기름이 물에 뜨는 원리를 알아보자

기름이 물에 뜨는 원리를 알아보자. (Why oil floats on water)

물 위에 떠있는 기름

 

기름은 왜 물 위에 뜰까? 어릴 적 과학시간이나 요리할 때 한 번쯤 본 적 있을 것이다. 물 위에 기름이 둥둥 떠 있는 현상은 단순한 모습 같지만, 그 안에는 밀도, 분자 구조, 표면 장력, 분극성 등 다양한 과학적 원리가 작용하고 있다. 이번 글에서는 기름이 물 위에 뜨는 이유를 과학적으로 한번 알아보자.

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1. 밀도 차이: 물보다 가벼운 기름

가장 기본적인 이유는 바로 밀도(density) 때문이다.

• 밀도란?
  단위 부피당 질량을 나타내는 값. 즉, 얼마나 ‘꽉 차 있는가’를 수치로 표현한 것이다.
• 물의 밀도: 약 1.0 g/cm³
• 식용유의 밀도: 약 0.91 ~ 0.93 g/cm³
• 휘발유의 밀도: 약 0.71 g/cm³

☑ 따라서 기름이 물보다 밀도가 작기 때문에 물 위에 뜬다.
👉 이는 아르키메데스의 부력 법칙에도 적용된다:

"어떤 물체가 유체(물)에 잠기면, 그 물체는 유체가 밀어내는 만큼의 힘(부력)을 받는다."

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2. 분극성 차이: 기름과 물은 섞이지 않는다

단순히 기름이 가볍다고 해서 다가 아니다. 기름이 물과 섞이지 않는 성질, 즉 비혼화성(immiscibility)도 함께 작용한다.

• 물은 극성 분자(polar molecule)다. 산소는 전기음성도가 커서 수소보다 전자를 더 끌어당긴다. 이로 인해 물 분자는 전기적으로 불균형한 쪽극성을 가진다.
• 기름은 대부분 비극성 분자(nonpolar molecule)로 구성되어 있다. 전하 분포가 고르게 되어 있어 극성인 물과 잘 섞이지 않는다.

👉 간단하게 말해, 극성 분자는 전하 분포가 한쪽으로 치우쳐서 +와 - 극이 생기는 분자이고, 비극성 분자는 전하가 고르게 퍼져 있어 극이 생기지 않는 분자다.

👉  "같은 성질 끼리 섞인다"는 원칙에 따라, 극성과 비극성은 섞이지 않는다. 이 때문에 기름은 물에 녹지 않고 따로 층을 형성한다.

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3. 표면 장력과 계면 장력

물과 기름이 분리되어 층을 이루고, 그 중 기름이 위로 올라가는 데는 표면 장력(surface tension)과 계면 장력(interfacial tension)도 중요한 역할을 한다.

• 표면 장력이란?
  액체의 표면에서 분자들이 안쪽으로 끌어당겨져 표면을 최소화하려는 힘이다. 물은 수소결합 덕분에 표면 장력이 매우 크다.
• 계면 장력이란?
  두 서로 다른 액체(또는 액체와 기체) 사이의 경계면에서 나타나는 장력으로, 서로 다른 분자 간의 인력이 작용하여 경계를 만들고 유지하려는 성질이다.
• 물은 수소결합 덕분에 표면 장력이 크다. 물 분자들이 서로 끌어당기며 표면을 '팽팽하게' 유지한다.
• 기름은 상대적으로 표면 장력이 낮다.
• 두 액체 사이에는 계면 장력이 작용하며, 서로 섞이기보다는 분리된 상태를 유지하려 한다.

👉 계면 장력이 크면 두 액체는 쉽게 섞이지 않는다. 물과 기름은 경계면에서 서로 밀어내기 때문에 기름이 물 위에 얇은 막처럼 퍼지게 된다.

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4. 온도의 영향

기름과 물의 밀도와 계면 장력은 온도에 따라 달라진다.

• 온도가 올라가면 일반적으로 액체의 밀도는 감소한다. 하지만 물과 기름 모두 비슷하게 변화하기 때문에 밀도 역전은 쉽게 일어나지 않는다.
• 그러나 온도가 올라가면 계면 장력은 낮아지기 때문에, 기름이 더 넓게 퍼지고 혼합이 일시적으로 쉬워지기도 한다.

☑ 온도 변화는 주로 계면 형성과 분리 구조에 영향을 준다.

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5. 정리

✅ 밀도 차이: 기름이 더 가볍다.
✅ 분극성 차이: 기름과 물은 섞이지 않는다.
✅ 계면 장력: 섞이지 않고 따로 층을 이룬다.
✅ 온도 변화: 계면 특성에 일부 영향 준다.

👉 이 모든 과학적 요인이 모여서 기름이 물 위에 떠 있는 현상이 만들어진다.

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🔍 P.S

• 왜 비누나 세제가 들어가면 기름이 퍼질까? → 세제는 계면활성제(surfactant) 역할을 하여 기름과 물을 일시적으로 섞이게 만든다.
• 기름유출 사고에서 기름은 왜 바다에 넓게 퍼질까? → 기름의 밀도와 낮은 계면 장력, 바람과 파도에 의해 얇은 막처럼 퍼진다.

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