물

물 water, dihydrogen oxide

물(@@NAMATH_INLINE@@\ce{ H_2 O }@@NAMATH_INLINE@@)은 투명하고 색깔이 없는 화합물이다. 지구상의 물은 무려 14억 톤에 이르지만, 대부분은 소금이 섞여 있는 바닷물이고, 민물은 5%에 불과하다. 더욱이 민물의 80%는 극지방의 빙하로 존재한다. 오늘날 지구상에 살고 있는 78억의 인구 중에서 40%는 물을 쉽게 얻지 못하는 지역에 살고 있다.

표면의 71%가 액체의 물로 덮여있는 지구의 모습 ()

물은 모든 생명체에게 매우 중요한 물질이다. 인체를 구성하는 물질의 약 67%가 물이고, 사람은 하루에 약 2 L 이상의 물을 섭취해야만 한다. 물은 우리에게 필요한 영양소는 아니지만, 생리 작용에 중요한 역할을 한다.

공기 중의 수증기는 대기의 순환에 의한 기상 현상을 일으키고, 바다, 강, 호수의 물은 수중 생물에게 삶의 터전이 된다. 물은 교통, 수송, 수상 스포츠 등의 수단을 제공해주기도 하고, 산업적으로도 매우 중요하게 활용된다.

목차

물은 산소 원자 한 개에 두 개의 수소 원자가 104.5도의 각도를 가진 공유 결합으로 연결된 H₂O라는 삼원자 분자다. 상온(298 K)에서 순수한 산소와 수소에서 액체의 물이 만들어질 때의 생성 깁스 에너지는 -237.13 kJ mol^-1이다. 그러나 실제로 산소와 수소가 결합해서 물이 만들어지는 반응은 속도가 매우 느리기 때문에 물을 만들기 위해서는 전기 스파크를 일으키거나, 백금과 같은 금속 촉매를 넣어주어야 한다.

물 분자의 구조 ()

한편, O(산소)는 전기음성도(electronegativity)가 크고, H(수소)는 전기음성도가 매우 작기 때문에 산소와 수소 사이의 공유 결합은 극성이 되고, 액체의 물은 강한 극성을 가진 용매로 사용된다.

물 분자는 가시광선은 흡수하지 않기 때문에 무색 투명하게 보인다. 물 분자는 굽힘 진동(1595 cm^-1), 대칭 신축(3657 cm^-1), 반대칭 신축(3756 cm^-1)의 세 가지 기준 진동 형태를 가지고 있어서, 적외선 스펙트럼에서는 강하고 넓은 흡수선이 나타난다. 전자 레인지는 물의 회전 운동을 들뜨게 만드는 마이크로파(2.45 GHz)를 이용해서 음식물을 익게 만든다.

물은 1기압에서 녹는점이 섭씨 0도이고, 끓는점이 섭씨 100도이기 때문에 상온에서는 액체의 물로 존재한다. 물의 녹는점과 끓는점이 화학적으로 비슷한 구조를 가진 @@NAMATH_INLINE@@\ce{ H2S }@@NAMATH_INLINE@@, @@NAMATH_INLINE@@\ce{ H2Se }@@NAMATH_INLINE@@, @@NAMATH_INLINE@@\ce{ H2Te }@@NAMATH_INLINE@@ 보다 유난히 높은 것은 분자들 사이에 강한 인력이 작용하기 때문이다.

물의 상도표(phase diagram) ()

상당한 크기의 전기 쌍극자 모멘트(1.8 D)를 가진 물 분자들 사이에는 서로 끌어당기는 인력이 작용한다. 부분적인 양전하를 가진 수소 원자는 크기가 매우 작기 때문에 인접한 물 분자에서 음전하를 가진 산소 원자에 가까이 접근할 수 있어서 "수소 결합"(hydrogen bond)이 만들어진다. 수소 결합은 그 세기가 40 kJ mol^-1 정도로 보통의 공유 결합 세기의 절반 정도에 해당한다.

물은 분자들 사이의 비교적 강한 수소 결합 때문에 여러 가지 특이한 물리적 성질을 갖는다

액체 상태로 존재하는 물의 열용량은 75 J mol^-1 (1 cal/g)으로, 고전 열역학적으로 예상되는 열용량 6R = 50 J mol^-1보다 월등하게 큰 값을 갖는다. 그래서 쉽게 가열하거나 냉각시키기 어려운 물은 가정용 난방이나 산업용의 열매 또는 냉매로 유용하다.

냉각수가 증발하는 모습 ()

액체의 물을 기체로 증발시키기 위해서는 다른 물질보다 훨씬 더 많은 양의 열(40 kJ mol-1)을 가해주어야만 한다. 온혈 동물은 더운 여름날에 피부나 혀를 통해서 수분을 증발시켜서 체온의 상승을 막는다. 강, 호수, 바닷물이 증발할 때도 대기로부터 상당한 양의 열을 흡수해서 기상 변화에 큰 영향을 미치게 된다.

