물과 얼음의 부피와 관련한 질문드립니다.
아이스아메리카노를 마시다가 궁금해서 질문드립니다.
물과 얼음이 같이 담긴 컵이 있는 경우,
얼음이 녹으면 물의 총 부피가 커지나요? 아니면 동일한건가요?
전문가님 답변 부탁드립니다.
안녕하세요. 이중건 과학전문가입니다.
얼음이 녹으면 부피가 줄어든답니다. 같은 질량일 때 물보다 얼음이 부피가 크답니다. 물의 수소결합 때문이죠.
안녕하세요. 송종민 과학전문가입니다.
수소 결합으로 응집해 있고, 일부는 따로 놀고 있다. 그런데 온도가 낮아질수록 물 분자의 분자 운동이 약해지게 된다. 따라서 따로 노는 물 분자의 수는 줄어들게 될 것이고 결국 모든 물 분자들이 수소 결합에 참여하게 된다. 이때 물 분자들은 수소 결합하여 육각 고리 모양의 결정을 이뤄서 빈 공간이 생긴다. 이 빈 공간 때문에 얼음의 부피는 증가하게 되는 것이다.
얼음의 구조
위 그림처럼 육각고리 모양의 결정을 이룸으로써 생기는 빈 공간이 얼음의 부피를 증가시키게 되는 것이다.
그리고 얼음이 녹아 물이 되면 육각 고리 모양을 이루는 수소결합의 일부가 깨짐으로써 빈 공간이 줄어들게 되어 부피가 감소하게 된다.
물과 얼음의 부피 및 밀도변화로 인하여 나타나는 현상 및 예시
① 빙산
출처 : https://nownews.seoul.co.kr/
빙산이 바닷물 위에 떠 있는 것이 대표적인 예다. 빙산은 얼음이다. 얼음의 밀도가 작기 때문에 물 위에 떠 있는 것이 가능하다. 여담으로 빙하가 점점 녹고 있다고 한다. 큰일이다.
② 겨울에 잘 터지는 수도관 파이프
물이 얼어 얼음이 되면 부피가 증가하게 되서 물이 흐르는 수도관이 터지게 된다. 수도관이 동파하여 단수한다는 소식 등은 겨울철에 심심치 않게 들을 수 있다.
③ 물로 바위 깨기
바위 틈으로 스며들어간 물이 겨울에 얼면 부피가 증가하여 바위를 쪼갤 수 있다. 이는 옛날부터 이용했던 방법이었는지 水滴穿石(수적천석)이라는 사자성어도 존재하는데 물방울이 바위를 뚫는다는 뜻으로, 작은 노력이라도 끈기 있게 계속하면 큰 일을 이룰 수 있다는 뜻이다. 하여튼 조상님들 똑똑하다.
④ 강 표면부터 얼음이 어는 현상
겨울철에는 물 표면의 온도가 차가운 공기와 접하면서 4℃까지 낮아질 때까지는 표면 쪽의 물의 밀도가 커져 밀도 차이에 의한 대류가 일어난다. 물 표면 온도가 4℃이하로 내려가면 표면 쪽의 물의 밀도가 아래쪽의 물의 밀도보다 작아져서 더 이상 대류는 일어나지 않게 된다. 따라서 표면의 온도가 그대로 0℃까지 내려가 표면부터 물이 얼게 되는 것이다.
아주 중요한 내용으로 이러한 특성 덕에 추운 겨울에도 물속에서 물고기가 살아남을 수 있는 것이다. 만약 강 표면부터 얼지 않고 밑바닥부터 물이 얼게 된다면 수많은 물에 사는 생물들이 얼어 죽었을 것이다.