개요
얼음은 물이 얼어 고체 상태가 된 것을 말한다. 순수한 물은 1기압에서 0°C(273.15 K)에서 얼어 얼음이 된다. 눈에서 생긴 얼음은 설빙(雪氷)이라고도 한다. 흔히 '얼음'이라 하면 지구상에서 압도적으로 많은 비율을 차지하는 얼음 Ih를 가리키며, 현재 알려진 바로는 약 17가지 종류의 서로 다른 상(相)이 존재한다.
물리적 특성
1기압에서 언 얼음의 특수한 성질은 액체 상태인 물보다 약 8%가량 밀도가 작다는 점이다. 물은 4°C에서 약 1.00 g/cm³으로 밀도가 가장 크며, 0°C에서는 약 0.9998 g/cm³의 밀도를 지닌다. 반면 얼음은 동일한 온도(0°C)에서 약 0.9167 g/cm³의 밀도를 지닌다. 이러한 밀도 차이는 물 분자 간의 수소 결합에 기인한다. 물이 얼 때 분자가 육방형 결정 구조를 형성하면서 분자 사이 공간이 넓어져 부피가 증가하며, 이로 인해 얼음은 물보다 밀도가 작아 물 위에 뜬다.
흔히 보이는 얼음은 투명하거나 공기 등의 불순물이 섞여 약간 푸르스름한 흰 빛을 띤다. 수증기가 액체 상태를 거치지 않고 직접 얼어 얼음이 되는 경우도 있다.
얼음의 종류와 상(相)
2010년 기준으로 얼음의 상은 17가지가 알려져 있으며, 크게 비결정형 얼음과 결정형 얼음으로 나눌 수 있다.
- 얼음 Ih: 육방정계 결정으로, 일상적으로 볼 수 있는 거의 모든 얼음이 여기에 속한다.
- 얼음 Ic: 준안정한 입방정계 결정으로, 대기권 상층에서 종종 발견된다.
- 비결정질 얼음: 결정 구조가 존재하지 않는 비결정질 고체로, LDA(저밀도), HDA(고밀도), VHDA(초고밀도)로 나뉜다.
- 얼음 II ~ XV: 특정 압력과 온도 조건에서 형성되는 다양한 결정 구조의 얼음 상들이다. 예를 들어 얼음 III는 물을 300 MPa의 압력에서 250 K로 냉각시키면 형성되며, 얼음 XV는 영하 143°C에서 약 1만 기압(1 GPa)의 압력을 가해 만든다.
- 일반적으로 액체 상태인 화합물의 고체 상태를 얼음이라 부르는 경우도 있으며, 대표적으로 이산화탄소의 고체 상태인 드라이아이스가 있다.
- 최근에는 중밀도비정질얼음(MDA)도 새로 발견되었다.
생태·환경적 의의
얼음이 물보다 밀도가 작아 물 위에 뜨는 현상은 수중 생물이 겨울철에도 생존할 수 있게 하는 중요한 요인이다. 또한 빙하나 혜성, 달과 명왕성 등의 천체 표면 등 자연계에 널리 존재한다.
냉동과 관련된 현상
동물 세포 내의 자유수가 얼어 부피가 증가하면 날카로운 얼음 결정이 세포막과 세포소기관을 파괴할 수 있다. 심한 동상에서 피부괴사가 일어나거나 냉동 고기의 맛이 떨어지는 것은 이러한 세포 구조 파괴에 기인한다. 냉동인간 기술 실현이 어려운 이유 중 하나가 세포 내 자유수를 모두 동결방지제로 교환해야 하기 때문이다. 또한 수도관에 물이 갇힌 채 얼면 얼음의 부피 팽창으로 배관이 파손되는 동파 현상이 발생할 수 있다.
얼음 두께와 지탱 가능 무게
얼음낚시가 가능하려면 최소 20 cm 이상의 얼음 두께가 필요한 것으로 알려져 있다. 얼음 위 통행 안전 기준은 참고 자료와 지역별 상황에 따라 다를 수 있어 주의가 필요하다.
어원
'얼음'은 한국어 고유어로, '얼다'라는 동사에서 파생된 명사형에 해당한다. 물이 고체로 굳는 현상과 그 결과물을 가리키는 우리말 표현으로 오랫동안 사용되어 왔다.
