물

세기

물의 전체 세기(칼슘 세기와 마그네슘 세기의 합)는 탄산염 세기와 비탄산염 세기로 나뉠 수 있다. 암모니아나 유기물 등의 함유량이 적은 물의 중탄산염은 끓이면 불용성 탄산염으로 되어 침전, 제거할 수 있기 때문에, 중탄산칼슘이나 중탄산마그네슘에 의한 세기를 탄산염 세기 또는 일시 세기라고 부른다.

이에 반해서 끓이는 것만으로는 제거되지 않는 다른 염류에 의한 세기를 비탄산염 세기 또는 영구 세기라고 한다.

세기를 나타내는 단위로는 여러 가지가 사용되고 있는데, 100㎎의 물에 포함되어 있는 칼슘 이온과 마그네슘 이온을 당량의 탄산칼슘으로 환산한 ㎎수로 나타내는 프랑스식 세기, 1ℓ 속에 포함되어 있는 칼슘 이온과 마그네슘 이온의 양을 당량의 산화칼슘의 ㎎으로 나타내는 독일식 세기, 1ℓ 속에 포함되어 있는 칼슘 이온과 마그네슘 이온의 양을 ppm단위로 나타내는 미국식 세기가 그것이다.

소량의 무기염류를 함유한 물은 음료수로 이용해도 지장이 없지만, 유기물이 포함되어 있으면 해로운 세균이 번식할 수 있다.

센물

칼슘 이온과 마그네슘 이온을 주로 중탄산염·염화물·황산염 등의 가용성염의 형태로 함유하고 있는 물을 센물이라고 한다.

철(Ⅱ) 이온을 포함하고 있는 것도 있는데, 이것이 산화되어 철(Ⅲ) 이온으로 바뀌면 세탁 후의 직물과 용기 등에 적갈색의 얼룩이 나타난다. 또 칼슘 이온과 마그네슘 이온은 비누의 고급 지방산과 반응해서 난용성의 끈끈한 응고물을 형성하는데, 세탁물에 달라붙어 잘 제거되지도 않는다. 그러나 이러한 현상은 고급 알코올 같이 긴 사슬형 분자로 이루어진 황산에스테르 세제에서는 일어나지 않는다.

센물을 단물로 만들 때 그 양이 많지 않으면 암모니아·붕사·삼인산나트륨과 함께 탄산나트륨을 첨가한다. 그러나 대규모로 하기 위해서는 석회를 충분히 가해 중탄산칼슘을 탄산칼슘으로, 그리고 마그네슘을 수산화물로 만들어 침전시킨 뒤, 많은 양의 탄산나트륨을 가해 잔류 칼슘을 제거한다. 천연 제올라이트나 합성 제올라이트에 센물을 통과시켜 마그네슘·칼슘·철(Ⅱ) 이온을 제거하는 방법도 있다.

센물은 보일러·응축기·열교환기 등의 안쪽 벽에 스케일이라고 불리는 단단한 침전물을 만들어 열효율을 떨어뜨리기 때문에 공업용수로 사용될 때 문제가 있다. 염의 함유율이 보통의 실험실용 증류수와 맞먹는 탈이온수는 이온교환수지를 사용해 만들 수 있다.

표준물질로서의 물

물은 3.98℃에서 최대 밀도를 가지며, 그보다 높거나 낮은 온도에서는 밀도가 작아진다. 3.98℃, 1기압에서 공기를 없앤 물 1㎏의 부피를 1ℓ로 정하며, 물질의 비중은 그 물질과 4℃의 물의 밀도비로 표시된다. 또 1기압에서 얼음과 물의 열평형온도를 0℃로 정의하고, 1기압하에서 물과 수증기가 열평형에 도달하는 온도를 100℃로 정의한다. 국제 규약에서는 물의 표준 어는점은 절대온도로 273. 15K이다. 1㎈(칼로리)는 액체상태의 물 1g의 온도를 15℃에서 16℃로 1℃ 올리는 데 필요한 열량으로 정의되어 있다. 또한 물은 점도계를 보정하는 데 이용된다.

물리적 성질

물(water)

물의 분자식(H₂O)은 간단하게 보이지만 아직도 완전히 규명해내지 못한 아주 복잡한 화학적·물리적 성질을 갖고 있다. 예를 들어 물이 녹는 온도인 0℃(32°F)와 끓는 온도인 100℃(212°F)는 비슷한 구조의 화합물인 황화수소나 암모니아와 비교해 볼 때 높은 편이다. 물은 고체상태인 얼음일 때 액체상태에서보다 밀도가 작아지는데 이것도 물의 독특한 성질이다. 이 변칙적인 현상들은 물분자의 전자적 구조에 기인한다. 산소원자는 모두 8개의 전자를 가질 수 있는 최외각에 6개의 전자가 차 있다. 산소원자는 단일화학결합을 이룰 때, 자신의 전자 가운데 1개를 다른 원자의 원자핵과 공유하게 하고 대신 그 원자의 1전자를 공유한다. 2개의 수소원자와 결합을 하면 산소의 최외각은 채워진다.

