자연과학) 얼음의 17가지 얼굴

얼음에도 종류가 있다는 것, 알고 계셨나요? 저는 이걸 얼음의 17가지 얼굴이라고 표현하고 싶습니다. 

 

사실 저는 처음 알았습니다. 겨울철 얼음을 보며 정보를 찾아 보고 있는데, 얼음에도 종류가 있다고 합니다. 얼음의 상(phase)이 17가지나 있다고 합니다.

 

우선 얼음은 무엇인가부터 다시 생각해볼까요. 다들 아시다시피, 얼음은 액체인 물이 얼어서 고체가 된 상태입니다. 영어로는 Ice, 한자로는 수빙(水氷), 눈에서 생긴 얼음은 雪氷)이라고 합니다.

 

우리가 흔히 얼음이라고 하는 것은 얼음 1h(Ice Ih,Ice 1h)를 말합니다. 얼음 단계 1(ice-phase-one)이라고 읽습니다. 얼음 1h는 0℃ ~ 약-200℃ 그리고 0기압 ~ 210MPa의 범위에서 존재할 수 있다고 합니다.

 

생물권에서 거의 모든 얼음은 얼음 1h 단계라고 합니다. 생물권은 무엇일까요?　익숙하면서도 낯선 이 개념은 지구상의 모든 기권인 대류권부터, 수권, 암권의 표면을 포함한 생태계를 총괄하는 말입니다. 생물권(生物圈, biosphere, ecosphere)은 지구상의 생명체 영역이라고 할 수 있습니다.

 

현재 알려진 바로는 17가지 종류의 서로 다른 상이 존재한다고 합니다. 우리가 지구상에서 보는 얼음은 얼음1h입니다. 이 얼음들은 투명하거나 공기 등의 불순물이 섞여 약간 푸르스름한 흰 빛을 띱니다. 물은 1기압인 조건에서 0°C(273.15K, 32 °F)에 얼어서 얼음1h의 얼음이 됩니다.

 

얼음이 꼭 물이 얼어서 되는 것은 아닙니다. 액체 상태를 거치지 않고 수중기에서 바로 얼음이 될 수도 있습니다.

 

물을 얼렸을 때, 팽창해서 담아둔 통이 깨지거나 뚜껑이 열리는 경우 겪어보셨을 겁니다. 얼음은 물보다 밀도가 약간 작습니다. 1기압에서 언 얼음은 액체 상태의 물보다 8% 가량 밀도가 작다고 합니다. 물은 0°C에서 0.9998 g/cm³정도의 밀도를 지니는 데 반해, 얼음은 동일한 온도에서 0.9167g/cm³정도의 밀도를 지닙니다. 물은 얼어 고체가 될 때 부피가 늘어나는 유일한 비금속입니다. 현재까지 알려진 바에 따르면 말이죠.

 

물은 4°C에서 밀도가 가장 큽니다. 1.00 g/cm³가량입니다. 이러한 이유는 물 분자 간에 수소결합이 형성되기 때문이라고 합니다. 물이 얼게 될 때, 분자가 비효율적으로 나열되게 되고 그로 인해 밀도는 작아지게 됩다고 합니다. 즉 부피가 늘어나는 것이죠.

 

이제 얼음의 상(Phase)의 종류를 알아볼까요. 2010년 기준으로 얼음의 상(Phase)은 17가지가 알려져 있다고 합니다. 크게 비결정형 얼음과 결정형 얼음으로 나눈다고 합니다.

 

일상에서 볼 수 있는 얼음과 눈은 모두 육방정계입니다. 이 얼음이 얼음1h(Ice Ih,Ice 1h) 또는 얼음 단계1(ice-phase-one)입니다. 육방정계는 정육각형을 밑면으로 하는 프리즘과 같은 모양입니다. 육방정계는 마그네슘, 탈륨, 아연 등 몇몇 금속이 육방정 구조를 갖습니다.

 

육방정계는 육방정(六方晶, Hexagonal Close-Packed, HCP)이라고도 합니다. 결정의 기하학적인 특징과 광학적인 성격, 물리적 성질, 화학적 성질 등을 연구하는 학문인 결정학(結晶学, crystallography)에서 또는 육방정계란 결정학에서 3개의 벡터로 묘사되는 7 결정계 중의 하나라고 합니다. 결정(結晶, crystal, crystalline solid)은 원자의 배열이 공간적으로 반복된 패턴을 가지는 물질입니다. 액체를 냉각시키면 분자들의 운동이 느려지다가 마침내 어떤 온도 이하에서는 분자들이 일정한 배열을 이루게 되고 자유로이 돌아다닐 수 없게 됩니다. 이런 분자(또는 원자)들의 규칙적인 배열의 결과로 평면들로 둘러싸인 모양을 가지게 된 균일한 물질을 결정이라고 합니다. 결정계(結晶系)는 공간군(space group)을 그것이 가진 대칭성과 병진 대칭성에 따라 분류한 것입니다.

 

결정 구조에 따라 얼음의 상이 나눠지나봅니다. 몇 가지만 살펴보면 다음과 같습니다.

• 얼음 1h : 육방정계 결정으로, 일상적으로 볼 수 있는 거의 모든 얼음은 여기에 속하고 극히 일부만이 얼음 Ic라고 합니다. 입방정계(立方晶系)는 등축정계(等軸晶系)라고도 합니다. 7 결정계 중 하나로 단위세포가 정육면체 모양이며, 세 결정축이 서로 수직입니다.
• 얼음 Ic : 준안정한 입방정계 결정입니다. 130~150 K 사이의 온도에서 형성되며, 200 K까지는 안정하고 그 이상에서는 얼음 Ih가 됩니다. 대기권 상층에서 종종 발견됩니다.
• 얼음 II :잘 정렬된 삼방정계 결정으로 얼음 Ih를 190~210K에서 압축하면 형성되며, 열을 가하면 얼음 III가 됩니다. 삼방정계(三方晶系, Trigonal crystal system)는 마름모계(Rhombohedral lattice system)라고도 하며, 3개의 벡터로 결정 구조를 기술하는 7 결정계 중의 하나입니다. 삼방정계는 세 개의 벡터의 길이가 모두 같고 각 축이 이루는 각이 모두 직각이 아닌 모양으로 정육면체를 대각선 방향으로 잡아늘린 형태를 하고 있습니다.
• 얼음 III : 정방정계 결정으로, 물을 300MPa의 압력에서 250K로 냉각시키면 형성됩니다. 정방정계(正方晶系)는 결정학에서 3개의 벡터로 묘사되는 7 결정계 중의 하나입니다. 정방정계는 입방정계(정육면체 모양)에서 하나의 격자 벡터를 따라 잡아늘려 정사각형을 밑면으로 하는 직사각기둥의 모양입니다.
• 얼음 IV : 준안정한 삼방정계 결정이며 압력과 온도만을 조절해서는 얻을 수 없습니다.