왜 얼음은 물보다 부피가 클까? 얼음이 물보다 밀도가 작은 이유

일반적인 물질의 상태변화 시 부피와 밀도

일반적인 물질에서 상태변화가 일어날 시 고체 < 액체 < 기체 순으로 부피가 증가한다. 그리고 물질의 상태가 변할 때 질량은 일정하다. 따라서 밀도는 부피의 영향만 받게 되기 때문에 상태변화 시 밀도는 고체 > 액체 > 기체 순으로 밀도가 감소한다. 일반적으로 액체 상태에서 분자들은 약간의 거리를 가지고 나름대로 자유롭게 움직인다. 그런데 온도가 녹는점보다 낮아지면 분자 운동이 둔해지고 분자 사이 거리가 가까워져 분자 간 인력이 커져 고체 상태가 된다. 그래서 일반적으로 액체 물질이 고체로 변할 때는 부피가 감소하므로 밀도는 커지게 된다.

하지만 예외도 있으니....

 

 

물의 부피와 밀도 변화

물은 일반적인 물질들과 달리 얼어서 얼음이 되면 부피가 커지고 밀도가 작아진다. 이는 물은 다른 물질과는 달리 고체(얼음)이 되면 좀 특수한 형태를 띄기 때문이다.

 

물 분자다.

 

그림처럼 물 분자는 부분적으로 (+)전하와 (-) 전하를 띠면서 굽은형 구조를 하고 있다. 이러한 전기적인 특성으로 인하여 물 분자끼리는 수소결합이 형성된다. 액체상태에서 물 분자 중의 일부는 수소 결합을 이루어 모여있고 일부는 따로 놀고 있다.

 

 

물의 구조

위 그림처럼 일부는 수소 결합으로 응집해 있고, 일부는 따로 놀고 있다. 그런데 온도가 낮아질수록 물 분자의 분자 운동이 약해지게 된다. 따라서 따로 노는 물 분자의 수는 줄어들게 될 것이고 결국 모든 물 분자들이 수소 결합에 참여하게 된다. 이때 물 분자들은 수소 결합하여 육각 고리 모양의 결정을 이뤄서 빈 공간이 생긴다. 이 빈 공간 때문에 얼음의 부피는 증가하게 되는 것이다.

 

 

얼음의 구조

위 그림처럼 육각고리 모양의 결정을 이룸으로써 생기는 빈 공간이 얼음의 부피를 증가시키게 되는 것이다.

그리고 얼음이 녹아 물이 되면 육각 고리 모양을 이루는 수소결합의 일부가 깨짐으로써 빈 공간이 줄어들게 되어 부피가 감소하게 된다.

 

 

물과 얼음의 부피 및 밀도변화로 인하여 나타나는 현상 및 예시

① 빙산

출처 : https://nownews.seoul.co.kr/ 

빙산이 바닷물 위에 떠 있는 것이 대표적인 예다. 빙산은 얼음이다. 얼음의 밀도가 작기 때문에 물 위에 떠 있는 것이 가능하다. 여담으로 빙하가 점점 녹고 있다고 한다. 큰일이다.

 

② 겨울에 잘 터지는 수도관 파이프

물이 얼어 얼음이 되면 부피가 증가하게 되서 물이 흐르는 수도관이 터지게 된다. 수도관이 동파하여 단수한다는 소식 등은 겨울철에 심심치 않게 들을 수 있다.

 

③ 물로 바위 깨기

바위 틈으로 스며들어간 물이 겨울에 얼면 부피가 증가하여 바위를 쪼갤 수 있다. 이는 옛날부터 이용했던 방법이었는지 水滴穿石(수적천석)이라는 사자성어도 존재하는데 물방울이 바위를 뚫는다는 뜻으로, 작은 노력이라도 끈기 있게 계속하면 큰 일을 이룰 수 있다는 뜻이다. 하여튼 조상님들 똑똑하다.

 

④ 강 표면부터 얼음이 어는 현상

겨울철에는 물 표면의 온도가 차가운 공기와 접하면서 4℃까지 낮아질 때까지는 표면 쪽의 물의 밀도가 커져 밀도 차이에 의한 대류가 일어난다. 물 표면 온도가 4℃이하로 내려가면 표면 쪽의 물의 밀도가 아래쪽의 물의 밀도보다 작아져서 더 이상 대류는 일어나지 않게 된다. 따라서 표면의 온도가 그대로 0℃까지 내려가 표면부터 물이 얼게 되는 것이다.

아주 중요한 내용으로 이러한 특성 덕에 추운 겨울에도 물속에서 물고기가 살아남을 수 있는 것이다. 만약 강 표면부터 얼지 않고 밑바닥부터 물이 얼게 된다면 수많은 물에 사는 생물들이 얼어 죽었을 것이다.