다른 액체는 얼었을때 수축하는데 물은 팽창하는 이유가 무엇인가요?

Question

다른 액체의 경우에는 얼렸을 때 부피가 수축하는 반면에, 물은 얼렸을 때 부피가 오히려 팽창하던데 그 원리가 무엇인지 궁금합니다.

Answer 1

안녕하세요. 김경태 과학전문가입니다.

물이 얼어서 고체가 되면, 분자들이 서로 묶여서 결정 구조를 형성합니다. 이 결정 구조는 액체 상태보다 더 큰 공간을 차지하기 때문에, 물이 얼어서 고체가 되면 부피가 더 커집니다. 이것이 물이 얼어서 팽창하는 이유입니다.

물 분자는 얼어서 고체가 되기 전에, 일정한 간격으로 서로 수소 결합을 합니다. 이것은 분자 사이의 크고 강한 결합을 형성합니다. 이러한 수소 결합은 물 분자가 얼어서 고체가 되면서 결정 구조를 형성할 때 물 분자 사이의 간격을 더 넓히게 됩니다. 이 결과, 얼어서 고체가 된 물의 부피는 액체 상태일 때보다 더 크게 됩니다.

이러한 물의 특성은 생명체나 지구 생태계에 중요한 역할을 합니다. 얼어서 팽창하는 물은 얼음층이 생성되면서 바닷물이 상대적으로 따뜻한 해수로 채워지는 현상을 만들어냅니다. 이는 바닷물에서 살아가는 동식물의 생존에 중요한 역할을 합니다. 또한, 얼어서 팽창하는 물은 지구 내부의 물체에 대한 힘이나 압력을 완화시켜 지구 표면을 보호하는데도 도움을 줍니다.

Answer 2

안녕하세요. 주영민 과학전문가입니다.

물분자는 다른 분자들과 다르게 더욱 입체적인 형태를 띄고있습니다.

입체적 형태로인해 극서을 띄게 되고

분자가 서로 가까이 모이면 특정한 형태를 이루며 공간을 만들게 됩니다.

그래서 물은 얼었을때 부피가 작아지지 않고 오히려 커지니다.

사람으로 치면 단순히 다닥다닥 모이는게 아니라 손을 잡고 일정한 간격을 유지해야되서

오히려 부피가 커집니다

Answer 3

안녕하세요. 김학영 과학전문가입니다. 물이 얼어서 고체가 되면서 부피가 팽창하는 이유는 물의 분자 구조에 있습니다. 물 분자는 극성 분자이며, 수소 원자와 산소 원자 사이에 전하의 분배가 불균형합니다. 이에 따라 물 분자는 다른 분자와 수소결합을 형성하며, 이 수소결합이 물의 고체 구조에 영향을 미칩니다.

물이 얼어서 고체가 되면 수소결합이 강화되어 물 분자들이 규칙적인 구조로 배열됩니다. 이 구조는 물 분자들 간에 일종의 "열린 구조"를 만들어내는데, 즉 물 분자 간의 거리가 더 멀어지면서 부피가 팽창하는 것입니다. 이것은 얼음의 밀도가 액체 물의 밀도보다 낮아지는 원인이 되며, 이는 얼음이 물 위에 뜨게 되는 이유가 됩니다.

따라서, 물 분자의 극성과 수소결합이 물의 얼음 형성과 밀도 감소에 영향을 미치는 것입니다. 이러한 특성은 지구 상의 수많은 호수와 강 등에서 물이 얼어서도 수면 아래로 가라앉지 않고 살아있게 하는 중요한 역할을 합니다.