물은 왜 특이하게 얼면 부피가 늘어나나요?

Question

물은 얼면 부피가 늘어나는데 대부분의 물질은 반대로 줄어든다고 합니다. 왜 물만 이렇게 독특한 성질을 가지는지 수소결합과 관련 있다고 하는데 쉽게 이해가 안 됩니다.

Answer 1

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

보통 다른 물질들은 온도가 내려가면 입자들의 운동이 느려지면서 서로 엉겨 붙어 부피가 줄어듭니다. 하지만 물은 얼어붙을 때 수소 결합이라는 특별한 성질 때문에 오히려 가운데 큼직한 빈 공간이 있는 정교한 구조를 만들기 때문입니다.

액체 상태의 물 분자들은 활발하게 움직이며 수소 결합이 계속 끊어지며 촘촘하게 엉켜져 있습니다. 그러나 온도가 내려가 물이 얼기 시작하면 분자의 운동이 둔해지면서 수소 결합이 끊어지지 않고 고정되어 있습니다. 이때 물 분자는 주변 분자들과 가장 안정적인 각도를 유지하며 결합하는데, 이 과정에서 3차원 육각형 결정 구조를 형성하며 육각형 구조 내부에 텅 빈 공간이 생겨나는 것입니다.

부피가 커진 만큼 무게 대비 공간을 많이 차지하게 되므로, 얼음은 물보다 밀도가 낮아져 물 위에 둥둥 뜨게 되는 것입니다. 만약 물이 여느 물질처럼 얼 때 부피가 줄어들어 바닥부터 가라앉았다면, 겨울철 바다나 호수 바닥부터 얼어붙어 수중 생태계가 살아남지 못했을 것입니다.