고체에서 액체로, 액체에서 고체로 - 융해와 응고

 

A. 녹음과 얼음 - 분자에게 무슨 일이?

  여러분들은 얼음을 가열하면(열을 가하면) 물이 되고 물을 얼리면(열을 빼앗으면) 얼음이 되는 것을 알고 있지요?  고체가 액체로 되는 과정을 융해, 액체가 고체로 되는 과정을 응고라고 합니다.

 

                       

 

 
 

  그렇다면 열이 분자 배열을 변화시킨다는 거지요.  열이 가해지면 분자들은 에너지를 얻게 되어 운동을 더 활발하게 한답니다.  고체에서 제 자리에서 조금씩 움직이고 있던 분자들이 열을 받으면 에너지가 많아져 자유로이 움직일 수 있게 됩니다.  그래도 다른 분자들이 잡아당기는 힘(인력)을 이겨낼 만큼 에너지가 많지는 않아서 분자들끼리 붙어서 움직인답니다.  이 상태가 바로 액체이지요.  액체를 얼릴 때는 반대 현상이 나타난답니다.

 

   

 

 
 

B. 융해와 응고에 따른 열의 이동

  한 물질이 고체에서 액체로 되는 온도를 녹는점이라고 합니다.  액체에서 고체로 되는 온도를 어는점 이라고 하는데 녹는점과 어는점은 같은 온도입니다.  물질마다 1기압 하에서의 녹는점(또는 어는점)이 다 다릅니다.  따라서 이 녹는점(또는 어는점)은 한 물질의 특징이고 어떤 물질의 녹는점을 측정하면 그 물질이 무엇인지 대략 알아낼 수 있습니다.  예를 들어 물의 녹는점은 1기압 하에서 섭씨 0도 입니다.  
  한 물질이 고체에서 액체로 되려면 외부에서 열을 공급해 주어야 하지요.  따라서 한 물질이 고체에서 액체로 될 때 그 주위는 열을 빼앗긴답니다.  더운 여름에 열이 나면 얼음을 먹지요.  그러면 얼음이 우리 몸으로부터 열을 빼앗아가 물이 되지요.  이 때 우리 입 안은 열을 빼앗기니까 우리는 시원하다고 느끼는 거지요.

   

 

  녹는 과정에서 주위로부터 빼앗아가는 열의 양은 물질마다 다릅니다.  1기압 하에서 여러 물질 1g이 녹을 때 필요한 열의 양이 다르다는 말입니다.  물의 경우 1g의 얼음이 물이 될 때 80cal 정도의 열이 필요합니다.  반면에 어는 과정에서는 물질이 주위에 열을 내어 놓습니다.  따라서 물질을 얼게 하려면 주위에서 물질의 열을 빼앗아 주어야 하지요.  1g의 물을 얼음으로 만들려면 80cal의 열을 빼앗아 주어야 합니다.

 

C. 융해와 응고에 따른 질량의 변화

얼음이 녹아 물이 될 때 물 분자들은 배열만 다르게 할 뿐 없어지거나 새로 생기는 일이 없지요. 물이 얼음이 될 때도 마찬가지이구요. 따라서 물질이 융해하거나 응고할 때 질량은 변하지 않겠지요.

만약 구슬 1개의 질량이 1g이라면

 

18g

18g
 

D. 융해와 응고에 따른 부피의 변화

고체상태에서의 분자 배열과 액체상태에서의 분자 배열이 다릅니다. 따라서 각 상태에서 분자들의 배열이 빽빽한 정도가 다르겠지요.
보통의 경우 액체상태에서 고체 상태에 비해 분자들이 더 자유롭게 움직이므로 액체상태에서 고체상태에 비해 분자들이 덜 빽빽하게 배열되어 있답니다. 즉, 대부분의 경우 고체상태에 비해 액체상태에서 분자들 사이의 빈 공간이 많습니다. 따라서 대개의 경우 같은 질량에 대해 액체가 고체보다 부피가 조금 더 크지요.

 
▲ 사염화탄소


[아하과학/생생실험실/액체와 고체의 부피를 비교하자]

그런데 물은 아주 특별하답니다. 물은 얼음이 되면서 6개의 물 분자가 6각형을 이루는 구조를 갖는답니다. 이 구조는 아래 그림에서 보는 것처럼 분자 사이에 많은 빈 공간을 갖습니다.

 
 

얼음과 물 안에서의 분자들이 배열된 모습을 모델로 다시 한번 볼까요?
빨간 공은 산소 원자이고 하얀 공은 수소원자입니다.

 

▲ 물

▲ 얼음

(출처 : 미국 뉴욕대학)
 

그러니까 물은 얼음이 되면서 물일때 보다 부피가 더 커지게 되는거지요.
물에서 얼음으로 바뀌면서 질량은 같은데 부피가 증가하니까 밀도도 변하겠지요. 즉,

 
밀도 = 질량/부피
 

이고 같은 질량에 대해 얼음의 부피가 더 크니까 얼음의 밀도가 물 보다 작겠지요.

 
 

 
  • 북극해 빙하 그림으로 옳은 것은?
 

물이 얼면서 부피가 커지고 따라서 밀도가 작아지기 때문에 발생하는 현상이 많습니다.
예를 들어 꽉 찬 물병을 얼리면 터지거나, 겨울에 수도관이 파열되는게 다 얼음이 물 보다
부피가 크기 때문이지요.
[아하과학/생활속의 과학/겨울에 수도관이 동파하는 이유]
이 사실은 물고기의 생활에도 영향을 줍니다. 아래에서 알아보세요.

 


만약 얼음의 밀도가 물 보다 크다면 겨울에 물고기들은?