안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.
얼음이 물 위에 뜨는 이유는 물 분자 사이의 수소 결합과 이로 인해 만들어지는 육각형 입체 결정 구조 때문입니다. 일반적인 물질은 고체가 될 때 분자들이 서로 밀착하여 부피가 줄어들고 밀도가 높아지지만, 물은 특이한 구조적 변화를 거치기 때문으로 좀 더 자세히 설명해 드릴게요.
물 분자들은 열에너지에 의해 활발히 움직이며 수소 결합이 끊어지고 맺어지기를 반복하기 때문에 분자들이 비교적 자유롭게 틈새를 채우며 촘촘하게 뭉쳐 있습니다. 그런데 온도가 0°C 이하로 떨어지면 분자 운동이 둔해지면서 물 분자들이 가장 안정적인 각도로 수소 결합을 고정하여 규칙적인 육각형 결정 구조를 형성합니다. 육각형 구조가 만들어지면 그 내부에 빈 공간이 크게 생기기 때문에 물이 얼음으로 변할 때 부피가 약 9% 증가합니다. 질량은 일정한데 부피가 커지면 밀도는 낮아집니다. 얼음의 밀도가 액체 상태 물의 밀도보다 낮아지므로, 밀도가 더 작은 얼음이 물 위에 뜨게 됩니다.
이처럼 얼음이 부피가 늘어나 물에 뜨는 특성 덕분에 겨울철 호수나 바다는 위쪽부터 얼어붙으며, 얼음층이 아래쪽 물의 온도를 유지하는 차단막 역할을 하여 수중 생태계가 살아남을 수 있습니다.