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- 물은 냉각되면 약 4도까지 부피가 감소. 따라서 4도에서 밀도는 가장 높다.
- 이상 현상은 수소 결합을 통한 클러스터가 형성되기 때문
- 물 분자들이 만나면 한 분자의 수소 원자가 다른 분자의 산소 원자에 끌려 배열
- 온도가 4도 이하로 떨어지면 반 데르 발스 힘이 더 작용하지 않아 분자들이 쉽게 분리
- 물고기와 다른 수생 생물들이 겨울에도 연못 바닥에 사는 이유

물은 왜 얼면 부피가 팽창할까?
밀도 이상 현상의 비밀

냉동실에서 터진 병부터 도로 위의 서리 피해까지, 물은 얼면 액체 상태일 때보다 부피가 더 커진다. 대부분 액체와 기체는 다르게 행동한다. 식으면 수축한다. 그런데 물은 왜 이렇게 특이하게 행동할까요? 

▲ 얼음: 물은 얼 때 다른 액체들과는 다르게 행동한다.

물은 다르다

대부분 물질은 가열되면 팽창하고 냉각되면 수축한다. 이러한 현상은 기체에서 특히 두드러지지만 액체와 고체에도 적용된다. 풍선 속 공기가 좋은 예다. 추운 날씨에 창문을 열어 놓으면 풍선이 수축하고, 난방기를 세게 틀면 풍선이 터지기도 한다.

그 이유는 분자에 있다. 물체나 기체가 따뜻해질수록, 즉 에너지가 더 많이 가해질수록 분자의 운동 속도가 빨라진다. 그 결과 분자들이 더 자주, 더 강하게 충돌하게 되고, 더 많은 공간을 필요로 하게 된다. 예를 들어 풍선의 외피에 기체 분자가 가하는 압력이 증가하는 것이다. 같은 압력을 유지하려면 더 큰 부피가 필요하고, 따라서 물질이 팽창하는 것이다.

하지만 물은 다르게 행동한다. 냉각되면 물은 약 4도까지 부피가 감소한다. 이는 예상대로다. 그러나 이 온도 이하에서는 물이 다시 팽창한다. 따라서 물의 밀도는 약 4도에서 가장 높다. 이러한 특성을 물의 밀도 이상 현상이라고 한다.

수소 결합을 통한 클러스터 형성

이러한 이상 현상은 어디에서 오는 것일까? 다시 한번, 분자가 그 원인이다. 물 분자는 두 개의 수소 원자와 하나의 산소 원자로 이루어져 있으며, 화학식은 H₂O이다. 이 원자들은 물 분자 내의 전자들을 서로 다른 강도로 끌어당긴다. 그 결과 수소 원자 주변에는 약간의 양전하가, 산소 원자 주변에는 음전하가 형성된다. 물 분자들이 만나면 한 분자의 수소 원자가 다른 분자의 산소 원자에 끌려 배열되는데, 이를 수소 결합이라고 한다.

이러한 결합 덕분에 액체 상태의 물에서도 분자들이 얼음 결정처럼 규칙적으로 배열된 영역이 존재한다. 이른바 '클러스터'라고 불리는 이 분자들은 고체 결정처럼 단단하지 않다. 특히 고온에서는 매우 빠르게 변화한다. 그러나 물이 식으면서 점점 더 많은 클러스터가 형성되고, 그 지속 시간도 길어진다. 하지만 온도가 낮아질수록 클러스터는 더 많은 공간을 필요로 한다. 약 4도 이하에서는 물이 다시 팽창한다. 0도 이하에서는 결정 전구체가 우세해지고 물은 얼어붙는다.

두 번째 힘이 작용한다.

연구자들은 모델 시뮬레이션을 통해 수소 결합의 온도 의존적 ​​거동의 원인을 밝혀냈다. 수소 결합뿐만 아니라 반 데르 발스 힘도 이러한 특이한 거동에 기여한다. 도마뱀붙이를 벽에 붙들어 두는 힘과 같은 반 데르 발스 힘은 수소 결합의 유연성과 지속 시간에 영향을 미친다. 저온에서는 수소 결합이 가장 강하고, 분자들은 반 데르 발스 힘에 의해 더욱 단단하게 결합된다. 이것이 바로 물이 약 4도에서 가장 밀도가 높은 이유다.

하지만 온도가 4도 이하로 떨어지면 반 데르 발스 힘이 더 작용하지 않아 분자들이 쉽게 분리된다. 따라서 얼어붙은 물은 결정 구조를 가지고 있음에도 불구하고 밀도가 더 낮다. 비엔나 대학교의 크리스토프 델라고(Christoph Dellago)는 "두 가지 모두 수소 결합의 유연성으로 설명할 수 있다"고 말한다. "이는 다시 말해 약한 반 데르 발스 힘의 미묘한 균형의 결과다.“

생명과 자연에 필수적인 요소

물의 밀도 이상 현상은 자연의 많은 과정에 중요하며, 많은 생물에게는 생존에 필수적이다. 얼음은 차가운 물보다 밀도가 낮기 때문에 물 위에 뜬다. 이로 인해 물은 위에서 아래로 얼어붙으며, 섭씨 4도의 가장 밀도가 높은 물이 바닥에 모인다. 이는 예를 들어 정원 연못에 사는 물고기와 다른 수생 생물들이 겨울에도 연못 바닥에 적절한 온도의 액체 상태를 유지하여 얼어붙지 않도록 해준다.

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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