안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.
겨울철 한파가 몰아칠 때 아파트 보일러 배관이 얼어 터지는 현상은 물이 얼면서 부피가 크게 늘어나기 때문입니다. 대부분의 물질은 액체에서 고체로 변할 때 입자들이 촘촘하게 굳어지면서 부피가 줄어들지만, 물은 정반대로 고체인 얼음이 될 때 부피가 9% 이상 늘어나는 독특한 성질을 가지고 있습니다.
이러한 현상이 일어나는 근본적인 원인은 물 분자 사이의 수소 결합이라는 특수한 힘 때문입니다. 물 분자는 산소 하나와 수소 두 개가 결합해 있는데, 산소 쪽은 미세한 음전하를 띠고 수소 쪽은 양전하를 띱니다. 액체 상태의 물에서는 분자들이 비교적 자유롭고 활발하게 움직이기 때문에, 이 전하들이 서로 끌어당기고 밀쳐내며 불규칙하고 촘촘하게 엉켜 있습니다.
하지만 온도가 영하로 떨어져 물이 얼기 시작하면 분자들의 움직임이 둔해집니다. 이때 물 분자들은 서로의 양전하와 음전하 부분이 가장 안정적으로 결합할 수 있는 일정한 거리를 유지하며 고정되는데, 이 과정에서 분자들이 육각형 모양의 규칙적인 격자 구조를 이루게 됩니다. 육각형 구조가 만들어지면 분자들 사이에 붙잡혀 있던 공간이 넓어지면서 가운데에 커다란 빈 공간들이 생겨나게 됩니다.
결국 분자의 개수나 무게는 그대로인데 구조적인 이유로 내부 공간이 넓어지다 보니 전체적인 부피가 9% 넘게 팽창하게 됩니다. 꽉 막혀 있는 보일러 배관 안에서 물이 얼어붙어 육각형 구조로 변하면, 늘어난 부피만큼 배관 내부의 압력이 엄청나게 치솟습니다. 단단한 금속이나 플라스틱 배관이라도 이 강력한 팽창 압력을 견디지 못하고 가장 취약한 부분이 쩍 갈라지거나 터져버리는 것입니다.