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'음펨바 효과' 가 무엇인지 쉽게 설명 부탁드립니다

안녕하세요. 설효훈 과학전문가입니다. 음펨바 현상을 설명하는 몇 가지 주장이 등장했다. 2013년 싱가포르 난양 공과대학의 순장칭 교수와 장시 박사팀이 음펨바 현상이 수소결합과 공유결합의 상관관계에서 발생한다는 논문을 발표했다. 해당 논문은 당시 과학자들 사이에서 기존의 물리 화학적 이론에 가장 부합하는 설명이라는 평가를 받았다.순장칭 교수와 장시 박사팀의 이론을 이해하려면 우선 두 가지 결합에 대해 알아야 한다. 먼저 물 분자는 수소 원자 두 개와 산소 원자 한 개로 이루어져 있고 이들은 서로 ‘공유결합’으로 연결되어 있다. 여기서 ‘공유결합’이란, 화학 결합 중 전자를 원자들이 공유하였을 때 생성되는 결합을 말한다. 즉, 물 분자는 내부에 공유결합을 가지고 있다. 그리고 물이나 얼음처럼 물 분자가 여럿 모여 있는 경우에는 분자와 분자 사이를 잇는 결합이 있는데 이를 ‘수소결합’이라고 한다.분자를 서로 연결하는 결합에는 여러 종류가 있다. 그중 수소결합은 힘이 강한 편에 속하지만, 수소결합이 아무리 강하더라도 물 분자를 이루는 공유결합보다는 아무래도 약하다. 정리해보면 물 분자 내부는 수소와 산소가 공유결합으로 묶여 있고, 물 분자들 끼리는 수소결합으로 묶여 있다.온도가 높은 물은 에너지를 많이 가지고 있고 온도가 낮은 물은 에너지를 적게 가지고 있다. 에너지가 적은 낮은 온도의 물 분자는 진동을 적게 하니 분자와 분자 사이의 거리가 짧다. 그래서 분자를 서로 묶어 두는 수소결합의 힘이 더 강해지는데 이 수소결합이 물 분자의 수소나 산소를 끌어당기는 힘이 세다 보니 분자 내의 산소와 수소 사이가 조금 멀어진다. 이렇게 공유결합의 길이가 길어지면 이를 유지하기 위해 에너지가 더 필요하다.반대로 높은 온도의 물 분자는 진동을 많이 하므로 분자 사이의 거리가 멀기 때문에 수소결합도 상대적으로 약하고 분자 내부의 원자를 끌어당기는 힘이 약하니 분자 내부의 공유결합은 낮은 온도의 물보다 더 짧은 길이로 유지될 수 있고 에너지가 적게 들어간다. 따라서 물 분자는 에너지를 내놓는다.즉 물 분자는 가열하면 공유결합 길이를 줄이면서 에너지를 내놓게 되는 것이다. 따라서 높은 온도의 물과 낮은 온도의 물을 같은 조건에서 동시에 냉각시키면 높은 온도의 물이 낮은 온도의 물보다 더 빠르게 에너지를 방출한다. 싱가포르 연구팀이 실제로 물의 초기 온도를 달리해서 냉각 시 에너지 방출량을 측정한 결과가 바로 이렇게 나타난 것이다. 순장칭 교수는 “물이 에너지를 방출하는 속도는 물이 가진 초기 에너지 상태, 즉 온도에 따라 달라진다.”고 설명했다. 이것으로 높은 온도의 물이 낮은 온도의 물보다 더 빨리 어는 문제가 해결되는 듯했지만, 또 다른 주장이 제기되었다.이런 진행 중인 논쟁을 지켜보는 것 또한 과학의 즐거움 중 하나라 하겠지만 일단 음펨바 효과에 대한 적절한 설명은 조금 더 시간이 걸릴 듯하다. 출처 : 삼성디스플레이 뉴스룸 - 우리의 상식을 깨는 현상이 있다? 물 분자가 만들어 내는 신비한 힘, ‘음펨바 효과’

학문 / 화학

24.02.17

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