과학 이야기

하루 3분 과학 · 12화 · 초등 중학년~고학년 · 4분

물이 얼면 왜 가벼워질까

돌을 물에 넣으면 가라앉아요. 쇠구슬도, 유리구슬도 가라앉아요. 굳은 것은 액체보다 무겁다고 믿기 쉬워요. 그런데 얼음 조각을 물컵에 넣어 보면 다르답니다. 얼음은 가라앉지 않고 물 위에 둥둥 떠요.

얼음도 물이 굳은 것인데 왜 가라앉지 않을까요. 같은 물질인데 무게가 달라진 걸까요. 사실 무게가 달라진 게 아니라 부피가 달라진 거예요. 물이 얼면 분자들이 육각형 모양으로 성글게 늘어서거든요.

물 분자는 산소 하나에 수소 둘이 붙은 모양이에요. 액체일 때는 서로 자유롭게 미끄러지며 촘촘히 뭉쳐 있어요. 하지만 얼어서 움직임을 멈추면 분자끼리 정해진 각도로만 붙어요. 그 결과 벌집처럼 빈 공간이 많은 뼈대가 생겨요.

겨울에 보는 눈송이가 대부분 육각형인 것도 같은 원리예요. 물 분자가 얼며 만드는 각도가 늘 육각형을 그리기 때문이에요. 눈송이마다 모양이 다른 것은 얼 때 온도와 습도가 저마다 달랐기 때문이랍니다.

빈 공간이 생기면 같은 양의 물인데도 부피가 늘어나요. 무게는 그대로인데 차지하는 자리만 커지는 거예요. 부피가 커지면 밀도는 낮아져요. 밀도가 낮은 얼음은 밀도가 더 높은 물 위로 떠오르는 거고요.

이 팽창은 생활에서도 확인할 수 있어요. 물병을 가득 채워 얼리면 부피가 늘어나며 병이 부풀거나 갈라지거든요. 대부분의 다른 물질은 이렇지 않아요. 촛농은 굳으면 오히려 촘촘해져 가라앉고, 식용유도 얼면 가라앉아요.

물은 이 흔한 규칙에서 벗어난 몇 안 되는 물질 가운데 하나예요. 규소나 비스무트 정도만 비슷한 성질을 보인답니다. 사실 물은 얼기 전부터 남다른데요. 섭씨 4도 부근에서 가장 촘촘하고 무거워요.

그보다 더 식으면 오히려 다시 성겨져서 가벼워져요. 그래서 차가운 물은 가라앉지 않고 위로 뜨는 거예요. 이 덕분에 호수 바닥은 한겨울에도 섭씨 4도 부근을 유지해요. 물고기가 겨울을 나는 또 하나의 이유랍니다.

만약 얼음이 물보다 무거웠다면 어떻게 됐을까요. 겨울에 호수는 표면이 아니라 바닥부터 얼어붙었을 거예요. 바닥부터 언 얼음은 계속 쌓여 결국 호수 전체가 꽁꽁 언 덩어리가 되었을 거고요. 물고기는 겨울을 나지 못했을 거예요.

극지방 바다도 마찬가지예요. 바다 밑바닥부터 얼었다면 물범과 물고기가 머물 물속 공간이 아예 없었을 거예요. 실제로는 얼음이 가벼워서 표면에만 떠요. 이 얼음판이 뚜껑처럼 덮여 아래쪽 물을 찬 공기로부터 막아 줘요.

그 덕분에 얼음 아래 물은 영상에 가까운 온도를 유지해요. 5화에서 다룬 부력이 여기서도 그대로 작동하는 거랍니다.

물이 이런 예외적인 물질이 아니었다면 지구의 겨울은 지금과 같았을까요. 호수와 바다 속 생명도 지금처럼 겨울을 났을까요.