안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.
물이 얼 면 부피가 오히려 증가하는 이유는 물분자 사이의 수소 결합으로 인하여 얼면서 빈 공간이 많은 육각형 결정 구조를 형성하기 때문입니다. 좀 더 구체적으로 설명해 드리도록 하겠습니다.
대부분의 물질은 온도가 낮아져 고체가 되면 분자 운동이 줄어들면서 분자 사이의 거리가 줄어 들게 됨에 따라 부피가 줄어들고 밀도가 높아져 액체 속으로 가라앉는 것이 일반적입니다. 반면, 물분자는 산소 원자 하나에 수소 원자 두 개가 굽은 모양으로 결합해 있어, 산소 쪽은 음(-)전하를, 수소 쪽은 양(+)전하를 띠는 극성 분자이기 때문에 인접한 물분자 사이에 강력한 수소 결합이 형성됩니다. 액체 상태에서는 열에너지 덕분에 분자들이 자유롭게 움직이며 수소 결합이 계속 끊어지고 다시 연결되며, 분자들이 서로 미끄러지며 사이사이의 빈틈을 채우기 때문에 밀도가 높지만, 고체 상태에서는 온도가 내려가 어는점에 도달하면 분자 운동이 느려지면서 수소 결합이 끊어지지 않고 완전히 고정됩니다. 이때 각 물분자가 인접한 4개의 물분자와 가장 안정된 거리를 유지하면서 가운데가 텅 빈 규칙적인 육각형 입체 구조를 이루게 됩니다.
이 결정 구조 내부의 빈 공간 때문에 물이 얼음으로 변할 때 부피가 약 9% 증가합니다. 질량은 그대로인데 부피만 커지므로 밀도가 물보다 얼음이 더 작아집니다. 이 밀도 차이 때문에 얼음이 물 위에 뜨게 되며, 부피 증가 현상 때문에 겨울철 수도관이 파열되거나 바위 틈에 들어간 물이 얼면서 바위를 깨뜨리기도 합니다.