다른 물질과는 달리 물은 고체 상태에서 더 부피가 증가하는 이유가 무엇인가요?

Question

안녕하세요. 물 분자는 예외적으로 다른 물질들과는 다르게 액체에서 고체 상태로 변화하였을 때 오히려 부피가 증가한다고 합니다. 이처럼 다른 물질과는 달리 물은 고체 상태에서 더 부피가 증가하는 이유가 무엇인가요?

Answer 1

안녕하세요. 네, 말씀해주신 것과 같이 물은 다른 물질과는 달리 오히려 고체가 되었을 때 부피가 증가하는 물질입니다. 물(H₂O) 분자는 V자 형태로 구부러진 구조를 가지며, 산소 원자와 수소 원자가 104.5° 각도로 결합되어 있는데요 산소는 전기음성도가 높아 부분 음전하를 가지며, 수소는 부분 양전하를 가져 극성 분자가 됩니다.이러한 극성 때문에 수소결합을 형성할 수 있습니다. 물은 액체 상태에서는 분자들이 유동적으로 움직이며 수소결합을 계속 형성하고 깨뜨리기 때문에 분자들이 상대적으로 가까이 모여 있어 부피가 작은데요 즉, 액체 물은 수소결합이 있지만 유동적인 배열 때문에 비교적 밀도가 높습니다. 반면에 얼음에서는 분자들이 고정된 육각형 구조를 형성하는데, 이 구조에서 각 물 분자는 4개의 수소결합을 통해 안정화되며 분자 사이 거리가 액체보다 멀리 떨어지기 때문에 결과적으로 얼음의 분자 배열은 보다 규칙적이지만 덜 촘촘해지면서 부피가 증가하고 밀도는 감소하는 것입니다. 실제로 얼음의 밀도는 약 0.92 g/cm³로, 물(1.00 g/cm³)보다 낮기 때문에 얼음이 물에 뜨게 됩니다. 감사합니다.