안녕하세요. 김형준 과학전문가입니다.
물이 얼을 때 부피가 커지는 것은 이상적인 물의 특성 중 하나로 알려져 있습니다. 이러한 현상은 물의 분자 구조와 수소 결합에 기인합니다.
물의 분자는 두 개의 수소 원자와 하나의 산소 원자로 이루어져 있으며, 이 분자는 특수한 구조를 가지고 있습니다. 물 분자는 수소 원자와 산소 원자 간에 강한 고리 모양의 수소 결합을 형성합니다. 이러한 수소 결합은 물 분자들 간의 인접한 상호 작용을 의미하며, 물 분자들을 더 가깝게 결합시킵니다.
물이 액체 상태에서 얼을 때, 수소 결합은 더 강하게 형성되고 물 분자들이 더 가까이 뭉치게 됩니다. 이로 인해 물 분자들 사이의 간격이 줄어들고, 결국 고체 상태인 얼음이 형성됩니다. 이 과정에서 각 물 분자의 위치가 정확하게 배열되고, 더 작은 간격으로 패킹되므로 부피가 감소합니다.
그러나 이것은 물이 4°C에서 0°C로 냉각될 때 발생하는 현상입니다. 물이 4°C로 냉각되면 얼음이 형성되기 전에 물 분자들이 일시적으로 더 가까이 모이게 됩니다. 이때 부피가 약간 감소합니다. 그러나 물이 0°C 미만으로 냉각되면 얼음이 형성되면서 다시 부피가 커지게 됩니다.
따라서 얼음을 만들 때 물이 부피를 확장하는 것은 어느 정도 예상 가능한 현상입니다. 그래서 패트병과 같은 용기에 물을 넣어 얼릴 때 부피가 증가하고, 용기가 심하게 변형하는 것을 관찰할 수 있습니다.
