얼음이 물에 뜨는 이유 — 물의 이상한 밀도 변화

물이 얼면 얼음이 되고, 그 얼음은 물 위에 뜬다. 너무 당연하게 여겨서 이상하다고 느낀 적 없겠지만, 사실 이건 물질의 일반적인 법칙에서 벗어난 예외적인 현상이다. 대부분의 물질은 고체가 될 때 분자가 더 촘촘하게 배열되면서 부피가 줄어들고 밀도가 높아지는데, 물은 정반대로 행동한다.

1. 물 분자는 얼 때 오히려 넓게 벌어진다

액체 상태의 물 분자는 수소결합으로 서로 끌어당기면서도 비교적 자유롭게 움직이며 촘촘하게 뭉쳐있다. 그런데 온도가 0℃ 아래로 내려가 얼음이 되면 물 분자들이 육각형 결정 구조로 규칙적으로 배열된다. 이 육각형 구조 안에는 빈 공간이 많이 생기기 때문에, 오히려 액체 상태일 때보다 분자 사이 간격이 넓어진다. 그 결과 같은 질량의 물이라도 얼음이 되면 부피가 약 9% 정도 늘어난다.

2. 부피가 늘면 밀도는 낮아진다

부피가 커진다는 건 같은 무게를 더 넓은 공간에 펼쳐놓는다는 뜻이고, 이는 곧 밀도가 낮아진다는 의미다. 얼음의 밀도는 약 0.92g/mL로, 물의 밀도(약 1.0g/mL)보다 낮다. 밀도가 낮은 물질은 밀도가 높은 물질 위에 뜨기 때문에, 얼음은 물 위에 뜬다.

3. 만약 물이 다른 물질처럼 행동했다면

만약 물이 다른 대부분의 물질처럼 얼 때 부피가 줄어들었다면, 얼음은 물보다 무거워져 바닥으로 가라앉았을 것이다. 그러면 호수나 강은 겨울철에 바닥부터 얼어붙기 시작해 결국 전체가 얼어버리고, 그 안에 사는 물고기와 수생 생물은 살아남기 어려웠을 것이다. 실제로는 얼음이 표면에서부터 얼어 물 위에 뜨는 층을 형성하고, 이 얼음층이 오히려 단열재 역할을 해서 그 아래 물은 여전히 액체 상태로 유지된다. 겨울에도 호수 속 물고기가 살아남을 수 있는 것이 바로 이 예외적인 물의 성질 덕분이다.

마무리하며

얼음이 물 위에 뜨는 건 그냥 당연한 게 아니라 물 분자가 얼 때 오히려 넓게 벌어지는 예외적인 성질 때문에 생기는 현상이다. 이 성질이 없었다면 지구의 호수와 바다 생태계는 지금과 완전히 다른 모습이었을 것이다.

참고 자료: 국립과천과학관(sciencecenter.go.kr)