[자연/과학] 얼음이 물에 뜨는 이유

얼음이 물에 뜨는 이유 


지구의 약 70%를 차지하고 있는 물은 다른 물질에는 없는 특이한 성질을 가지고 있다.

대부분의 물질은 고체상태일 때가 액체상태일 때보다 부피가 작지만, 물은 4℃일 때 부피가 가장 작고 얼면 부피가 커진다. 그 이유가 뭘까?

물은 산소원자 1개에 수소원자 두 개가 결합하여 물분자를 이룬다. 수소원자 두 개가 한쪽으로 약간 몰려서 산소원자에 붙어있다. V자형의 양끝에 수소원자가 붙어있고 꼭지점에 산소원자가 붙어있는 꼴이다. 그리고 수소 원자 쪽은 양전기를 띠고 산소 원자 쪽은 음전기를 띤다. 이 때문에 한 물분자의 산소가 다른 물분자의 수소를 끌어당기는 힘이 생긴다. 이 힘 때문에 물분자들은 서로 끌어당겨 모여 있게 되고 쉽게 증발되지 않아 액체로 남아 있을 수 있다. 만일 이 힘이 없다면 물분자 하나하나는 뿔뿔이 흩어져 기체로 날아가고 지구상에는 물이 한 방울도 존재할 수가 없게 된다.

온도가 낮아져 얼음으로 변할 때 이 힘은 물분자들을 끌어당겨 고체를 형성한다. V자형의 꼭지점에 있는 산소 원자는 다른 물분자들의 수소를 끌어당겨 산소 원자 1개에 4개의 수소가 달라붙는다. 수소들이 정사면체의 꼭지점에 하나씩 있고 중심에 산소원자가 있는 모양이다. 마치 방조제를 쌓을 때 쓰이는 콘크리트 구조물을 연상시킨다. 물분자들이 이런 식으로 결합하게 되면 액체로 있을 때보다 얼음일 때 공간을 더 많이 차지하게 되어 부피가 커지고 밀도가 작아진다. 이것이 얼음이 물에 뜨는 이유이다.

만일 얼음의 밀도가 물보다 크다면 수면에서 얼음이 얼자마자 바닥으로 가라앉는 현상이 계속적으로 일어나 결국 호수나 강 전체가 밑바닥까지 꽁꽁 얼어붙어 서식하는 생물들이 모두 죽고 말 것이다.