얼음은 왜 물에 뜰까?

얼음이 물에 뜨는 이유는 이 우주에서 가장 신비한 결합 형태 중 하나인 수소결합 때문이다.


수소결합은 대표적으로 우리 인체의 DNA의 결합 구조이며, 없어서는 안될 물의 결합구조이기도 하다.

수소결합은 수소가 3가지 원소와 결합해 만들어지는 분자 간에 작용하는 결합력을 일컫는다. 수소와 산소, 수소와 질소, 수소와 불소(플루오린)로 만들어진 분자들이 서로 결합하는 것을 수소결합이라고 하며 그 힘은 다른 분자간 결합보다 강하다.

2개의 수소(H2)와 1개의 산소(O)가 결합해 물 분자 1개(H2O)가 만들어지는데, 이 때는 수소와 산소가 전자를 함께 쓰는 공유결합을 해 하나의 물 분자를 만든다.

이렇게 만들어진 물분자와 물분자가 뭉쳐져 많은 양의 물이 되는데, 이 분자간 결합을 수소결합이라고 한다. 이 수소결합(산소, 질소, 불소와의 결합)은 공유결합보다는 10분의 1로 약하지만 다른 원소와 수소가 결합한 수소화합물 분자간 결합보다는 강하다.


공유결합한 물분자 하나를 수소와 산소로 분리하려면 물을 전기분해하는 충격을 가해야 하지만, 물분자와 물분자를 분리하는 것은 물을 잔에 따르기만 하면 중력에 의해 물분자가 분리된다.

물분자 속 산소는 전기적으로 마이너스(-)를, 수소는 플러스(+) 전하를 띠면서 물은 중성이 되는데, 이 물분자끼리 가까이 있으면 서로 다른 극성인 산소와 수소가 서로 당기기도 하고 같은 극성끼리는 밀어내기도 한다. 그래서 물은 자연스럽게 붙기도 하고, 흘려가듯이 떨어지기도 한다.

이런 수소와 산소의 수소결합에는 물 외에도 술의 원료인 알콜이 있다. 수소와 질소의 결합인 암모니아(NH3), 수소와 불소(플루오린)의 결합인 플루오린화수소(HF)도 수소결합 분자다.


1리터의 물이 얼면 부피가 1.1로 10% 가량 늘어나는데, 이는 물의 수소결합이 육각형 모양으로 정배열하면서 부피가 커지기 때문이다. 액체인 물이 얼음보다 비중이 높아 얼음이 물에 뜨는데, 그 이유는 이런 물의 수소결합 특성 때문이다.

이 같은 수소결합은 우리 생명의 기원에 깊이 관여하고 있다. 생명의 기본 요소인 DNA 나선구조 2가닥 사슬 중간을 연결해주는 염기의 결합이 수소결합이다. 단백질의 아미노산 사슬도 마찬가지다.

우리 몸의 각 부분은 탄소, 질소, 산소 등이 전자기력으로 결합해 있는 형태인데, 그 속의 세포들이나 단백질은 수소결합으로 묶여 있다.

뉴턴 하이라이트 '기적의 물질 물과 수소' 중에서/사진제공=(주)아이뉴턴

이중나선 구조의 DNA의 연결고리 역할을 하는 염기들(아데민, 티민, 구아닌, 시토신)의 결합이 수소결합으로 돼 있다.

이중나선구조의 DNA의 수소결합은 완전히 닫혀있지도, 완전히 열려있지도 않다. 필요한 때 필요한 환경에서 열리거나 닫히면서 단백질을 형성하고, 인간의 유전정보를 복제한다. 이런 수소결합이 인간이 후손들에게 자신의 DNA를 물려주는 데 활용된다.