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얼음의 비밀 목록

얼음은 왜 차가운 곳에 있고 차가움을 지켜줄까요? 비밀은 물의 분자구조에 있습니다. 고체, 액체, 기체 상태에서 각각 다른 상태로 변하는 상전이가 일어나려면 반드시 숨은열의 출입이 있어야 합니다. 얼음 1g이 물 1g으로 변할 때는 약 80cal의 숨은열이 필요합니다. 0℃의 물 1g을 1백℃로 만드는데 필요한 열량이 1백cal인 것을 감안하면, 얼음이 물이 되는데 필요한 열량이 매우 크다는 것을 알 수 있습니다. 얼음이 녹으면서 시원해지는 것은 바로 얼음이 상전이에 필요한 숨은열을 주변 공기로부터 빼앗아가기 때문입니다. 물이 상전이를 일으킬 때 숨은열이 필요한 이유는 원자와 분자세계에서 일어나는 화학결합 때문입니다.


물(H2O)에서 산소 원자는 그보다 작은 2개의 수소 원자와 결합돼 있습니다. 물분자는 V자 모양으로 수소 2개가 양끝에 위치하고, V자의 꼭지점에 산소가 위치해 있습니다. 그런데 물분자에서는 산소가 수소의 전자를 끌어 당기는 힘이 강해 부분적으로 수소 원자 쪽은 양전기를 띠고 산소 원자 쪽은 음전기를 띱니다. 이웃의 다른 물분자에서도 이와 같아서 물분자 각각의 수소와 산소가 서로 끌어당기게 됩니다.


바로 이러한 분자간의 결합이 수소결합입니다. 수소결합이 물분자들을 서로 끌어당겨 모여 있을 수 있게 해주기 때문에 물은 쉽게 증발해버리지 않고 액체로 남아 있을 수 있습니다. 만일 수소결합이 없다면 물분자 하나하나는 뿔뿔이 흩어져 기체로 날아가고 지구상에는 물이 한방울도 없을 것입니다. 고체가 액체에 뜨는 유일한 물질 얼음이 물에 뜨는 것도 수소결합 때문입니다. 온도가 낮아져 얼음으로 변할 때 수소결합은 분자 들을 잡아 매 단단한 고체를 형성합니다.


V자형의 꼭지점에 있는 산소 원자는 원래 2개의 수소 결합을 만들 수 있습니다. 때문에 다른 물분자들의 수소를 끌어당겨 산소 원자 1개에 4개의 수소 가 달라붙는 형국이 됩니다. 이를 중앙의 산소 원자에서 보면 주변의 수소들이 마치 정사면체의 꼭지점에 하나씩 있어 그 모양이 방조제를 쌓을 때 쓰이는 발이 넷 달린 콘크리트 구조물을 연상시킵니다.


물분자들이 이런 식으로 얽히고 설켜 물은 액체로 있을 때보다 얼음이 될 때 공간을 더 많이 차지하게 돼 부피가 커지고 밀도가 낮아집니다. 액체보다 고체의 밀도가 낮은 것은 모든 물질 중에서 물이 거의 유일합니다. 만일 얼음의 밀도가 물보다 컸다면 얼음은 호수 바닥으로 가라앉고 연이어 수면에서 얼음이 얼자마자 바닥으로 가라앉아 호수는 순식간에 전체가 꽁꽁 얼어버릴 것입니다. 그러나 다행히 얼음은 물에 뜨기 때문에 얼음이 물을 덮어 찬공기를 물과 차단시켜 얼음 아래의 물이 더 이상 얼지 않습니다. 이 때문에 겨울에도 호수의 물고기들이 죽지 않고 생활할 수 있으며 북극과 남극의 얼음 아래 바다에서 생물들이 살수 있는 것입니다.

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