시원한 음료 잔에 둥둥 떠 있는 얼음을 보면서 이상하다고 느껴본 적 있으신가요? 사실 이건 굉장히 특이한 현상입니다. 거의 모든 물질은 고체 상태가 액체 상태보다 밀도가 높아서 가라앉는데, 물은 정반대로 고체인 얼음이 액체인 물 위에 뜹니다. 어렸을 때부터 너무나 당연하게 봐온 풍경이라 이상하다고 느끼기 어렵지만, 사실 이 현상은 화학적으로 보면 상당히 예외적인 일입니다. 오늘은 얼음이 물에 뜨는 이유를 3가지로 나눠서 자세히 알아보겠습니다.
첫 번째 이유: 대부분의 물질과 정반대인 물의 성질
보통 물질은 온도가 낮아질수록 분자 운동이 느려지고, 분자 사이 거리가 가까워지면서 밀도가 높아집니다. 그래서 대부분의 고체는 같은 물질의 액체보다 밀도가 크고, 당연히 액체에 넣으면 가라앉습니다. 쇠를 녹인 쇳물에 고체 쇠를 넣으면 가라앉는 것도, 촛농이 굳으면서 액체 상태보다 단단하고 무거워지는 것도 다 같은 원리입니다.
그런데 물은 이 상식에서 벗어난 몇 안 되는 물질 중 하나입니다. 물이 얼어서 얼음이 되면 오히려 부피가 늘어나고 밀도가 낮아집니다. 실제로 물은 0도씨에서 1세제곱센티미터당 약 1그램인데, 같은 온도의 얼음은 약 0.92그램밖에 되지 않습니다. 밀도가 8퍼센트가량 낮아지는 셈이니, 당연히 물 위에 뜰 수밖에 없는 것이죠. 유리병에 물을 가득 채워 얼리면 병이 깨지는 것도, 바로 이 부피 팽창 때문에 벌어지는 일입니다.
두 번째 이유: 물 분자를 붙잡는 수소결합
이 신기한 현상의 핵심에는 수소결합이라는 게 있습니다. 물 분자는 산소 원자 하나와 수소 원자 두 개로 이루어져 있는데, 산소 쪽이 수소의 전자를 더 강하게 끌어당기는 성질이 있습니다. 그래서 산소 쪽은 약한 음전하를, 수소 쪽은 약한 양전하를 띠게 되는데, 이렇게 되면 이웃한 물 분자끼리 산소와 수소가 서로를 끌어당기는 약한 결합이 생깁니다. 이것을 수소결합이라고 부릅니다.
액체 상태의 물에서는 분자들이 자유롭게 움직이면서 수소결합이 생겼다 끊어졌다를 끊임없이 반복합니다. 이 과정이 워낙 빠르게 일어나기 때문에, 물은 특정한 형태 없이 자유롭게 흐를 수 있는 것입니다. 하지만 온도가 내려가 얼기 시작하면, 물 분자들의 움직임이 느려지면서 수소결합으로 서로를 단단히 붙잡게 되고, 이때부터 규칙적인 구조를 만들기 시작합니다.
세 번째 이유: 육각형 구조가 만드는 빈 공간
물이 얼 때 물 분자들은 수소결합으로 서로 연결되면서 육각형 고리 모양의 구조를 이루게 됩니다. 눈 결정이 항상 육각형 모양으로 만들어지는 것도 바로 이 원리 때문입니다. 그런데 이 육각형 구조 안에는 빈 공간이 많이 생깁니다.
액체 상태일 때는 물 분자들이 빈틈없이 촘촘하게 채워져 있었는데, 얼면서 오히려 분자들이 규칙적인 육각형 틀 안에 듬성듬성 배열되니 전체 부피는 늘어나고 밀도는 낮아지는 것입니다. 결국 물이 얼음이 되면서 부피가 팽창하는 이 특성이, 얼음을 물 위에 뜨게 만드는 직접적인 원인인 셈입니다. 이 구조를 이해하고 나면, 겨울철 수도관이 얼어서 터지는 사고가 왜 생기는지도 자연스럽게 납득이 갑니다.
물은 몇 도에서 가장 무거울까
여기서 하나 더 재미있는 사실이 있습니다. 물이 가장 무거워지는, 즉 밀도가 가장 높은 온도는 0도씨가 아니라 약 4도씨, 정확히는 3.98도씨 근처입니다. 온도가 내려가면서 이 온도까지는 계속 무거워지다가, 그보다 더 차가워지면 오히려 다시 가벼워지는 독특한 패턴을 보입니다. 이는 낮은 온도에서 수소결합이 강하게 형성되기 시작하면서, 아직 완전히 얼지는 않았지만 분자 사이에 빈 공간이 조금씩 생기기 시작하기 때문입니다.
이 특성 덕분에 겨울철 호수나 강이 표면부터 얼면서도, 물속 깊은 곳은 4도씨 정도로 유지되어 물고기들이 얼어 죽지 않고 겨울을 날 수 있습니다. 만약 물이 다른 물질들처럼 차가울수록 계속 무거워지기만 했다면, 호수는 바닥부터 얼어붙어 그 안의 물고기와 수중 생명체들이 겨울을 나기 훨씬 어려웠을 겁니다. 이렇게 보면 물의 이 특이한 성질이, 지구 생태계가 유지되는 데도 은근히 중요한 역할을 하고 있는 셈입니다.
사이언스타임즈에서도 물의 밀도 이상 현상과 수소결합의 원리를 자세히 다루고 있으니, 더 궁금하신 분들은 사이언스타임즈 – 얼음이 물에 뜨는 이유를 참고하시는 것도 좋습니다.
집에서 간단히 확인해보는 방법
이 원리가 궁금하시다면 간단한 실험으로 직접 확인해볼 수도 있습니다. 투명한 컵에 물을 담고 얼음을 하나 넣어보면, 얼음이 완전히 물속에 잠기지 않고 일부는 항상 수면 위로 떠 있는 모습을 볼 수 있습니다. 이때 얼음이 물 위로 튀어나온 부분과 잠긴 부분의 비율이 대략 9대 91 정도인데, 이는 앞서 설명한 밀도 차이 8퍼센트와 거의 일치하는 수치입니다.
또 하나 흥미로운 점은, 바닷물에서는 얼음이 아주 살짝 더 많이 떠오른다는 것입니다. 바닷물은 소금기 때문에 순수한 물보다 밀도가 더 높기 때문에, 같은 얼음이라도 바닷물에서는 조금 더 위로 떠오르게 됩니다. 실제로 빙산의 대부분이 바닷속에 잠겨 있고 겉으로 보이는 부분은 전체의 10분의 1 정도밖에 안 된다는 이야기를 들어보셨을 텐데, 이것도 바로 이 원리와 관련이 있습니다.
마치며
평소 무심코 지나쳤던 얼음 한 조각에도 이렇게 정교한 화학적 원리 3가지가 숨어 있다는 게 놀랍게 느껴지실 거예요. 지난번 다룬 전자레인지 원리와 마찬가지로, 물이라는 익숙한 물질 하나에도 수많은 신비가 담겨 있습니다. 다음에 시원한 음료에 뜬 얼음을 보실 때는, 그 안에 숨겨진 수소결합과 육각형 구조, 그리고 4도씨의 마법이 함께 떠오르시길 바랍니다.