얼음은 왜 뜰까?

고체는 가라 앉는데 ...

고체를 액체에 넣으면 가라앉는다.

물은 수소 H 와 산소 O 가 결합한 물 H2O 분자로 구성되어 있다. 수소는 우주에서 가장 많은 원소이고, 산소는 지구의 지각 속에서 가장 많은 원소이므로 물은 천지에 가장 평범한 물질이라고도  할 수 있다. 그래서인가? 고체인 얼음이 물에 둥둥 떠 있어도 이상하다고 느끼지 않는다.

일반적으로 같은 물질의 액체와 고체라면 고체가 액체보다 밀도가 더 높다.  

그러나 ... 얼음은 물에 뜬다.

물의 특이한 성질이 궁금해진다.

물과 얼음의 특이성

물의 고체인 얼음이 액체인 물에 뜬다.

얼음의 밀도는 0도에서 0.9168g/cm3 인데, 얼음이 녹으면 약 10% 정도 부피가 줄어 0도에서 0.9998g/cm3인 물이 된다. 온도가 올라가면 3.98도에서 물의 밀도는 최대치인 0.999973g/cm3 이 된다. 이보다 온도가 올라가면 물의 밀도는 점점 작아지다가 물이 끓는 100도가 되면 0.9584g/cm3이 되는데 이 경우에도. 물의 밀도는 얼음에 비해 5%나 크다.

같은 물질 고체의 밀도가 액체보다 작은 물질은 물 뿐만은 아니다. 게르마늄, 비스무트, 규소 등도 고체의 밀도가 액체보다 작은 물질들이다.

추운 겨울 수도관이 얼어 터지는 이유는 물이 얼음이 될때 부피가 증가하기 때문이다.  이러한 물의 특이성 때문에 나무는 겨울이 오기 전에 수액을 비워 얼어 터지는 것에 대비한다. 연못이나 호수의 물고기들은 물의 특이성때문에 겨울을 안전하게 보낸다. 물 표면의 온도가 4도로 차가워지면 물의 밀도가 커져 밀도가 커진 물은 가라 앉는다. 밀도가 가장 큰 4도의 물은 바닥으로 가라앉고 0도에 가까운 물은 표면으로 올라온다. 기온이 더 떨어지면 표면부터 얼음이 되어간다. 얼음은 물보다 밀도가 작아 가라 앉지 않고 표면에 떠서 얼음층을 만들어 물 속의 방패가 되어 준다, 차가운 얼음이 단열재가 되는 순간이다,

물과 얼음의 다양성

미국 하버드대학의 물리학자 퍼시 브리지먼 Percy Williams Bridgman 1882-1961 은 고압 연구로 1946년에 노벨 물리학상을 받았다. 브리지먼은 고압 발생 장치를 고안해서 물을 실온 상태에서 1만 기압 부근에서 만들어지는 얼음을 만들었다. 이 얼음이 얼음 Vl다. 2만 기압 부근에서 만들어지는 얼음은 얼음Vll 이다. 이런 고압 얼음은 밀도가 1g/cm3 보다 큰 얼음이다. 즉 물에 가라앉는 얼음이다. 현재는 다양한 얼음이 만들어지고 있다. 2009년 초고압에서 만든 얼음XV는 온도가 수백도나 된다,