얼음이 물 위에 뜨는 이유(밀도)

거의 모든 물질은 고체가 되면 액체보다 무거워져서 가라앉습니다. 근데 물은 정반대예요. 얼음이 물에 둥둥 뜨는 걸 너무 당연하게 봐 와서 그런지, 이게 사실 예외적인 현상이라는 걸 잘 인식 못 하는 학생이 많습니다. 왜 하필 물만 이렇게 이상하게 구는지 살펴보겠습니다.

액체 상태의 물은 꽤 촘촘합니다

액체 상태에서 물 분자들은 수소결합을 만들었다 끊었다 하면서 비교적 자유롭게 움직입니다. 그러다 보니 분자들이 어느 정도 무질서하게, 서로 미끄러지듯 가까이 채워질 수 있어서 부피가 상대적으로 작습니다.

그런데 얼면 오히려 성겨집니다

온도가 내려가 얼음이 되면 분자 운동이 멈추고, 각 물 분자는 정확히 4개의 이웃과 안정된 수소결합을 이루며 고정됩니다. 문제는 이 결합각과 배열 때문에 분자들이 육각형 격자 형태로 규칙적이면서도 꽤 성긴 구조를 이루게 된다는 거예요. 같은 개수의 물 분자가 액체일 때보다 더 넓은 부피를 차지하게 되는 셈이죠. 부피가 커지면 밀도(질량÷부피)는 낮아지니까, 얼음이 물보다 밀도가 작아서 뜨는 겁니다.

같은 분자 개수, 다른 부피 — 그래서 얼음이 뜬다 — 송쌤생명과학 자체 제작

쌤 한마디: "고체는 무조건 액체보다 밀도가 크다"는 걸 상식처럼 알고 있는 학생들이 이 단원에서 제일 많이 틀립니다. 물은 예외라는 걸 아예 별도로 외워두는 게 낫습니다.

사실 4℃까지만 이야기입니다

물은 식으면서 계속 밀도가 높아지다가, 정확히는 4℃ 부근에서 밀도가 최대가 됩니다. 그 이하로 더 식으면 얼음의 육각형 결정 구조가 미리 형성되기 시작하면서 밀도가 다시 낮아지기 시작하고, 0℃에서 완전히 얼면 밀도가 가장 낮은 상태가 되는 거예요. "온도가 낮을수록 밀도가 계속 올라간다"고 답하면 이 부분에서 틀리게 됩니다.

4℃ 아래에서 육각 배열이 미리 생기고, 0℃에서 얼면 밀도가 약 8% 뚝 떨어진다 — 송쌤생명과학 자체 제작

이게 왜 중요하냐면, 겨울에 호수가 어는 순서 때문입니다. 표면부터 얼어서 얼음층이 만들어지면 이 얼음이 단열재처럼 작용해서 그 아래 물은 계속 액체 상태(대략 4℃ 근처)로 남습니다. 만약 물이 다른 물질처럼 평범하게 굴어서 얼음이 가라앉았다면 호수는 바닥부터 위로 얼어붙었을 거고, 물고기를 비롯한 수생 생물은 겨울마다 전부 얼어 죽었겠죠. 물이 이렇게 예외적으로 행동해준 덕분에 겨울에도 얼음 아래에서 생태계가 유지되는 겁니다.