수소 결합에 따른 결정 구조 변화와 밀도 차이를 설명해 주세요.

Question

물은 얼면 부피가 증가해 밀도가 낮아지므로 얼음이 물 위에 뜨게 되는 데요. 수소 결합에 따른 결정 구조 변화와 밀도 차이를 설명해 주세요.

Answer 1

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

물 분자는 산소 원자가 약간의 음전하, 수소 원자가 약간의 양전하를 띠는 극성 분자로, 인접한 분자들과 수소 결합을 형성합니다. 액체 상태에서는 물 분자들의 열운동이 활발하여 수소 결합이 끊어지고 연속적으로 재배치됩니다. 이로 인해 액체 상태의 물에서는 분자들이 빈 공간 사이로 밀집되게 위치할 수 있어 높은 밀도를 유지합니다.

하지만 온도가 0 ℃ 이하로 내려가면 분자의 운동이 둔해지면서 각 물 분자가 주변의 다른 물 분자 4개와 안정적인 정사면체 구조로 수소 결합을 고정하게 됩니다. 이 결합들이 3차원적으로 확장되면 내부에 많은 빈 공간을 포함하는 규칙적인 육각형 결정 구조가 완성됩니다.

결과적으로 분자 간 배열이 펼쳐지면서 물이 얼 때 부피가 약 9% 증가합니다. 질량은 일정하지만 부피가 늘어남에 따라 얼음의 밀도는 액체 물보다 낮아지게 되며, 이 밀도 차이로 인해 얼음이 물 위에 뜨게 됩니다. 이러한 수소 결합 고유의 특성 덕분에 추운 겨울에도 수면 아래의 물이 얼지 않고 수생 생물이 생존할 수 있는 환경이 조성됩니다.

Answer 2

안녕하세요. 김찬우 전문가입니다.

액체 상태의 물이 얼때 수소 결합이 정육강형 모양의 빈 공간이 많은 육각기둥 결정 구조를 형성하기 때문입니다. 일반적인 물질은 액체에서 고체로 변할 때 입자들이 촘촘하게 배열되면서 부피가 줄어들고 밀도가 높아 집니다.

하지만 물 분자는 얼면서 수소 결합의 방향성 때문에 중간에 거대한 빈 공간을 둔 채 얼어 붙어 고체가 되면 부피가 오히려 9% 증가하고 밀도는 낮아져 물위에 뜨게 됩니다.

물 분자는 온도가 내려가 온도가 0 도에 이르면 모든 물 분자가 쵣재 4개의 주변 분자와 단단한 수소 결합을 이루며 빈 공간의 큰 육각형 구조를 만듭니다. 정육각형 모양의 빈 공간 때문에 얼음의 전체 부피는 물보다 약 9% 늘어나며, 부피가 커진 만큼 얼음의 밀도는 물의 밀도보다 낮아지는 것 이빈다.

그럼 답변 읽어주셔서 감사드립니다:)