대부분의 고체는 압력을 가하면 끓는점과 녹는점이 올라가지만, 얼음은 강한 압력을 가하면 오히려 물로 녹아버리는 이유는?

Question

대부분의 고체는 압력을 가하면 끓는점과 녹는점이 올라가지만, 얼음은 강한 압력을 가하면 오히려 물로 녹아버려 스케이트 날이 미끄러질 수 있습니다. 왜 이런 현상이 나타나는지 궁금합니다.

Answer 1

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

얼음이 압력을 받을 때 물로 녹는 현상은 물이 가진 자연계에서 매우 드물고 독특한 물리화학적 특성 때문입니다. 대부분의 물질은 고체가 액체보다 더 무겁고 빽빽하지만, 물은 정반대입니다. 그 원리를 분자 구조와 열역학적 관점에서 설명해 드릴게요.

일반적인 고체는 액체보다 고체의 부피가 더 작으므로, 압력을 가하면 고체 상태를 더 강력하게 유지하려 합니다. 하지만 얼음은 액체인 물보다 부피가 더 큽니다. 따라서 얼음에 강한 압력을 꾹 누르면, 얼음은 스스로 부피를 줄이기 위해 내부의 육각형 구조를 무너뜨려 부피가 더 작은 물로 변해버립니다. 즉, 압력이 가해지면 0°C보다 낮은 온도에서도 얼음이 녹게 됩니다.

스케이트 날은 매우 얇기 때문에 체중이 실리면 얼음 표면에 엄청난 압력이 가해집니다. 이 압력으로 인해 날 바로 밑부분의 얼음이 순식간에 물로 녹아 수막을 형성하고, 덕분에 얼음 위를 부드럽게 미끄러질 수 있습니다.

Answer 2

안녕하세요. 김찬우 전문가입니다.

대부분의 고체는 압력을 가하면 녹는점이 올라가게 되지만 얼음의 경우는 반대로 녹는점이 내려가서 물이 됩니다.

이러한 이유는 물이 가진 수소결합때문에 물이 얼면 부피가 커지기 때문입니다.

일반적인 물질은 고체 상태가 되면 분자들간의 거리가 좁아져 부피가 줄어들고 밀도가 높아지게 됩니다. 그래서 압력을 가하면 분자들사이 간격이 더욱 좁아져 이를 녹여 액체로 만들고자하면 더욱 많은 에너지가 필요하기 때문에 녹는점은 올라가게 됩니다.

반대로 물은 내부에 물분자의 수소결합이 존재하는데 온도가 낮아져 얼음이 될 경우 이 수소결합이 육각형 구조를 이루게 되어 안정을 찾게 됩니다. 이 육각형 구조내 빈공간이 많이 생기게 됩니다. 고체가 안정될때의 상태가 액체 상태의 물분자간의 거리보다 멀어지게 되어 고체인 얼음이 액체인 물보다 부피가 크게 됩니다.

그래서 이러한 얼음에 압력을 가하면 부피를 줄이는 방향으로 작용하면서 빈공간이 깨어지게 되는데 강제로 액체 상태의 물이 만들어지게 됩니다. 그래서 여하의 온도임에도 얼음이 녹는 녹는점 하락 현상이 발생하는 것 입니다.

그럼 답변 읽어주셔서 감사드립니다:)