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얼음이 대부분의 고체처럼 가라앉지 않고 물 위에 떠 있는 이유는 무엇입니까? 이 질문에 대한 답에는 두 부분이 있습니다. 먼저 무언가가 뜨는 이유를 알아낸 다음 얼음이 바닥으로 가라앉지 않고 액체 물 위에 떠 있는 이유를 조사할 것입니다.
얼음이 뜨는 이유는?
혼합물의 다른 성분보다 밀도가 낮거나 단위 부피당 질량이 적은 물질은 부유합니다 . 예를 들어 물이 담긴 양동이에 돌 한 움큼을 떨어뜨리면 물보다 밀도가 더 큰 돌이 가라앉는다. 바위보다 밀도가 낮은 물은 뜹니다. 기본적으로 바위는 물을 용기 밖으로 밀어내거나 밀어냅니다. 물체가 뜨려면 자신의 무게와 같은 무게의 유체를 밀어내야 합니다.
물은 4°C(40°F)의 온도에서 최대 밀도에 도달합니다. 차가워지고 얼면서 실제로 물보다 밀도가 낮은 얼음으로 변합니다. 대부분의 물질의 경우 밀도는 고체(동결) 상태에서 증가합니다. 즉, 일반적으로 액체 상태보다 밀도가 높습니다. 물은 수소 결합 때문에 다릅니다.
물 분자는 공유 결합에 의해 서로 강하게 결합된 하나의 산소 원자와 두 개의 수소 원자로 구성됩니다. 물 분자는 또한 수소 결합 이라고 하는 공유 결합보다 훨씬 약한 화학 결합에 의해 서로 끌어당깁니다 . 이 인력은 양전하를 띤 수소 원자와 음전하를 띤 이웃 물 분자의 산소 원자 사이에서 발생합니다. 물이 4 °C 이하로 냉각되면 수소 결합이 재배열되어 음전하를 띤 산소 원자가 떨어져 있게 됩니다. 이 모든 것이 일반적으로 얼음으로 알려진 결정 네트워크를 생성합니다.
얼음은 액체 상태의 물보다 밀도가 약 9% 낮기 때문에 뜹니다. 즉, 얼음은 물보다 약 9% 더 많은 공간을 차지하므로 얼음 1리터의 무게는 물 1리터보다 가볍습니다. 무거운 물이 가벼운 얼음을 대체하므로 얼음이 물 표면에 뜹니다. 이것의 한 가지 결과는 호수와 강에서 볼 수 있는데, 위에서 아래로 얼어서 호수 표면이 얼어도 물고기가 살아남을 수 있습니다. 얼음이 가라앉으면 물이 표면으로 이동하여 더 낮은 온도에 노출되어 강과 호수가 얼게 됩니다.
중수 얼음이 액체 상태의 물로 가라앉음
그러나 얼음 형태나 고체 상태의 모든 물이 일반 물의 표면에 뜨는 것은 아닙니다. 중수, 즉 수소 동위원소 중수소를 포함하는 얼음으로 만든 얼음은 일반 물에 가라앉는다. 수소 결합은 이러한 유형의 물에서도 여전히 발생하지만 일반 물과 중수 사이의 질량 차이를 만회할 만큼 충분한 수는 아닙니다. 따라서 중수 얼음도 액체 상태의 물에 가라앉습니다.
