물이 표면부터 얼기 시작하는 이유는?

Question

물이 얼 때 표면부터 얼기 시작하고 내부 온도는 4도로 유지되기 때문에 수상 생물이 겨울철에 생존할 수 있다고 하던데, 왜 표면부터 어는지 궁금합니다.

김경태 전문가 · Accepted Answer

안녕하세요. 김경태 과학전문가입니다.물이 표면부터 얼기 시작하는 이유는 물의 특수한 분자 구조와 수소 결합의 특성 때문입니다. 물 분자는 양성 수소 원자와 음성 산소 원자로 구성되어 있습니다.물 분자는 다른 물 분자와 수소 결합을 형성할 수 있습니다. 수소 결합은 수소 원자의 양성 전하와 산소 원자의 음성 전하 간의 인력으로 이루어져 있습니다. 이 수소 결합은 분자 간에 상대적으로 약한 결합이지만, 수많은 물 분자 간에 많이 형성되는 특징이 있습니다.얼음은 물 분자가 고체 상태로 정렬되어 있는 형태입니다. 얼음이 형성되기 위해서는 물 분자가 서로 정렬되어 결합해야 합니다. 이때, 수소 결합의 특성 때문에 물 분자는 얼음이 형성되기 전에도 서로 결합하려는 성향을 가지게 됩니다.물 분자가 액체 상태에서 고체 상태로 변할 때, 수소 결합은 물 분자 간의 정렬을 돕습니다. 따라서, 물이 얼기 시작할 때, 먼저 분자들이 표면 부근에서 서로 결합하며 얼음의 구조를 형성합니다. 이러한 결합이 표면에서 일어나는 이유는 액체 물의 표면이 공기와 접촉되기 때문입니다. 따라서, 물이 표면부터 얼기 시작하는 것을 관찰할 수 있습니다.

똑똑한저어새12 · Answer

안녕하세요. 김재훈 과학전문가입니다.물이 얼 때 표면부터 얼기 시작하는 이유는 물의 열전도율이 낮기 때문입니다. 열전도율은 물질이 열을 전달하는 능력을 나타내는 수치로, 물의 열전도율은 다른 물질에 비해 매우 낮습니다. 따라서, 물이 얼 때는 표면의 물만 얼고, 내부의 물은 4도 이하로 내려가지 않습니다

고혹적인가마우지34 · Answer

물이 표면부터 얼기 시작하는 이유는 물의 분자 구조와 상태 변화에 기인합니다.물의 분자는 양극성을 가지고 있습니다. 이는 물 분자가 양성 수소 원자와 음성 산소 원자로 이루어져 있기 때문입니다. 이 양극성으로 인해 물 분자들은 서로 강한 수소 결합을 형성하려고 합니다.물이 액체 상태에서 얼음으로 변화할 때는 온도가 낮아지면서 분자들의 열적 에너지가 감소합니다. 이로 인해 물 분자들은 서로 더 강하게 결합하려고 하고, 물 분자들 간의 수소 결합이 더 안정적으로 형성됩니다.얼음의 결정 구조는 각 물 분자가 정확히 4개의 주변 물 분자들과 수소 결합을 형성하면서 형성됩니다. 이때 물 분자들이 얼음으로 배열될 때 각 분자들은 특정한 고정된 위치에 머무르게 됩니다. 이로 인해 얼음은 액체 물과 달리 빽빽하게 정렬된 구조를 가지고 있습니다.그러나 얼음의 표면은 다른 분자들과 인접하지 않기 때문에 외부에 방향성이 존재합니다. 이러한 외부 방향성으로 인해 표면에 위치한 물 분자들은 주변에 다른 물 분자들과의 수소 결합을 형성할 수 없습니다. 이로 인해 표면 분자들은 액체 상태에서보다 더 많은 에너지를 가지고 있고, 이 부분이 물이 얼기 시작하는 초기 구조가 됩니다.따라서 물이 얼기 시작할 때, 얼음이 형성되는 첫 단계는 물 표면 부분에서 발생합니다. 이후에는 얼음의 성장이 지속되며, 온도가 계속해서 낮아지면 더 많은 물 분자들이 얼음으로 결합하게 됩니다.

생물·생명

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물이 표면부터 얼기 시작하는 이유는?