얼음은 왜 물에 뜰까?

 얼음은 왜 물에 뜰까?

일반적으로 액체가 뭉쳐서 딱딱해지면 되는게 고체라고 하며 이 고체는 액체에 비해 밀도가 높다고 인식되고 있습니다. 그리고 밀도가 높은 고체를 액체 속에 담글 경우, 잠기고 만다는 것은 상식이죠. 다만 이 상식에서 물 만큼은 특별한 예외입니다. 바다 위에 떠있는 유빙이나 아이스커피를 떠올리면 단박에 알 수 있는 것처럼 얼음은 고체임에도 불구하고 액체인 물에 담궈 놓으면 묘하게도 뜨게 됩니다. 얼음은 대체 무슨 이유로 물 위에 뜨게 되는 것일까요? 이 기묘한 현상의 뒷배경에는 물 분자의 형태와 전자의 움직임의 비밀이 숨겨져 있습니다. 

기본적으로 어떤 물질이 뜨거나 가라앉는 것을 결정짓는 것은 그 물질의 밀도입니다. 해당 물질의 밀도가 바깥에 위치한 액체보다 높을 경우, 물질을 가라앉게 되며 반대의 경우에는 뜨게 됩니다. 즉, 얼음이 물에 뜨는 이유는 다름이 아니라 고체인 얼음의 밀도가 액체인 물보다 낮기 때문입니다. 그런데 이게 상식적으로 가능할까요? 보통 생각해보면 고체인 얼음이 액체인 물보다 밀도가 높을 것처럼 보이는데요? 사실 물 이외의 대부분의 액체들은 고체 상태가 더 밀도가 높은 것이 맞습니다. 그러나 물의 경우에는 그렇지 않죠. 물 분자는 그 외의 액체 분자들과는 그 형태나 전자 방출방법이 다르기 때문입니다. 

물이 산소원자와 수소원자가 결합되어 만들어진 존재라는 사실을 모르는 사람은 거의 없을 겁니다. 그런데 산소 원자는 수소 원자에 보다 많은 전자를 끌어당기는 성질이 있다는 사실을 아는 사람은 그렇게까지 많지 않을 테죠. 이 때문에 산소 원자 주변에는 자연히 보다 많은 전자가 몰리게 되며, 분자 OH쪽은 약간 음전하 상태를 띄며, 반대로 H2 쪽은 약간 양전하 상태가 됩니다. 이렇게 분자 하나의 전하가 부분적으로 나뉘어 있는 것을 극성을 띈다고 표현하며, 물은 대표적인 극성분자 중 하나이죠. 다만 물이 액체상태일 때는 분자끼리 그저 랜덤하게 뒤섞여 있는 것에 지나지 않습니다만, 온도를 낮추면 낮출수록 분자끼리는 보다 강한 힘으로 서로를 끌어당기게 됩니다. 

그리하여 온도가 섭씨 4도보다도 낮아지는 시점에 이르게 되면 그러한 분자의 양전하 부분과 음전하 부분이 서로 맞닿게 되어, 온전한 형태가 되려고 하죠. 문제는 물 분자는 다른 액체 분자들과는 달리, 조금 굽어진 형태를 취하고 있다는 점입니다. 이 특수한 형태에 때문에 고체가 된 상태에서도 물의 분자와 분자 사이에는 간격이 생기고 맙니다. 이 간격 때문에 물이 고체인 얼음이 되더라도 액체인 물보다도 오히려 밀도가 낮아지는 것이죠. 그 결과 고체임에도 얼음은 액체인 물보다 밀도가 낮기 때문에, 물 위에 당당하게 떠있는 것입니다.

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