액체의 물은 표면 장력과 점성도가 대단히 크기 때문에 물 방울은 공 모양이 된다. 계면 활성제를 넣어주면 물의 표면 장력이 크게 줄어들어서 비누 방울이 만들어진다.

물 분자들은 강한 극성 때문에 유리에 잘 달라붙는 특성이 있다. 그래서 물을 가는 유리관에 넣으면 물의 경계면이 아래로 오목한 모양을 갖게 되고, 가는 모세관을 따라 올라가는 모세관 효과를 나타낸다. 반대로 액체 상태의 수은은 극성이 없어서 유리 표면에 달라붙지 않고, 그 경계면이 위로 볼록한 모양을 갖는다.

얼음, 물, 수증기가 평형을 이루고 있는 물의 삼중점은 273.16 K와 0.006 기압이다. 따라서 0.006 기압 이상의 압력에서는 얼음이 곧바로 기체가 되는 승화 현상이 나타나지 않는다. 그러나 공기 중에서와 같이 열린 상태에서는 1 기압에서도 얼음이 곧바로 수증기로 변하는 승화 현상을 관찰할 수 있다. 추운 겨울날 얼어붙은 빨래가 마르는 것과, 추운 겨울에 대관령 정상의 덕장에서 명태를 말릴 수 있는 것은 바로 그런 승화 현상을 이용한 냉동 건조법 덕분이다.

명태 덕장에서 승화에 의해 명태를 말리는 모습 (출처: 게티이미지코리아)

고체의 밀도가 액체보다 더 큰 것이 일반적이다. 그러나 액체의 물에서는 분자들의 열 운동 때문에 얼음에서의 물 분자들 사이의 빈 공간이 줄어드게 되는 특이한 특성을 나타낸다. 그래서 얼음의 밀도는 대략 0.92 g/mL로 대략 0.99 g/mL 정도인 액체의 밀도보다 더 작다. 특히 액체 상태에 있는 물의 밀도는 섭씨 4도에서 0.99997 g/mL로 최대가 된다. 겨울에 수도 파이프와 장독이 얼어터지고, 빙산이 바다에 떠다니고, 강이나 호수의 물이 위에서부터 얼기 시작하는 것도 그런 이유 때문이다.

얼음에서 물 분자의 배열 ()

압력에 따른 물의 어는점의 변화도 독특하다. 일반적으로 압력이 높아지면 분자들 사이의 거리가 가까워지면서 인력이 커지기 때문에 녹는점이 올라간다. 그러나 물의 경우에는 압력이 높아지면 수소 결합 때문에 물 분자들 사이에 더 많은 공간이 생기기 때문에 녹는점이 오히려 낮아진다. 실제로 얼음의 녹는점은 압력이 1기압 올라갈 때마다 0.01도씩 낮아진다.

물 분자의 강한 쌍극자 모멘트는 물의 전기적 성질에도 영향을 미친다. 물 분자들은 외부에서 가해준 전기장에 따라 규칙적으로 배열함으로써 외부 전기장의 효과를 감소시키기 때문에 유전 상수가 매우 큰 특징을 가진다.

물에 소량의 다른 용질을 녹이면 끓는점이 올라간다. 용질이 녹아있는 수용액의 엔트로피가 순수한 물의 경우보다 더 증가해서 열역학적으로 더 안정화되기 때문이다. 수용액의 끓는점이 올라가는 정도는 용질의 종류에는 상관이 없고, 용질 분자의 수에만 비례하는 총괄성(colligative properties)의 특성을 갖는다. 총괄성으로는 이밖에도 수용액의 증기압 내림, 어는점 내림, 그리고 삼투압이 있다.

수용액의 총괄성은 실생활에도 활용된다. 겨울에 소금이 많이 녹아있는 간장이 쉽게 얼지 않는 것과 에틸렌 글리콜과 같은 부동액을 넣은 자동차용 냉각수가 얼지 않는 것도 같은 이유 때문이다. 그러나 바닷물의 소금 농도는 약 5% 정도이기 때문에 소금에 의한 어는점 내림은 1도를 넘지 못한다. 따라서 겨울에 바닷물이 얼지 않는 것은 바다의 수심이 깊고, 파도에 의해서 발생하는 심한 대류 때문이다.

물은 다양한 화학 반응을 일으키는 매질의 역할을 하기 때문에 "만능 용매"라고 부르기도 한다. 다양한 종류의 물질을 녹여주는 물은 다양한 화학 반응이 효율적으로 일어날 수 있는 화학적 환경을 제공해준다. 실제로 녹말 가루에 탄산수소 소듐(중조)과 그 산성염을 혼합한 베이킹 파우더는 반응을 하지 않지만, 물을 넣어주면 반응이 일어나면서 이산화 탄소가 발생한다. 생명체에서 필요한 구성 물질을 흡수하거나 만들어내고, 필요한 에너지를 생성하고, 노폐물을 처리하는 과정에서 수없이 다양한 화학 반응이 원활하게 일어날 수 있도록 만들어주는 것이 바로 물을 주성분으로 하는 세포액이다.

