물 분자가 가진 굽은 형의 극성 구조와 수소 결합 특성이 높은 비열과 표면장력 및 얼음이 될 때 부피가 증가하는 독특한 물리학적 성질을 유발하는 근본 원인은 무엇인가요?

Question

물 분자가 가진 굽은 형의 극성 구조와 수소 결합 특성이 높은 비열과 표면장력 및 얼음이 될 때 부피가 증가하는 독특한 물리학적 성질을 유발하는 근본 원인은 무엇인가요?

Answer 1

안녕하세요. 박재화 박사입니다.

물 분자는 산소가 수소보다 전자를 강하게 끌어당기고 분자 모양도 굽어 있어 한쪽은 약한 음전하를 띄고, 다른 쪽은 약한 양전하를 띠게 됩니다.

이 극성 때문에 물 분자끼리 수소 결합이라는 비교적 강한 인력이 생기고, 많은 분자가 서로 연결된 구조를 만들게 됩니다. 물을 데울 때는 이 결합을 흔드는 데도 에너지가 많이 쓰이기 때문에 같은 열을 받아도 온도가 천천히 올라가기 때문에 비열이 높습니다.

물 표면에서는 분자들이 안쪽으로 서로 잡아당기는 힘이 강해지기 때문에 표면적을 줄이려 하기 때문에 높은 표면장력이 나타나고, 또 얼음이 되면 수소 결함이 일정한 간격을 가진 빈 공간의 많은 결정구조를 만들기 떄문에 액체일 때보다 부피가 커지면서 밀도는 낮아지는 독특한 특징을 가지게 되는 것입니다.

물의 높은 비열, 표면장력, 얼음의 팽창은 모두 물 분자의 극성과 그로 인해 형성되는 수소 결합이 근본적인 원인이라고 보시면 되겠습니다.

Answer 2

안녕하세요. 이수민 전문가입니다.

물 분자 하나는 이웃과 수소 결합을 네 개까지 맺을 수 있어요. 전기음성도가 큰 산소가 전자를 끌어당겨 수소 두 개는 양전하를, 산소의 비공유 전자쌍 두 개는 음전하를 띠어요. 분자가 104.5°로 굽어 있어 이 네 곳이 정사면체 방향으로 뻗고, 한 분자가 이웃 넷과 동시에 결합하면서 물 전체가 입체 그물처럼 이어져요. 구조가 비슷한 황화수소는 −60℃에서 끓지만 물은 100℃까지 버텨요.

비열이 4.18 J/g·℃로 큰 것도 이 그물에서 나와요. 열을 가하면 에너지의 상당 부분이 분자를 빠르게 움직이는 대신 수소 결합을 늘이고 끊는 데 쓰여서 온도가 잘 오르지 않아요. 표면장력도 표면 분자들이 수소 결합으로 안쪽에 강하게 붙들려 커져요.

얼음이 부피가 커지는 것도 그물이 완성되며 생기는 빈 공간 탓이에요. 액체에서는 수소 결합이 끊어졌다 이어지기를 반복해 분자들이 틈새로 비집고 들어가요. 얼어붙으면 모든 분자가 정사면체 방향으로 결합 넷을 모두 채워 육각형 고리 구조로 고정되는데, 이 배열은 속이 비어 있어요. 그래서 얼음은 밀도가 0.917 g/cm³로 같은 질량의 물보다 부피가 9%쯤 커요 :)

Answer 3

안녕하세요. 김재훈 전문가입니다.

물 분자의 굽은 형 극성 구조와 수소 결합을 유발하는 근본 원인은 산소와 수소 원자 간의 큰 전기음성도 차이와 104.5도의 비대칭적 기하학적 구조에서 기인합니다. 이로 인해 산소 쪽은 부분 음전하 수소 쪽은 부분 양전하를 띠는 강력한 쌍극자가 형성되어 분자 간 정전기적 인력인 수소 결합이 극대화됩니다 높은 비열과 표면장력은 이 수소 결합 네트워크를 끊거나 분자들을 끌어당기는 데 막대한 열에너지와 응집력이 필요하기 때문에 나타납니다 반대로 얼음이 될 때는 방향성을 가진 수소 결합이 분자들을 고정하면서 빈 공간이 많은 육각형 개방형 결정 구조를 형성합니다. 결과적으로 액체 상태일 때보다 분자 간 평균 거리가 멀어지기 때문에 밀도가 감소하고 부피가 증가하는 독특한 물리적 성질을 가지게 됩니다