많은 양을 녹일 수 있는 이유도 이러한 원리에선데요. 흡열반응과 다르게 염화칼륨은 물에 녹으면 발열반응을 일으키므로 매우 추운 날씨에도 얼음을 녹일 수 있는 좋은 제설제라고 할 수 있답니다.
반면, 염화나트륨은 물에 녹으면서 주변 열을 흡수(흡열현상)합니다. 따라서 러시아처럼 기온이 -20℃ 이하로 떨어지는 추운 곳에서는 염화나트륨을 제설제로 사용할 수 없지요. 다만 염화나트륨을 제설제로 이용하면 영하 8도 이상에서 눈을 녹이는 효과가 크답니다. 특히 가격이 저렴해 경제적인 제설작업이 가능하다고 알려져 있습니다.
▲ 염화나트륨 전기분해, 이미지출처: 위키페디아(http://ko.wikipedia.org/wiki/)
나트륨과 염소의 혼합물이 바로 염화나트륨입니다. 화학식은 Na+ Cl-으로 표현되지요. 염화나트륨을 포함한 구성 성분 대다수가 전해질이기 때문에 물에 녹아 소금물이 되면 전류가 잘 통한다고 알려져 있습니다. 여기에 전류를 흘려주면 전기분해가 되면서 +극에서 염소기체가, -극에서 수소기체가 발생하지요.
염화나트륨에서 분리해낸 염소로 ‘한화케미칼’의 상품 주 하나인 ‘클로르 알칼리’(CA:Chlor Alkali)'를 만들 수 있답니다. 우리에게는 ‘염소’와 ‘가성소다’라는 이름으로 익숙한 클로르 알칼리는 석유화학 분야에서 정말 다양하게 사용되는 기초 화학제품이랍니다. 제지와 섬유, 세제, 금속, 식품, 전기 등 광범위한 산업 분야를 비롯해 주로 수질과 대기 등 오염 방지를 위한 수처리, 가스제거 용도로 사용되고 있답니다. 염화나트륨은 겨울철 안전사고를 방지하는 제설제로 활용되며 그 자체로도 매우 유용하지만, 화학의 원리로 분해하면 더욱더 큰 가치를 창출할 수 있는 ‘클로르 알칼리’를 만들어낸다는 사실 알았는데요. 역시 화학은 현대의 연금술이라고 불릴 만하죠?
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