물의 독특한 화학적 특성은 실생활에도 많이 사용된다. 음식물을 깨끗하고, 쉽게 소화될 수 있는 형태로 조리하는 과정에서도 물을 이용한다. 단단하게 뭉쳐진 녹말로 된 쌀은 소화시키기 어렵다. 그러나 쌀을 물에 넣어서 높은 온도로 가열하면, 녹말 분자들 사이에 물 분자들이 스며들어서 뭉쳐진 녹말이 풀어지면서 부드러운 수화젤(hydrogel)의 형태가 된다. 밥을 할 때 뜸을 들이는 이유도 물 분자들이 단단하게 뭉쳐진 녹말 분자들 사이로 스며들어가는 데에 상당한 시간이 필요하기 때문이다.

물은 전자를 주고받는 산화-환원 반응에서 생성되는 전하를 가진 이온들을 안정화시켜 줌으로써 산화-환원 반응을 촉진시켜 주는 역할도 한다. 물 속에서 일어나는 산화-환원 반응에서 전달되는 전자를 두 개의 금속 전극을 통해서 도선을 따라 흐르도록 만든 것이 바로 18세기 볼타에 의해서 처음 개발되었던 화학 전지다. 화학 전지는 오늘날 휴대용 전화기를 비롯한 모든 전자 제품을 작동하게 만들어주는 에너지원으로 활용되고 있다.

액체 상태에서 인접한 물 분자와 수소 결합을 이룬 상태에서 열 에너지에 의해 진동 운동을 하고 있는 물 분자 1백억 개 중의 하나는 본래 가지고 있는 수소를 옆에 있는 물 분자에 빼앗겨서 수산화 이온(@@NAMATH_INLINE@@\ce{ OH^- }@@NAMATH_INLINE@@)과 하이드로늄 이온(@@NAMATH_INLINE@@\ce{ H_3O^+ }@@NAMATH_INLINE@@)으로 이온화 된 상태로 존재한다. 그런 자동 이온화 반응에 의해서 상온의 물에는 @@NAMATH_INLINE@@1.0\times10^{-7}@@NAMATH_INLINE@@ M의 @@NAMATH_INLINE@@\ce{ H_3O^+ }@@NAMATH_INLINE@@와 @@NAMATH_INLINE@@\ce{ OH^- }@@NAMATH_INLINE@@ 이온이 존재하게 된다.

물 속에 존재하는 하이드로늄 이온의 양은 염산이나 황산과 같은 산(酸)이나, 수산화 소듐과 같은 염기(鹽基)에 의해서 크게 달라진다. 그래서 물 속의 하이드로늄 이온의 농도는 로그를 이용한 pH = -log[@@NAMATH_INLINE@@\ce{ H_3O^+ }@@NAMATH_INLINE@@]로 나타낸다. 순수한 물의 pH는 7이고, 산을 녹이면 pH가 줄어들고, 염기를 녹이면 pH가 증가하게 된다. 물 속에서 일어나는 화학 반응의 정도와 속도는 pH에 따라서 크게 달라진다. 그래서 우리 몸은 체액의 pH를 일정하게 유지시키는 완충 작용을 할 수 있는 여러 가지 화학적 수단을 활용하고 있다. 만약 혈액의 pH가 7.4에서 조금만 달라져도 생명이 위험스럽게 된다.

물은 쉽게 오염이 되고, 오염된 물을 다시 깨끗하게 만들기 어렵다. 칼슘과 같은 이온이 많이 녹아있으면 비누가 잘 풀리지 않는 센물이 되어서 식용이나 산업용으로도 사용하기 어렵게 된다. 물은 미생물에게도 좋은 서식처가 되어서 콜레라와 같은 수인성 전염병을 옮기는 역할을 하기도 한다. 보건-의료 기술의 획기적인 발전에도 불구하고, 오늘날 지구상에는 2억 5천만명의 사람들이 수인성 전염병으로 고통을 받고 있다.

염소 소독법을 사용하는 수돗물 ()

오염된 물을 정화하기 위해서는 물에 녹아있는 오염 물질을 고체로 침전시키거나, 분해해서 기체로 만들어야 한다. 물 속에 녹아있는 미생물들은 자외선을 쪼여주거나, 오존과 같은 물질을 이용해서 제거할 수도 있지만, 미생물에게 강한 독성을 가지고 있는 염소 소독법을 사용하는 것이 일반적이다.

대량으로 깨끗한 물을 만들어내는 기술은 현대의 도시에서 많은 사람들이 함께 모여서 살아가기 위한 필수 기술이다. 소듐이나 포타슘처럼 물에 잘 녹는 알칼리 이온의 경우에는 금속 이온이 잘 달라붙는 이온 교환 수지를 써서 제거하거나, 역삼투압 장치를 사용하기도 한다.