왜 얼음은 물에 뜨는데 대부분의 고체는 물보다 무거울까요?

Question

보통 물질은 고체가 되면 더 단단하고 밀도가 높아지는 경우가 많은데, 물은 얼면서 오히려 부피가 커지고 얼음이 물에 뜹니다. 물만 이런 특이한 성질을 갖는 이유가 궁금합니다.

Answer 1

고체가 무조건 무겁다 라기 보다는 밀도가 높은것이 물에서 가라앉는다는 개념으로 생각하시면 편할 거 같아요. 물이 액체일때는 물분자가 자유롭게 움직이는 상태인데 물이 고체화(얼음)가 되면 물분자가 규칙적인 형태로 변하면서 오히려 분자 사이의 빈공간이 많아지게 됩니다. 자연적으로 밀도가 낮아지면서 물에서 뜨는 형태가 됩니다.

Answer 2

대부분의 물질은 고체가 될 때 분자들의 운동 에너지가 줄어들면서 빽빽하게 모이기 때문에 부피가 줄어들고 밀도가 높아집니다.

반면 물이 얼면서 오히려 부피가 늘어나고 물에 뜨는 이유는 물 분자 사이의 수소 결합이라는 고유한 성질 때문입니다.

액체 상태의 물 분자들은 계속해서 끊임없이 움직이며 수소 결합이 끊어지고 연결되기를 반복합니다. 분자들이 유연하게 움직이며 서로의 빈 공간 사이로 엉켜 들어가기 때문에 비교적 조밀하고 밀도 높은 상태를 유지합니다.

온도가 떨어져 영하로 내려가면 물 분자의 운동이 둔해지면서 수소 결합이 안정적으로 고정됩니다.

이때 물 분자들은 가장 안정적인 배치인 규칙적인 3차원 육각형 결정 구조를 만듭니다.

이 육각형 구조의 내부에는 넓은 빈 공간이 생기게 됩니다.

결정 내부의 빈 공간 때문에 얼음이 될 때 부피가 약 9% 늘어나게 됩니다.

질량은 그대로인데 부피만 커졌으므로 얼음의 밀도가 더 낮아졌기 때문에 얼음은 물 위로 떠오르게 됩니다.