학문
녹아버린눈사람
물은 얼면 왜 부피가 늘어나는건가요?
고1 학생입니다. 중학생때 과학시간에 배웠던 내용으로는 액체가 고체로 상태 변화를 하면 부피가 줄어든다고 배웠습니다. 하지만 물은 액체이고 얼음은 고체인데 물은 왜 얼면 부피가 늘어나는건가요?
4개의 답변이 있어요!
안녕하세요. 김찬우 전문가입니다.
맞습니다.
물을 제외한 액체들은 고체가 되면 분자간의 거리가 액체일때보다 가까워서 부피가 줄고 밀도가 올라가는 것이 일반적 입니다.
하지만 물의 경우는 예외적인 경우 입니다.
이것을 고등학교 수준에서 이해하기 위해서는 물분자의 구조와 수소결합에 대해 아셔야 합니다.
물은 H2O 의 구조식을 갖고 있는건 알고 있을것 입니다.
하지만 산소 1개에 수소 2개가 붙어있는데 이것이 수평하게 연결된 것이 아니라 104.5 도로 굽어있는 채로 결합되어 있습니다.
산소는 가장 바깥에 6개의 전자를 가지고 있고 이중 2개는 수소는 2개와 결합하고 나머지는 결합하지 못하고 비공유 상태로 남게 되는데 이것이 서로 밀어내면서 각도가 휘어지는 것 입니다.
휘어진 만큼 산소쪽으로는 전자를 끌어당겨서 음전하를 띄고 수소쪽은 양전하를 갖게 됩니다.
이러한 극성들이 워낙 강하다보니 물분자들 간에도 서로 결합을 하는데 이것이 워낙 강해 수소결합이라고 부를 정도 입니다
액체상태의 물에서 고체가 될때 물분자간의 거리가 가까워지는데, 다른 물질과 다르게 물분자가 일정거리가 되면 서로 육각형 구조를 갖게 되어 안정적인 형태를 갖게 됩니다. 그래서 더이상 가까워지지 못하고 고정이 되게 되는데 이 때문에 육각형 사이에 빈 공간을 만들어지게 되면서 부피가 10% 정도 늘어나서 밀도가 오히려 낮아지게 되는것 입니다.
그럼 답변 읽어주셔서 감사드립니다:)
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채택된 답변안녕하세요. 대부분의 물질은 액체에서 고체로 변할 때 입자들이 더욱 촘촘하게 배열되기 때문에 부피가 줄어들지만 물은 예외적인 경우로 얼면서 오히려 부피가 약 9% 정도 늘어납니다. 물 분자는 산소 원자 하나와 수소 원자 두 개로 이루어져 있으며, 물 분자끼리는 수소 결합이라는 비교적 강한 인력으로 서로 끌어당깁니다. 액체 상태에서는 물 분자들이 계속 움직이기 때문에 수소 결합이 생겼다가 끊어지기를 반복하며 비교적 자유롭게 배열되며, 이 때문에 분자들이 서로 가까이 모일 수 있어 밀도가 높습니다.
하지만 물이 0℃ 이하에서 얼기 시작하면 분자들의 움직임이 크게 줄어들면서 수소 결합이 안정적으로 유지됩니다. 그러면 물 분자들은 서로 가장 안정적인 육각형 모양의 규칙적인 구조를 만들게 되는데요, 이 구조는 분자들이 일정한 간격을 유지해야 하기 때문에 내부에 빈 공간이 많이 생깁니다. 즉, 분자 자체가 커지는 것이 아니라 분자 사이의 평균 거리가 멀어져 전체 부피가 증가하는 것이라고 보시면 됩니다. 따라서 같은 양의 물이라도 얼음이 되면 더 많은 공간을 차지하게 되며, 반대로 밀도는 낮아지기 때문에 얼음은 물에 뜨게 됩니다. 만약 물도 다른 물질처럼 얼면서 부피가 줄어들었다고 가정한다면 얼음은 물속으로 가라앉았을 것이고, 겨울마다 호수와 강이 바닥부터 얼어 생태계가 크게 달라졌을 것입니다. 반면에 얼음이 물 위에 떠서 단열층 역할을 해 주기 때문에 물속 생물들은 추운 겨울에도 살아남을 수 있는 것입니다. 감사합니다.
안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.
일반적인 물질은 액체에서 고체로 상태가 변할 때 분자들이 촘촘하게 밀집하면서 부피가 줄어들지만, 물은 수소 결합이라는 특이한 분자 간 인력 때문에 정반대의 현상이 나타납니다.
액체 상태의 물 분자들은 열에너지에 의해 활발하게 움직이며 서로 불규칙하게 엉켜 있습니다. 이 상태에서는 분자들 사이의 틈새가 좁아 비교적 촘촘하게 공간을 채우고 있습니다. 그러나 온도가 영하로 내려가 물이 얼기 시작하면 분자들의 운동 에너지가 급격히 둔해집니다. 이때 물 분자를 구성하는 산소와 수소 사이에 작용하는 수소 결합이 강해지면서 분자들이 일정한 거리를 두고 고정됩니다.
이 과정에서 물 분자들은 가장 안정적인 각도를 유지하기 위해 서로 정사면체 방향으로 결합하며 규칙적인 육각형 결정 구조를 형성합니다. 결합 구조가 육각형 모양으로 고정되면 그 배열의 중심부에 아무것도 채워지지 않는 공간이 생기게 됩니다.
즉, 액체일 때는 무질서하게 섞여 있어 공간 효율이 높았던 분자들이 고체인 얼음이 되면서 가운데가 텅 빈 방 모양으로 줄을 서게 되는 것입니다. 분자의 전체 개수와 무게는 변함이 없지만 구조 내부에 커다란 빈 공간들이 대량으로 포함되다 보니 전체적인 부피는 오히려 약 구 퍼센트 정도 늘어나게 됩니다. 이처럼 부피가 팽창하면서 밀도는 반대로 낮아지기 때문에 겨울철에 얼음이 물 위로 떠오르는 현상도 함께 나타나게 됩니다..