얼음이 물보다 밀도가 작은 이유를 화학 결합의 측면에서 설명하면 무엇인가요?

Question

안녕하세요. 대부분의 물질과는 달리 물은 예외적으로 얼음일 때 더 밀도가 작아지는 것이 특징인데요, 얼음이 물보다 밀도가 작은 이유를 화학 결합의 측면에서 설명하면 무엇인가요?

Answer 1

안녕하세요. 네, 말씀해주신 것과 같이 물은 일반적인 물질과 달리 고체 상태인 얼음일 때 밀도가 더 낮아 물 위에 뜨는 독특한 성질을 보이는데요, 이 현상은 바로 분자 간의 힘인 수소 결합이라고 보시면 되겠습니다.

물 분자는 극성을 띠고 있으며, 산소가 부분적으로 음전하를, 수소가 부분적으로 양전하를 가져 서로 강하게 끌어당기는데요, 이때 물 분자 사이에는 수소 결합이 형성되는데, 얼음이 형성될 때는 이 수소 결합이 가장 안정한 배치를 취하면서 규칙적인 격자 구조를 만듭니다. 이 격자 구조는 각 물 분자가 사면체 모양으로 네 개의 이웃과 수소 결합을 이루도록 배치된 형태인데요, 그런데 이 구조는 분자들이 서로 일정한 간격을 두고 배열되도록 강제하기 때문에 빈 공간이 많이 생기게 되며, 그 결과 얼음은 분자 배열이 덜 빽빽하여 부피가 커지고, 따라서 밀도는 액체 물보다 작아집니다.

반대로 액체 상태의 물에서는 수소 결합이 끊어졌다 다시 형성되는 과정을 반복하면서, 분자들이 보다 가까이 접근할 수 있는데요, 이 때문에 물은 같은 질량일 때 얼음보다 부피가 작고, 결과적으로 밀도가 더 큰 상태가 되는 것입니다. 감사합니다.