설마 이게 궁금하신 건 아니겠지요?
“물은 왜 하필 0도에서 얼고 100도에서 끓을까?”라는 의문을 가지신 분이 설마 있을까요? 만약 계시다면 제대로 낚이셨습니다. 물이 어는 온도를 측정해 그 지점을 ‘0’이라 부르고 끓는점을 100도로 하기로 약속한 것이니까요.
1742년 스웨덴의 천문학자 안데르스 셀시우스는 물의 어는점과 끓는점을 기준으로 하는 온도 단위를 만들었습니다. 즉, “왜 1미터 막대기는 길이가 1미터일까?”라는 질문이 성립하지 않듯, 0도는 물이 얼기 때문에 0도인 것입니다. (흥미롭게도 셀시우스가 처음 만든 온도계는 끓는점이 0도, 어는점이 100도로 지금과는 거꾸로였습니다.) 하지만 이 ‘약속’을 걷어내고 들여다본 물의 실체는, 우리가 생각하는 것보다 훨씬 더 기묘하고 신비롭습니다.
화학자들 사이에서 물은 종종 "가장 이상한 물질"로 불립니다. 농담이 아닙니다. 물의 성질을 하나씩 보다 보면, 이 물질이 이렇게 흔하다는 게 오히려 이상하게 느껴질 정도입니다.
대부분의 물질은 액체에서 고체가 되면 분자들이 촘촘하게 배열되면서 밀도가 높아집니다. 하지만 물은 다릅니다. 얼음은 물보다 가볍습니다. 그래서 얼음이 물 위에 뜨는 겁니다. 물 분자는 온도가 낮아져 고체가 될 때 ‘육각형 그물망’ 구조를 형성합니다. 이 구조는 분자 사이에 빈 공간을 만들고, 결과적으로 부피가 늘어나 밀도를 낮춥니다. 그러니까 같은 무게의 얼음은 물보다 부피가 크고, 밀도는 낮습니다.
만약 얼음이 물보다 무거워 바닥부터 얼어붙었다면? 겨울에 강이나 호수가 통째로 바닥부터 얼어버렸을 겁니다. 그렇게 되면 물속에 사는 생물들은 살아남기 어렵겠죠. 얼음이 물 위에 뜨기 때문에, 표면만 얼어 물속은 액체 상태를 유지합니다. 지구의 물고기들이 겨울을 날 수 있는 이유가 바로 이겁니다.
여기서 한 가지 더. 물이 가장 밀도가 높은 온도, 그러니까 같은 부피일 때 가장 무거운 온도는 몇 도일까요? 0도가 아닙니다. 4도입니다.
0도에서 100도 사이를 생각해 보면, 보통 온도가 낮을수록 밀도가 높아질 것 같지만 물은 그렇지 않습니다. 4도까지는 온도가 낮아질수록 밀도가 높아지다가, 4도 아래로 내려가면 오히려 밀도가 낮아집니다. 그래서 4도짜리 물이 제일 바닥으로 가라앉고, 더 차거나 더 따뜻한 물은 위에 뜹니다.
겨울 호수를 생각해 보면 이게 꽤 멋진 사실입니다. 표면의 물이 차가워지면 아래로 가라앉고, 깊은 곳의 따뜻한 물이 올라옵니다. 이 대류 현상이 계속되다가 4도가 되면 더 이상 가라앉지 않습니다. 그 아래부터는 가벼운 물이 위에 모이고, 결국 표면이 얼어붙습니다. 깊은 곳은 4도 언저리에서 안정적으로 유지됩니다. 겨울 내내 물고기들이 버틸 수 있는 이유입니다.
물을 "만능 용매(universal solvent)"라고 부르기도 합니다. 소금도, 설탕도, 알코올도, 산소도 녹습니다. 우리 몸속 혈액의 대부분이 물인 것도 이 때문입니다. 각종 영양소와 산소를 녹여서 온몸으로 운반하려면 뭐든 잘 녹이는 용매가 필요하거든요.
왜 물은 이렇게 잘 녹일까요? 물 분자는 전기적으로 한쪽이 살짝 플러스(+), 다른 쪽이 살짝 마이너스(-) 성질을 띱니다. 이걸 '극성'이라고 합니다. 플러스와 마이너스가 서로를 끌어당기듯, 물 분자는 다른 물질의 이온이나 극성 분자를 잡아당겨서 둘러쌉니다. 그렇게 녹이는 겁니다.
소금(NaCl)을 물에 넣으면, 물 분자들이 소금의 나트륨 이온(Na⁺)과 염소 이온(Cl⁻)을 하나하나 떼어내서 감싸버립니다. 마치 사람들이 연예인을 에워싸듯이요. 그렇게 소금 결정이 흩어지면서 녹는 겁니다. 물론 기름처럼 극성이 없는 물질은 물에 잘 녹지 않습니다. "물과 기름은 섞이지 않는다"는 말이 괜히 나온 게 아닙니다.
물은 데우거나 식히기가 어렵습니다. 정확히 말하면, 같은 양의 열로 온도를 올리는 데 다른 물질보다 훨씬 많은 에너지가 필요합니다. 이걸 '비열이 크다'라고 합니다.
이게 지구 기후에 엄청난 영향을 줍니다. 바다가 있어서 지구 온도가 쉽게 오르내리지 않는 겁니다. 낮 동안 태양열을 흡수해도 온도가 크게 안 오르고, 밤에 열을 내보내도 온도가 크게 안 내려갑니다. 바다가 거대한 온도 완충제 역할을 하는 셈이죠. 반면 물이 없는 사막은 낮에 50도, 밤에 0도까지 내려가기도 합니다. 모래의 비열이 물보다 훨씬 작기 때문입니다.
물이 이렇게 특이한 건 결국 분자 구조 때문입니다. 산소 원자 하나에 수소 원자 두 개가 약 104도 각도로 붙어 있는 구조, 그리고 그로 인한 전기적 불균형. 이 단순한 구조 하나가 얼음이 물 위에 뜨게 하고, 4도에서 밀도가 최대가 되게 하고, 온갖 것을 녹이게 하고, 지구 기후를 안정시킵니다. 어쩌면 지구에 생명이 존재할 수 있는 가장 중요한 이유 중 하나는, 물이 이렇게 이상한 물질이기 때문일지도 모릅니다.
그러니까 "물은 왜 0도에서 얼어요?"라는 질문으로 돌아오면 — 맞아요, 그건 우리가 그렇게 정의한 거예요. 하지만 그 이후에 펼쳐지는 물의 이야기는, 정의나 약속과는 전혀 다른 차원의 신기함입니다.
저 역시 문과생이지만 수학과 과학에 관심이 많습니다. 독자 여러분과 함께 이과의 세계를 훔쳐보고 싶습니다. 궁금하신 내용이 있으면 언제든 댓글을 달아 주세요. 함께 이과생들의 머릿속을 들여다볼 준비가 되어 있으니까요.