과냉각 현상에 용액의 pH와 전해질이 미치는 영향 (The Effects of pH and Electrolyte of the Solution on the Occurrence of Supercooling of Water)

서지정보

· 발행기관 : 한국과학영재교육학회
· 수록지 정보 : 과학영재교육 / 13권 / 1호 / 13 ~ 22페이지
· 저자명 : 이종백, 김예린, 장소정, 고경철, 이상권

초록

이 연구는 광역시 소재 대학교 과학영재교육원 사사과정에서 진행하는 연구로 수행되었다. 물의 과냉각은 학생들 실험실에서 간단한 장치를 이용하여 쉽게 연구할 수 있다. 본 연구에서는 용액의 pH와 전해질이 물의 과냉각에 미치는 영향을 살펴보았다. 실험에서 온도 변화는 온도 센서와 MBL 장치를 이용하여 기록하였다. 또한 GAUSSIAN 프로그램을 이용하여 컴퓨터 시뮬레이션을 수행하고 실험 자료와 비교하였다. 물의 초기 온도가 높을수록 그리고 pH가 증가할수록 물의 과냉각이 더 잘 일어났다. pH가 낮을 때는 용액 중에 H3O+ 이온이 더 많이 존재하여 국소적으로 얼음 결정의 핵을 만들기가 더 쉽기 때문에 물의 과냉각이 잘 일어나지 않는다. 또한 시험관 내 물의 초기 온도가 80℃인 경우, pH가 7~13에서는 모든 물의 냉각 과정에서 물의 과냉각 현상이 나타나는 것을 알 수 있었다. 전해질이 첨가된 용액에는 전해질이 없는 경우에 비해 물의 과냉각이 훨씬 덜 일어나는 것을 알 수 있었다. 따라서 냉각 곡선에서 물의 과냉각 현상은 물이 국소적으로 결정핵을 더 쉽게 형성할 수 있는 환경과 관련이 있다는 것을 알 수 있다; 만일 결정핵을 쉽게 형성할 수 있다면 국소적으로 형성된 얼음 결정에 의해 물은 과냉각 없이 전체적으로 얼게 된다. 반면에 결정핵이 쉽게 형성될 수 없다면 결정핵의 형성은 지연되고 따라서 물은 과냉각된다. 컴퓨터 시뮬레이션 결과, H3O+ 이온에 의해 수소 결합의 형성이 더 촉진될 수 있다는 것이 예측되었다.

영어초록

This study is based on Research and Education (R&E) project in the University located in metropolitan city. Supercooling of water can be easily studied with a simple apparatus suitable for the student laboratory. We investigated the effects of the pH and electrolyte of the solution on the occurrence of supercooling of water. The temperature variations in the experiment were recorded using temperature sensor and MBL apparatus in the cooling the solution. The computer simulations were carried out using GAUSSIAN program and compared with the experimental data. As the initial temperature and pH of a solution become higher, supercooling of water occurs more easily. When the pH of a solution is low, supercooling of water does not occur easily because the presence of H3O+ ion accelerates the formation of ice crystals locally. Further, when the initial temperature of a solution is 80℃, supercooling of water occurs at all cooling experiments if the pH of a solution is between 7 to 13. When electrolytes are added in the solution, the occurrence of supercooling of water is not easy compared to the case of the absence of electrolytes. Therefore, we correlate the occurrence of supercooling of water with the circumstance of the solution to nucleate ice more easily; if it nucleates easily, the layer of ice crystals formed locally will initiate freezing of the bulk water without supercooling. On the other hand, If the circumstance is unable to nucleate ice easily, ice nucleation is delayed and the water is supercooled. As the result of the computer simulation, it is expected that the formation of the hydrogen bond can be accelerated by the presence of H3O+ ion.

참고자료

· 없음