얼음이 물에 뜨는 이유는 무엇일까?

 더운 여름날 카페에서 시원한 아이스 아메리카노를 주문하면 얼음 조각들이 음료의 맨 위에 둥둥 떠있는 것을 볼 수 있습니다. 한겨울에 꽁꽁 언 호수나 강을 보아도 물의 표면인 위쪽부터 얼어붙어 사람들이 그 위를 걸어 다닙니다. 우리를 이것을 실제로 보면서 생활했기에 너무나도 당연히 여기는데요.

여기에는 과학적인 시각에서 볼 때 고체가 액체 위에 뜬다라는 자연계의 일반적인 상식을 완전히 파괴하는 기적과도 같은 일입니다. 세상의 대부분 물질은 고체가 되면 액체보다 무거워지기 때문에 바닥에 가라앉기 때문입니다. 그러나 물은 이런 특별한 일이 벌어지는 것인데요. 얼음이 물에 뜨는 이유는 무엇인지 물자의 수소 결합과 밀도 변화를 설명드리겠습니다.

자연계의 상식을 파괴하는 물의 성질

이유를 알기 위해서는 먼저 밀도라는 개념을 알아야 합니다. 밀도란 일정한 부피를 가지는 공간에서 물질이 얼마나 빽빽하게 뭉쳐 있는지는 나타내는 수치입니다. 밀도가 높은 물질은 가라 앉고 밀도가 낮은 물질을 위로 뜹니다.

일반적인 물질은 온도가 낮아져 기체 ->액체-> 고체로 상태가 변할수록 분자들의 움직임이 둔해지며 서로 찰싹 달라붙게 됩니다. 부피가 줄어들고 밀도가 높아져 고체가 액체보다 무거워집니다. 하지만 물의 경우에는 액체에서 고체로 변할 때 오히려 부피가 늘어 밀도가 작아지는 특별한 성질을 가지고 있습니다.

첫 번째 원리는 수소 결합

물이 고체가 될 때 오히려 부피가 팽창하는 이유는 물 분자들끼리 손을 잡는 특별한 방식인 수소 결합 때문입니다.

물 분자는 산소 원자 1개와 수소 원자 2개가 결합한 형태를 가지고 있습니다. 산소는 주변의 전자를 강하게 끌어당기는 성질이 있어 마이너스 전하를 띠고 있고 수소는 플러스 전하를 띱니다. 이렇게 되기 때문에 물 분자의 산소가 다른 물 분자의 수소를 강하게 끌어 당기는데, 이것을 수소 결합이라고 부릅니다.

얼음이 되면서 부피가 팽창하는 이유

온도에 따라 수소 결합의 형태가 어떻게 변하는지 알면 얼음이 물에 뜨는 이유를 알게 되는데요. 이해하기 쉽게 사람들의 움직임에 비유해 볼게요.

액체 상태의 물

온도가 높은 액체 상태의 물은 에너지가 넘칩니다. 물 분자들은 수소 결합을 맺었다 끊었다를 반복하면서 자유롭게 움직입니다. 이것을 아이돌 콘서트장에 스탠딩석에 비유해 보겠습니다. 사람들이 일정한 규칙없이 이리저리 밀착해서 엉켜있기 때문에 좁은 공간안에 최대한 많은 수의 사람들이 빽빽하게 모여 있게 됩니다.

고체 상태의 얼음

하지만 온도가 영하로 떨어져 물이 얼음이 되면 물 분자들은 움직임을 멈추고 수소 결합을 이용해 고정된 자리를 잡아야 합니다. 그래서 가장 안정적인 구조인 육각형 모양으로 결정을 만듭니다.

이렇게 엉켜있는 사람들이 질서를 위해 서로 팔을 곧게 뻗어 각자의 자리를 만들고 있는 것으로 볼 수 있습니다. 이때 육각형을 만들다 보니 이 공간 사이에 빈틈이 생겨 뻥 뚫리게 됩니다.

그래서 물이 얼음이 되면 분자 사이사이에 빈 공간이 많아져서 전체적인 부피는 9% 정도 커지게 됩니다. 질량은 그대로인데 부피가 커졌으니 안의 내용물은 헐렁해지는 것입니다. 그래서 얼음은 물보다 밀도가 작아져서 물 위로 둥둥 떠오르게 되는 것입니다.

물은 4도 일 때 가장 무겁다

지구과학이나 화학 시간에 등장하는 개념이 있습니다. 물은 얼기 직전인 0도일때가 아니라 영상 4도 일때 밀도가 가장 높고 제일 무겁다는 것입니다.

물이 식어서 4도까지 내려올 때는 일반적인 물질처럼 부피가 줄어들며 무거워집니다. 하지만 4도보다 온도가 더 낮아지면 물 분자들이 육각형 구조를 만들기 위해 서서히 줄을 서기 시작하면서 오히려 부피가 팽창하기 시작합니다.

따라서 4도의 물은 가장 무거워서 호수나 강 바닥이 맨 밑으로 가라앉고 0도의 물은 가장 가벼워서 호수의 위로 떠오르게 굅니다.

얼음이 물에 뜨지 않는다면 지구는 어떻게 될까?

우리가 매일 보는 얼음이 물에 뜨는 현상은 지구상의 모든 생명체를 살려내는 특별한 기적이라고 할 수 있는데요. 만약 얼음이 다른 고체들처럼 물보다 무거웠다면 어떻게 되었을까요? 겨울철 기온이 영하로 떨어지면 강과 바다는 표면에서부터 얼어붙은 뒤 곧바로 바닥으로 가라앚았을 겁니다. 표면이 새로 드러나면 또 얼어서 가라앉고 결국 강과 바다는 바닥부터 수면까지 100% 얼게 되는 얼음덩어리 상황이 됩니다. 그렇다면 생명체는 모두 죽음을 맞이할 수 밖에 없습니다.

하지만 다행스럽게도 얼음은 물보다 가벼워 수면 위로 떠오릅니다. 표면이 얼어붙어 얼음이 한겨울 냉기를 막아주는 역할을 합니다. 이 덕분에 강바닥 아래 물은 영상의 온도를 유지할 수 있고 물고기들이 그곳에서 겨울을 나게 되는 것입니다.

아이스 커피 속에 떠 있는 얼음과 생태계를 살리는 물의 과학적 원리를 3가지로 요약해 드릴게요.

1. 일반적인 물질과 달리 물은 액체에서 고체로 변할 때 오히려 부치가 커지고 밀도가 작아집니다.
2. 온도가 내려가면 물 분자들이 수소 결합을 하여 육각형 구조를 형성하게 되고 이때 내부에 빈공간이 생겨 부피가 팽창합니다.
3. 물은 4도일 때 가장 무겁고 얼음이 되면 가벼워지는 특석 덕분에 강물이 위에서부터 얼어붙어 물고기들이 한겨울을 버틸 수 있습니다.

일상에서 무심코 마신 시원한 얼음물 한잔에는 물 분자들의 수소 결합과 지구를 살리는 자연의 힘이 숨어 있는데요. 오늘 배운 밀도와 수소 결합의 원리를 떠올려 보시면서 얼음이 물에 뜨는 것을 바라보시기 바랍니다.