물이 얼 때 부피가 늘어나는 이유가 단순 온도 변화 때문이 아니라 어떤 이유 때문인가요? 분자 구조 변화와 관련이 있는 것인가요 중학생 설명 할수 있게 알려주세요

Question

물이 얼 때 부피가 늘어나는 이유가 단순 온도 변화 때문이 아니라 어떤 이유 때문인가요? 분자 구조 변화와 관련이 있는 것인가요 중학생 설명 할수 있게 알려주세요

Answer 1

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

보통의 물질 들은 액체에서 고체로 상태 변화할 때 부피가 감소하지만, 물은 특이한 구조적 성질이 있어 물에서 얼음으로 변하면 부피가 증가하고 밀도가 감소하여 물 위에 얼음이 뜨게 되는 것이지요. 이러한 성질 변화에 대해 중학생 수준으로 자세히 설명해 드리도록 하겠습니다

물이 얼 때 부피가 늘어나는 것은 단순한 온도 변화가 아니라 물 분자의 구조 변화 때문입니다. 액체 상태일 때 물 분자들은 활발하게 움직이며 빈틈없이 밀집되어 있습니다. 하지만 온도가 0°C 이하로 내려가 얼기 시작하면, 분자들은 움직임을 멈추고 서로 단단하게 결합을 하는데, 이것을 수소 결합이라고 합니다. 이때 분자들이 모양이 규칙적인 정육각형 모양을 이루며 굳어지게 됩니다.

이 과정에서 육각형 중심에 커다란 빈 공간이 많이 생기게 되는데, 분자의 개수는 그대로 인데 구조 속에 빈 공간이 늘어나면서 전체적인 부피가 약 10% 정도 커지는 것입니다. 결과적으로 부피는 늘어났지만 무게는 그대로이기 때문에 얼음은 물보다 밀도가 낮아져 물 위에 뜨게 됩니다. 그리고 물을 가득 채운 든 PT병을 냉장고에 넣고 얼리면 원래 모양보다 부풀어 오르는 것을 볼 수 있는 것입니다.