액체 중에 물만 고체 상태에서 부피 팽창하는 이유가 궁금합니다

Question

물을 제외한 액체는 고체 상태로 얼게 되면 부피가 오히려 줄어드는데, 물의 경우 고체 상태에서 액체일 때보다 부피가 증가하는 원리가 궁금합니다.

굉장한호돌이84 · Accepted Answer

안녕하세요. 이상현 과학전문가입니다.물은 다른 분자들과 다르게 수소와 산소로 이루어져있습니다.따라서 물분자들끼리 수소결합이라는 특수한 결합을 할 수 있게됩니다.이 결합은 결정형태로써, 물분자들 결합 사이사이 빈공간을 만들어냅니다.즉, 액체상태로 수소결합이 약하게 되있을 때보다 얼음이 되어 100%수소결합이 이루어질때빈공간이 더 많아지게 됩니다.즉, 단위부피당 무게가 줄어든다고 볼 수 있고, 같은 무게의 물과 얼음의 부피차이는 얼음이 더 많아지게 됩니다.감사합니다.

고마운솔개250 · Answer

안녕하세요. 과학전문가입니다.이는 고체와 액체상태의 분자의 배열 특징과 물분자의 구조를 알면 이해가 됩니다.먼저 고체와 액체를 분자적 관점에서 간단하게 정의를 해보면.. (예외상황도 있겠지만 대체적으로..)고체는 분자가 움직일 수 없는 형태, 액체는 분자가 자유롭게 움직일 수 있는 형태라고 볼 수 있습니다. 그리고 대부분의 단분자들은 고체 상태에서 결정구조를 형성합니다. 특정 모양을 가지고 규칙적으로 배열한다는 것이지요.자 그럼 물분자의 구조를 살펴보겠습니다.왼쪽 그림처럼 휘어져있는 형태를 갖습니다. 그럼 얼음의 구조는 어떤지 볼까요?오른쪽 그림 처럼 굉장히 규칙적으로 배열되어있습니다. 반면 물은 구조가 없이 저렇게 휘어져있는 것들이 마구잡이로 섞여있는 것이지요.오른쪽 그림의 빈공간들이 보이시나요? 우리가 저 블록들을 가지고 뭉친다면 저 얼음구조보다 더 작게 만들수 있겠죠?정리하면, 물이 얼음이 되면서 결정구조를 이루고, 이 결정구조는 빈공간이 존재하는 형태로 되어있기 때문에 온도가 낮아 분자간 거리가 가까운 상태의 물보다 부피가 크게 됩니다.

공손한청설모208 · Answer

안녕하세요. 오현수 의사입니다. 물은 H2O 로 구성되어 있는 분자로 104.5도의 결합각을 가지고 있는 극성 분자이며 분자간 수소결합이 있습니다.

이 수소 결합이 분자간 상호작용을 하며 고체가 될때에는 6각형의 구조를 형성하는데 액체로 무질서하게 있을때보다 6각형 구조를 형성할때 밀도가 작지요.

같은 부피당 더 적은 분자의 갯수가 있다고 봐도 무방하며, 밀도가 작기 때문에 얼음은 물에도 뜰수 있고, 깉은 질량을 기중으로 보았을땐 액체상태의 물보다 얼음이 부피가 크게 되지요. 답변이 도움되었기 바랍니다. 감사합니다.

놀라운느시204 · Answer

안녕하세요. 장용석 과학전문가입니다.

액체였던 물이 고체인 얼음으로 변하면 부피가 9%가량 늘어납니다. 액체 중 이런 특징을 갖고 있는 것은 물이 유일합니다.

물분자 사이에는 수소결합이 존재하기 때문에 여러가지 특성이 나타납니다.

수소결합은 물 분자끼리 서로 결합시키는 힘입니다.

물 분자는 두 개의 수소 원자가 산소 원자의 한쪽 끝에서 튀어나와 있기 때문에 비대칭 형태를 이룹니다. 물 분자의 수소 끝부분은 +전하를 띠고 물분자에서 그 반대쪽인 산소 끝부분은 -전하를 띱니다. 이렇게 생긴 +전하와 -전하가 서로 끌어당기기 때문에, 물 분자끼리 결합하게 됩니다.

얼음에서 물 분자는 4개의 다른 물 분자와 수소결합을 이룹니다. 얼음은 수소결합 때문에 빈 공간이 많은 구조를 갖게되어 부피가 커집니다. 얼음이 녹을 때에는 수소결합의 일부가 끊어져 물 분자가 빈 공간을 채우므로 부피가 줄어들게 됩니다. 따라서 0도 부근에서 물은 얼음보다 밀도가 더 큰 것입니다.

얼음의 경우 수소결합에 의해 연결되어 근접해 있는 분자 수는 4개이지만 수소결합을 하지 않는 일반적인 고체의 결정 구조에서는 주위에 약 10개 정도의 근접 원자가 있습니다. 즉, 얼음 결정의 경우 일반 고체의 결정 구조에 비해서 빈틈이 매우 많은 것입니다.

탈퇴한 사용자 · Answer

안녕하세요. 한만전 과학전문가입니다.물은 산소1개와 수소2개가 서로 붙어 액체상태에서 서로 자유롭게 움직이는 상태로 존재 합니다. 하지만 얼면 즉 고체가되면 이분자들은 서로 붙어 육각형 형태로 존재합니다. 이때 육각형 구조 안쪽은 빈공간이되고 부피가 커지게 됩니다.

위대한거북이239 · Answer

물 분자의 특성입니다.물은 H2O로 수소 2개와 산소 1개로 이루어져 있습니다.그런데 물이 고체가 되면(얼음이 되면) 수소끼리 결합을 하면서 부피가 커지도록(빈 공간이 생기도록)정렬이 되어 부피가 팽창하게 됩니다.