얼음의 밀도가 물보다 낮은 이유와 물의 밀도가 4℃에서 최대인 이유

물질의 상태변화에서 기체가 액체가 되는 액화(liquefaction), 그리고 액체가 고체가 되는 응고(solidification) 과정을 거치게 되면 물질의 밀도는 줄어들게 됩니다. 분자 간의 거리에 따른 인력이 커지게 되는 것인데, 일반적으로 액체에 비해 고체의 분자 결합이 더 가까워서 부피가 줄어들기 때문입니다.

 

참고로, 이 글을 보기 전에 밀도에 대해서는 아래 링크를 먼저 읽어보시면 도움이 될 수 있습니다.

 

2023.12.19 - [과학] - 밀도와 비중의 개념

밀도와 비중의 개념

 

다만, 이러한 상태변화에 따른 밀도 변화에 예외가 있죠. 바로 물입니다. 물은 4℃를 기준으로 온도 변화에 따라 밀도가 작아지게 됩니다. 온도가 낮아지는 경우를 생각해 보면 0℃가 물의 어는점이고, 물질의 상태가 변하더라도 질량은 그대로일 것이므로 밀도가 작아진다는 것은 부피가 커진다는 뜻이 됩니다. 다시 말해 물이 얼음이 되면 액체 상태인 물보다 고체 상태인 물의 부피가 커진다는 것이죠.

 

온도에 따른 물의 밀도, 이미지 출처: e-education.psu.edu

 

불순물이 없는 순수한 물일 경우에 물의 밀도는 1.0000g/㎤인데요, 4℃를 기준으로 온도 변화에 따라 밀도가 작아지는 것을 위의 그래프에서도 볼 수가 있습니다.

 

이는 실제로도 호수나 강과 같은 민물이 얼었을 때 수심에 따른 온도를 측정해 보면 가장 깊은 곳이 4℃를 나타내게 되는 것을 관찰할 수 있습니다. 겨울에 물이 얼기 시작할 때 4℃보다 차가워진 물이 위로 올라가게 되는 것이고, 얼음 역시 물보다 밀보다 높으므로 물 위에 뜨게 되는 거죠. 참고로 여기서 민물이라고 이야기한 이유는 해수의 경우 염분의 농도 때문에 물의 밀도가 다소 높고, 어는점 내림 현상으로 4℃보다 낮은 온도에서 최대 밀도를 나타내는 점 때문입니다. 바닷물이 얼지 않는 것을 생각해보면 됩니다.

 

위에서 액체 상태에서 고체 상태가 되면 분자 간 인력에 의해 부피가 줄어들게 되므로 밀도가 높아진다고 하였는데, 물은 액체 상태일 때보다 고체 상태인 얼음일 때 분자 간 결합이 더 멀리 형성됩니다. 따라서 물은 얼면 부피가 팽창하고 밀도가 낮아집니다.

 

일반적으로 액체가 고체가 되면 부피가 줄어드는데, 물은 부피가 늘어난다.

 

이유는 아래와 같이 수소결합(hydrogen bond)이 형성이 되는데, 액체 상태의 물에서는 수소 결합으로 인해 분자들이 서로 가깝게 배치가 되는 반면에 얼어서 얼음이 되면 수소 결합이 물 분자들이 일정한 결정 형태를 이루면서 (crystal structure) 서로 간의 간격이 멀어지고 분자 사이에 공간이 더 생기게 됩니다.

 

얼음과 물의 수소 결합 및 결정 형태, 이미지 출처: byjus.com

 

여기서 물의 어는점인 0℃부터 4℃까지는 이러한 결정 구조가 점차 액체 상태로 전환이 되면서 분자 사이의 공간이 없어지면서 높은 밀도를 가지게 된다고 생각을 하면 됩니다. 온도가 어는점 이상으로 올라간다고 일시에 결정 구조가 깨지는 것이 아니기 때문입니다. 그리고 4℃ 이상에서는 온도가 높아짐에 따라 온도에 따른 분자의 운동이 활발해지므로 다시 분자 사이의 공간이 넓어지게 되고 밀도가 낮아지게 되는 것이죠.