액체를 얼렸을 때 부피가 작아지는 물질도 있나요?

Question

물 같은 경우에는 얼리게 되면 부피가 커지는 현상을 나타나는데 얼리면 부피가 작아지는 물질도 있는지 궁금합니다. 만약 있다면 어떤 원리로 그렇게 되는건가요?

Answer 1

안녕하세요. 박준혁 과학전문가입니다.

액체가 고체가 되는 현상은 흔히 구성 입자간의 거리가 가까워지면서 흐르는 유체에서 형체가 고정된 고체로 굳는 현상으로 보입니다.

이는 해당 물질을 이루고 있는 입자들의 열 에너지가 감소하면서 병진운동이 감소하고, 상대적으로 입자의 이동보다 입자의 결속이 강해져서 이루어지는 상태입니다.

다만, 입자의 상호작용이 어떻게 이루어지고 있냐에 따라 거시적인 성질의 차이가 발생하게 됩니다.

물은 그 입자가 H2O 분자로 이루어져 있으며, H-O-H 로 연결되어 있지만 직선형태로 놓인 것이 아니라 굽어있습니다.

또한 그 분자가 서로 미치는 힘의 상당한 비중이 H와 O가 얼마나 전자를 점유하는지에 따른 상대적인 전기적 성질차이에 의한

전기적 힘(수소결합)입니다.

O가 더 많은 전자를 점유하고 있으며, 또한 원자번호 8번인 O는 2쌍의 잉여 전자쌍을 갖고 있습니다.

결과적으로 상대적으로 +인 H가 O의 잉여전자쌍 (-)과 분자간 상호작용(수소결합)을 이루게 됩니다.

따라서, 분자간 상호작용은 물 분자의 결합 방향대로 특정한 방향을 지향하게 될텐데 한 입자 내의 두 H-O결합이 나란하지 않습니다.

그러므로 결합 방향대로 맞춰서 분자가 위치할 경우에 오히려 상대적으로 무질서하게 놓이는 것보다 더 빈 공간이 늘어납니다.

온도가 내려가 분자운동이 느려진 물분자에서 결합이 강해져 고체가 될 때, 특정한 방향대로 맞춰서 상호작용이 강해지는 것이 더 안정한 상태를 이루게 되고 결과적으로 얼음이 물보다 더 부피가 커집니다.

하지만, 수소결합과 같이, 특정한 간격을 두게끔 배열을 강제하는 요인이 없는 액체의 경우 일반적으로 고체가 되면서 부피가 작아집니다.

입자들이 충분히 움직여 물질이 흐를 수 있을 만큼의 거리를 두는 상태보다는

각 입자들이 충분히 못 움직일만큼 가까워지면 더 안정한 상태에 놓일 수 있기 때문입니다.

Answer 2

안녕하세요. 김경태 과학전문가입니다.

네, 일부 물질은 액체 상태에서 고체로 얼릴 때 부피가 작아지는 현상을 보일 수 있습니다. 이러한 물질을 "비정형 수체"라고 합니다.

가장 일반적인 예는 물입니다. 물은 액체 상태에서 고체로 얼리게 되면 부피가 약간 작아집니다. 이는 물이 얼을 때 결정 구조가 형성되고, 결정 구조가 액체 구조보다 더 밀집하기 때문입니다.

또 다른 예로는 실리콘, 강철, 철, 금, 은 등의 일부 금속도 얼을 때 부피가 약간 작아질 수 있습니다. 이는 금속의 결정 구조와 분자 간 상호작용에 의해 발생합니다.

Answer 3

안녕하세요. 류경범 과학전문가입니다.

네, 액체를 얼렸을 때 부피가 작아지는 물질이 있습니다.

대부분의 물질은 고체 상태일 때 분자들이 더 밀집되어 있어 액체 상태보다 부피가 작아집니다. 물이 좀 많이 특이한 경우입니다.

Answer 4

안녕하세요. 이동호 과학전문가입니다.

온도가 낮아지게되면 분자의 활동이 줄어들게됩니다.

따라서 기체보다는 액체가 부피가 작고,

액체보다는 고체가 부피가 작은 것입니다.

즉, 언다는 것은 분자의 활동량이 줄어들어 서로 모여 붙어있는 것이죠.

하지만 물의 경우 특별하게 물분자가 6각구조로 얼게되어 액체보다 고체가 부피가 커지게 됩니다.

기름, 에탄올, 알코올 과 같은 액체류는

얼게되면 부피가 작아집니다.

Answer 5

안녕하세요. 이충흔 과학전문가입니다.

물을 제외한 대부분의 물질들은 액체에서 고체로 변할때 부피가 감소합니다. 그 이유는 액체에서 고체가 되면 분자운동이 느려지기 때문입니다.

Answer 6

안녕하세요. 김재훈 과학전문가입니다.

얼리면 부피가 작아지는 물질은 대부분 결정 구조가 불규칙한 물질입니다. 이러한 물질은 얼리면 물 분자 사이의 거리가 좁아지고, 부피가 작아지게 됩니다. 대표적인 예로는 납, 카드뮴, 비스무트 등이 있습니다.