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.
