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물은 왜 얼면 부피가 커질까?

spacejoy 2025. 5. 7. 08:13
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"얼음이 뜨는 이유, 과학으로 풀어보자!"

 

 겨울날 호수 위에 떠 있는 얼음을 보신 적 있나요?
만약 물이 다른 물질처럼 얼면 줄어든다면, 얼음은 가라앉을 거예요. 그런데 실제로는 얼음이 물 위에 떠서 물속 생명체를 보호합니다. 왜 이런 현상이 발생할까요?

 

 일반적인 물질 vs 물: 얼었을 때 다른 점

대부분의 물질은 차가워지면 수축합니다. 분자들이 가까워지면서 부피가 줄어드는 거죠.
하지만 물만 유일하게 예외입니다!

  • 4°C → 0°C로 내려갈 때 부피가 늘어납니다.
  • 그래서 얼음이 물보다 가벼워져 (밀도가 낮아져) 뜨는 것이죠.

 

그렇다면 왜? 물의 특별한 구조 "수소 결합"

1. 물 분자의 구조

물(H₂O)은 산소(-) + 수소(+)로 이루어져 있어, 극성 분자입니다.

  • 산소 원자는 음전하, 수소 원자는 양전하를 띠기 때문에 서로 끌어당깁니다.  "수소 결합"

2. 액체 상태 vs 고체 상태

  • 액체(물): 분자들이 자유롭게 움직이지만, 수소 결합으로 인해 밀도가 높습니다.
  • 고체(얼음): 분자들이 육각형 결정 구조를 이루며 공간을 많이 차지합니다.
    → 마치 벌집 모양처럼 정렬되어 부피가 커지는 거예요!

(예시) 신발장에 신발을 아무렇게나 넣으면(물) vs 정리해서 박스에 담으면(얼음) 오히려 공간을 더 차지하는 것과 비슷해요!)

 

 이 현상이 자연에 미치는 영향

1. 얼음이 호수 위에 뜨면 생기는 이점

  • 물속 생명체 보호: 얼음이 단열재 역할을 해 겨울에도 호수 밑이 얼지 않습니다.
  • 지구 생태계 유지: 만약 얼음이 가라앉으면 바다 전체가 얼어붙을 수도 있어요!

2. 일상생활에서의 문제

  • 파이프 파손: 물이 얼면서 부피가 늘어나면 금이 가거나 터질 수 있습니다.
  • 도로 균열: 빗물이 얼면 아스팔트가 갈라지는 이유도 이 때문이죠.

 

 재밌는 실험: 페트병에 물 얼려보기

준비물: 페트병, 물, 냉동실

  1. 페트병에 물을 가득 채운 후 뚜껑을 닫습니다.
  2. 냉동실에 넣고 하룻밤 두세요.
  3. 결과? 병이 부풀거나 터집니다!

 

 마무리: 물의 특별함이 만든 기적

물이 얼면 부피가 늘어나는 것은 수소 결합이라는 독특한 성질 때문입니다.
이 덕분에 지구의 생명체가 살아남을 수 있었죠.

"물은 평범해 보이지만, 사실은 가장 특별한 분자입니다."