물이 4도에서 밀도가 가장 큰 이유

왜 물이 4도에서 밀도가 가장 큽니까? 왜 하필 4도인가요 물이 4도에서 밀도가 가장 큰 이유 좀 알려주세요.

물이 4도에서 밀도가 가장 큰 이유

물은 수소결합으로 덩어리를 이루고 있습니다. 물의 온도 등 상태에 따라 다양한 수의 물 분자가 덩어리를 이룰 수 있도록 하며, 이것이 밀도, 높은 증발열, 비열 그리고 큰 표면장력 등 물의 물질적인 고유 특성을 나타내는 주요 원인이 됩니다. 물 분자는 온도가 낮아지면서 액체에서 고체로 상태가 변하게 되는데, 얼음의 경우 만들어진 입체적 모양이 고정적으로 존재하기 때문에 액체와는 다른 특성을 지닙니다. 고체인 경우 물 분자는 일정한 다각형 구조의 수소결합 형태를 유지하게 되면서 빈 공간이 생겨 액체보다 더 큰 부피를 차지하여 물보다 밀도가 낮아지게 됩니다.

이런 이유 때문에 얼음은 물에 뜨게 되며, 겨울철 하천이나 호소 수면의 언 얼음이 수면 아래 물과 외부를 차단시키는 효과를 주게 됩니다.

이런 물도 다른 액체와 마찬가지로 온도가 올라가면 팽창하고 온도가 내려가면 수축을 합니다. 따라서 온도가 낮을수록 밀도는 커집니다. 그런데, 4°C(정확하게는 3.984°C) 이하가 되면 열역학적으로 팽창된 구조의 물이 더욱 안정하여 많아지게 됩니다.

따라서 온도가 내려감에 따라 부피가 커지고 밀도가 다시 낮아지는 것입니다. 왜 팽창된 구조의 물이 낮은 온도에서 더 안정한지 간단히 설명하면 다음과 같습니다.

물은 기본적으로 온도가 올라가면 물 분자의 열 운동이 활발하기 때문에 팽창하여 밀도가 작아지고, 온도가 떨어지면 물 분자의 열 운동이 둔해지기 때문에 수축하여 밀도가 커집니다. 그런데 4°C 이하에서는 팽창한 물 분자의 구조가 많아져서 밀도가 작아지는 것입니다. 즉, 빈 공간을 많이 가지는 입체 구조로 존재하는 경우가 많아집니다. 그래서 밀도가 다시 떨어지는 것입니다.