안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.
물이 얼면서 부피가 증가하는 이유는 물 분자들이 수소 결합을 통해 빈 공간이 많은 육각형 결정 구조를 형성하기 때문입니다. 일반적인 물질은 액체에서 고체로 상태 변화 할 때 입자 간격이 좁아지며 부피가 줄어들지만, 물은 고체로 상태 변화 될 때 부피가 약 9% 증가하는 독특한 성질을 가집니다. 이와 관련하여 설명해 드릴게요.
액체 상태인 물은 분자들이 열에너지로 인해 활발히 움직이며, 수소 결합이 끊어지고 맺어짐을 반복하면서 분자들이 서로 빽빽하게 붙어 있어 빈틈이 적습니다. 반면, 고체 상태인 얼음은 온도가 내려가면 분자 운동이 느려지면서 수소 결합이 안정적으로 고정되어 물 분자들이 서로 일정 거리를 두고 육각형 모양의 3차원 입체 구조를 만들어 내부에 빈 공간이 크게 생깁니다.
따라서 이런 결정 구조 때문에 내부 빈 공간이 늘어나면 부피는 증가하고 밀도는 감소하게 됩니다. 페트병 안의 물이 얼면서 늘어난 부피가 용기 안쪽 벽을 강하게 밀어내기 때문에 페트병이 빵빵하게 부풀어 오르거나 모양이 변형됩니다.