물은 왜 얼리면 부피가 팽창하는 건가요?

Question

물은 원래 액체 상태잖아요.

액체 상태의 물을 얼리면 고체가 되면서 얼음이 됩니다.

근데 고체인 얼음이 되면서 부피가 커진다고 하는데 이게 어떤 원리로 부피가 커지는 건가요?

Answer 1

안녕하세요.

물의 부피에 대한 질문을 종종 답변했던 기억이 있습니다. 그만큼 일상에서 접할 수 있는 물리분야의 궁금증을 유발하는 사례라고 생각됩니다. 다시 답변으로 돌아가겠습니다.
물이 얼면 부피가 팽창하는 현상은 물의 분자 구조와 그 구조 변화에 기인합니다. 이 과정에서 중요한 역할을 하는 것은 물 분자의 독특한 화학적 특성입니다. 물 분자는 한 개의 산소 원자와 두 개의 수소 원자로 이루어져 있으며, 이 구성으로 인해 V자 형태를 갖게 됩니다. 이 때 산소 원자는 부분적으로 음전하를, 수소 원자는 부분적으로 양전하를 띄게 됩니다. 이런 전하의 분포로 인해 물 분자 간에는 수소 결합이 형성됩니다. 액체 상태에서는 이 수소 결합들이 끊임없이 형성되었다가 깨지기를 반복합니다.
그러나 온도가 낮아져 물이 얼음으로 변할 때, 이 수소 결합들이 보다 안정적이고 규칙적인 결정 구조를 형성하게 됩니다. 특히 얼음에서는 물 분자들이 정사각형 격자 모양으로 배열되는데, 이 배열은 액체 상태의 물에서 분자들이 느슨하게 모여 있는 것보다 공간을 더 많이 차지합니다. 이로 인해 같은 무게의 물이 고체 상태가 될 때 부피가 늘어나게 되고, 이 때문에 얼음이 물보다 부피가 커지는 것입니다.

Answer 2

안녕하세요. 김재현 전문가입니다.

물이 얼면 마구잡이로 있던 분자들의 배열이 일정한 배열로 정렬 하기 때문입니다. 그래서 얼음이 되면 사이사이 빈공간이 생기기도 하죠. 그래서 얼음 상태가 되면 부피가 커집니다