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2019.10.16 14:14

물은 100 도에서 끓지 않는다?

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물은 섭씨 100 도에서 끓는다는 명제는 진실이지만, 현실에서도 맞는 말일까. 틀린 명제는 아니지만 물이 100도에서 끓기 위해서는 몇 가지 전제조건이 필요하다. 

첫 번째는 아마도 누구나 아는 것으로, 기압이 1기압으로 고정돼야 물이 100도에서 끓는다. 그러므로 잘 알다시피 현실에서는 정확히 100도에서 끓지 않게 된다. 쉬운 예로 기압이 낮은 높은 산에 올라가면 밥이나 라면이 잘 익지 않는 이유가 되겠다. 그뿐인가 실제로 실험실에서는 낮은 온도에서 물을 제거하기 위하여 진공상태를 만들어 주곤 하는데, 그러면 실온이나 0도, 때로는 마이너스 온도상태에서도 물을 증발시킬 수 있다. 예를 들어 동결건조를 이용하면 물이 얼어 있는 상태에서 물을 제거(승화)시킬 수 있다. 

그래도 보통 우리가 사는 곳은 1기압에 가깝지 않는가. 오차가 별로 크지 않다면 물은 대충 100도 정도에서 끓지 않는가. 그러나 물이 100도에서 끓기 위해서는 또 다른 전제조건이 필요하다. 그 물이 순수해야만 100도에서 끓게 된다. 여기에서 눈을 잠시 돌려서 알기 쉽게 단순한 다른 예를 들어보자. 물은 0도에서 언다. 그러나 그것은 물이 순수할 때 이야기이다. 다른 불순물이 섞여 있는 물은 보통 더 낮은 온도에서 얼게 된다. 예를 들어 소금이 포화된 물은 영하 10도 정도에서 얼게 된다. 물을 끓일 때도 마찬가지다. 순수하지 않은 물은 비록 1기압 상태라 하더라도 100도에서 끓지 않는다. 

그런 현상은 물리학적으로 공비(azotrope)라고 하는 것으로, 이미 실험적으로 검증돼있고 또한 연구실에서 자주 이용되고 있는 방법이다. 우리가 마시는 술의 원료인 에탄올이 물에 섞여 있으면 어떻게 될까? 에탄올의 끓는점은 78.4도로 알려져 있으므로 당연히 에탄올이 먼저 끓어 증발하게 된다. 그러나 물이 존재하면 에탄올 95.5대 물 4.5의 비율로 에탄올의 끓는점보다 더 낮은 78.1도에서 끓게 된다. 에탄올의 입장에서는 그다지 차이가 없지만, 물의 입장에서 보면 증발온도 차이가 무려 22도 정도나 된다. 대부분의 유기화합물이 섞이면 끓는점이 낮아지지만 염산이나 불산 황산 등의 산이 일정 비율 이상 섞이면 물의 끓는점은 110도 혹은 120도까지 상승하기도 한다. 

이런 현상은 이론적으로도 중요하지만, 실제로 연구와 산업현장에서 이용되고 있는 엄밀한 과학적인 현상이다. 유기화학실험에서 유기화합물에 물이 섞여 있을 때 낮은 온도에서 제거하기가 쉽지 않을 경우가 많은데, 이때 에탄올이나 톨루엔 등을 넣어서 감압증류하면 깨끗이 제거할 수가 있다. 또한 순수한 에탄올을 제조할 때 단순 증류만으로는 물이 제거가 잘 안되기 때문에(에탄올 95.5대 물 4.5의 비율의 혼합물이 얻어짐) 물과 공비를 형성하는 다른 용매를 넣어 물을 제거해 주면 거의 순수한 에탄올을 얻을 수가 있다. 

이러한 공비현상은 2가지 화합물에서만 발견되는 것이 아니라 3가지 이상의 혼합물에서도 나타나며 혼합물의 섞임 비율에 따라 매우 다양한 끓는점이 존재하게 된다. 

물이 100도에서 끓는다는 것은 하나의 명제이지 현실이라는 실험실에서는 사실이 아닌 경우가 더 많다. 현실적으로 정확히 1기압 상태와 더불어 증류에 영향을 미치는 다른 조건들(불순물이 없는 조건을 포함해)을 만족하기란 쉽지 않기 때문이다. 

사실 물이 100도에서 끓는다는 명제는 아주 간단하고 단순한 것으로 누구나 알고 있다지만, 이러한 단순한 진실조차도 현실의 실험실에서 재현하기는 쉽지 않다는 것이다. 

물에 관한 사소한 현상이 과학계에서 오랫동안 논란거리가 되고 있는 비슷한 사례로 음펨바 효과를 들 수 있다. 더운 물이 찬 물보다 더 빨리 언다는 것으로 과학계에서 수십 년 동안이나 논란거리가 돼 왔지만 아직도 진위가 분명치 않은 실정이다. 

일상에서 흔히 접하는 물에 관한 단순한 문제조차 실험으로 증명하는 일은 쉽지 않다는 것을 안다면, 일상에서 우리가 당연하다고 생각하는 대부분의 문제들은 여러 가지 요소들을 고려해야 하므로, 과학 실험으로 증명하기가 매우 어렵다는 사실을 알아야 한다. 

 

전동주 한국화학연구원 연구소기업 (주)켐스트리 대표 

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