KRICT 한국화학연구원

심보경의 교과서 속 화학

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단짠단짠의 세계,

설탕과 소금은 어떻게 다를까?

언택트 생활로 배달 음식과 너무 가까워지셨나요? 집에서 먹는 ‘단짠단짠’은 코로나19 시대에 확찐자를 양산하는 주범이기도 하지요. 단짠단짠의 맛을 내는 것은 잘 알고 있듯이 설탕과 소금이지요. 이 두 양념은 비슷한 듯 하면서도 매우 다른 면이 많답니다. 오늘은 ‘화학적으로’ 이들이 어떻게 다른지 알아보도록 할까요?

설탕은 아시는 것처럼 사탕수수 100%로 만들어요. 공장에서 대량으로 만들기는 하지만 설탕은 인공화합물이 아니라 천연물질입니다. 사탕수수에서 불순물을 걸러내고 먹을 수 있게 가공한 100% 천연식품이지요. 눈처럼 하얀 사탕이라는 뜻으로 한자로는 ‘雪糖’이라고 표기합니다. 설탕은 자당(sucrose)을 주성분으로 하는 감미료로 포도당과 과당이 하나씩 결합한 것을 말합니다.

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소금은 예전에는 화폐처럼 이용되기도 했어요. 임금으로 소금을 지급하기도 하고, 필요한 물건을 소금으로 살 수도 있었지요. 소금은 없어서는 안될 중요한 물질이었음을 알려주는 사례이지요. 소금은 짠 맛이 나 식품의 맛을 돋우는 조미료의 역할을 할 뿐 아니라 12%이상의 농도에서 방부작용을 하므로 생선을 보관하거나 시신의 부패를 막는 데 사용하기도 했어요. 이외에도 생물체의 수분을 강하게 밖으로 내보내는 삼투압 작용, 갈변 방지 및 비타민 C의 공기산화를 방지하는 작용도 합니다. 신맛을 부드럽게 해주기도 하고, 0.2% 소금을 사용했을 때는 단맛을 강하게 하는 역할을 하기도 합니다. 소금은 대부분이 염화나트륨으로 이루어져 있어요. 여기에서는 염화나트륨과 설탕을 비교해 보기로 하겠습니다.

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염화나트륨의 화학식은 NaCl입니다. Na+ 이온과 Cl- 이온이 1:1로 결합하고 있는 이온결합물질이에요. 이와는 다르게 설탕은 분자로 이루어져 있으며, 분자식은 C12H22O11입니다.

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분자로 이루어진 설탕의 녹는점은 185℃여서 달고나를 만들기 위해 가열하면 투명하게 녹는 것을 볼 수 있지만 염화나트륨은 그보다 높은 800℃ 정도로 새우구이를 하기 위해 소금을 깔아도 녹지 않는 것을 볼 수 있어요. 이것은 이온결합물질과 공유결합물질의 녹는점의 차이로 볼 수 있습니다.

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설탕은 공유결합물질이고, 소금의 주성분인 염화나트륨은 이온결합물질입니다. 대표적인 화학결합인 이온결합과 공유결합에 대해 좀 더 알아볼까요?

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이온 결합은 원자들이 전자를 잃거나 얻은 후 양이온과 음이온이 정전기적 인력에 의해 형성된 결합을 말하며, 공유결합은 2개 이상의 원자들이 전자쌍을 공유하면서 형성되는 화학결합을 말합니다. 간단하게 그림으로 표현하면 아래와 같습니다.

주기율표에 있는 18족 원소들은 가장 바깥 껍질인 최외각 전자 껍질에 전자들이 모두 채워진 전자배치를 하고 있으며 이로 인해 반응성이 매우 작고 화학적으로 안정하기 때문에 비활성 기체라고 부릅니다. 18족 원소를 제외한 대부분의 다른 원자들은 비활성 기체처럼 최외각 전자 껍질에 8개의 전자를 채워 안정한 전자배치를 가지려고 합니다. 염화나트륨의 경우, 나트륨 원자는 전자 1개를 잃으면 비활성기체인 네온과 전자배치가 같아지고 염소의 경우는 전자 1개를 얻으면 아르곤과 같은 전자배치를 가지게 됩니다.

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나트륨 원자와 염소 원자가 서로 가까이 하게 되면 나트륨 원자의 전자 1개가 염소 원자로 옮겨가 각각 나트륨 이온(Na+)와 염화 이온(Cl-)dl 됩니다. 이때 나트륨이온은 양이온, 염화이온은 음이온이므로 다른 전하를 띠고 있어서 인력에 의해 결합하게 됩니다. 이런 결합을 이온 결합이라 하고 주로 전자를 잃기 쉬운 금속과 전자를 얻기 쉬운 비금속 원소 사이에 잘 형성이 됩니다. 아래 주기율표에서 보면 1,2족 원소와 16,17족 원소 사이에서 주로 형성 되지요.

이온이 되지 않는 물질은 결합을 어떻게 할까요?

다른 원자들과 전자를 공유하면서 비활성 기체와 같은 안정된 전자배치를 이루는 공유결합을 하게 됩니다. 기본적으로 공유결합력이 이온결합력보다 단단한데, 녹는점이나 끓는점은 왜 공유결합물질인 설탕이 이온결합물질인 소금보다 낮을까요?

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녹는점은 고체에서 액체로 상태변화할 때의 온도를 말합니다. 입자들이 얼마나 멀리 떨어지는 가에 대한 문제이지요. 공유결합물질은 분자로 이루어져 있으므로 분자와 분자 사이의 힘이 약해지면 상태변화가 일어납니다. 공유결합력은 분자 사이의 힘이 아니라 분자를 만드는 원자와 원자 사이의 힘이라 녹는점에 영향을 미치는 힘으로 보기가 어렵습니다.

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이온결합물질은 상태변화하려면 이온과 이온사이의 힘을 끊어야 하므로 일반적으로 분자보다 더 큰 에너지가 필요합니다. 공유결합물질 중에서 분자로 이루어져 있지 않고 공유결정(원자결정)으로 이루어진 다이아몬드의 녹는점은 어떨까요? 그렇습니다. 다이아몬드가 상태변화하려면 원자와 원자 사이의 공유결합을 끊어야 하므로 매우 높은 온도가 될거에요.

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설탕과 소금은 물에 잘 녹고, 상온에서 하얀색 고체가루로 만나면서 감미료로 사용되고 있다보니 비슷한 물질처럼 보이지만 결합의 종류가 달라 여러 모로 다른 물질이에요. 이를 결정하는 것이 전자(electron)라고 말할 수 있어요.

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화학은 전자(electron)의 과학이라고 할 수 있어요. 전자가 어떻게 결합하느냐에 따라 서로 다른 경향을 가진 물질들이 만들어집니다. 원자 내에 전자들이 어떻게 배치되는지에 따라 물질의 특성에 규칙성을 가지기도 하고 변화하기도 합니다. 이것을 나타낸 표가 주기율표이고요. 화학하면 주기율표를 떠올릴 수밖에 없는 이유, 이제 이해가 되시지요?

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