물분자를 이루는 3원자는 직선형 구조가 아니라 이 등변삼각형 모양을 하고 있고, 이등변이 이루는 각은 105°이다. 그 3차원 구조는 비대칭적이며 결과적으로 분자의 일부분은 음전하를 띠게 되고 다른 부분은 양전하를 띠게 된다. 기체분자의 쌍극자 모멘트는 1.83×10^-18esu이며, 산소원자는 음으로, 수소원자는 양으로 하전되어 있다. 따라서 물분자는 극성이 매우 큰 분자가 된다. 물분자 내에 있는 수소원자들은 높은 전자밀도 영역으로 끌리며, 그 영역에서 수소결합이라고 부르는 약한 결합을 형성한다. 이것은 물분자 내의 수소원자가 이웃하는 물분자에 있는 산소원자의 비공유 전자쌍에 끌린다는 것을 말한다. 이 결과 물분자들은 강하게 뭉친다. 얼음결정에서는 배열이 보다 규칙적이 되지만 구조는 느슨해진다. 얼음이 녹으면 이 규칙적인 배열이 부분적으로 풀어지면서 분자들이 서로 가까워진다. 이것이 바로 고체일 때보다 액체일 때 밀도가 더 높으며, 얼음이 액체상태의 물에 뜨는 이유이다. 그리고 그 결합력은 상온(常溫)에서도 물분자들이 완전히 분리되는 것을 막을 만큼 크고 액체상태에서도 지속되기 때문에 물은 분자량이 작은데도 녹는점과 끓는점이 높으며, 임계온도와 임계압력 역시 높고 열용량도 크다. 물분자의 극성은 수용액을 만드는 데도 주된 역할을 한다. 염화나트륨과 같은 이온 화합물이 물속에 있다면 극성을 가진 물분자는 양전하를 가진 나트륨 이온과 음전하를 가진 염소 이온 사이에 작용하는 정전인력(靜電引力)을 감소시키고, 두 이온이 분리되는 것을 돕는 것이다(다른 물리적 성질에 대해서는 표 참조). 물은 각 성질에서 이상성(異常性)을 보이고 있다. 예를 들면 물은 유전율(誘電率)이 높은데, 이 현상으로 물의 용매작용과 이온화힘 등이 설명된다. 또 얼음은 온도와 압력의 변화에 따라 여러 가지 형태로 달라진다.

화학적 성질

물은 열에 대해 비교적 안정한 화합물로서 2,000℃, 1기압에서 2％ 정도만이 산소와 수소로 해리된다. 금속과 여러 종류의 비금속물질은 다음 식과 같이 물이나 수증기와 반응해 산화물을 생성하면서 물분자로부터 수소를 유리시킨다.

3Fe＋4H₂O→Fe₃O₄＋4H₂

C＋2H₂O→CO₂＋2H₂

수증기는 할로젠을 환원하며, 이때 산소가 방출된다.

2Cl₂＋2H₂O→4HCl＋O₂

또 산화물이나 수화산화물은 물과 반응해 수산화물을 생성하는데, 각 화합물의 양성 이온에 따라 알칼리성이나 산성을 나타낸다.

중화반응은 산과 알칼리가 반응해 염과 물을 생성하는 반응이다.

물은 그 자체로도 약간 이온화해 H⁺와 OH^-를 생성하기 때문에, 수용액에 약산이나 약염기의 염 또는 이 둘의 염이 용해되면 가수분해반응을 일으킨다. 비금속원소와 반(半)금속원소의 염화물이나 황화물은 대부분 완전히 가수분해된다. 물은 금속원소의 질소화물이나 수소화물을 분해해 각각 암모니아와 수소를 방출하고, 금속수산화물을 생성한다. 금속원소의 탄화물에 물을 가하면 다음 식과 같이 탄화수소가 발생한다.

CaC₂＋2H₂O→Ca(OH)₂＋C₂H₂

중수의 구성 및 산출

중수소, 산소-17(¹⁷O), 산소-18(¹⁸O)를 구성원소로 하는 물을 중수라고 한다. 담수호에서 얻어지는 보통의 물은 보통의 수소원자 6900개당 수소의 동위원소인 중수소(질량수 2)를 1개의 비율로 포함하고 있다. ¹⁶O 대 ¹⁸O의 존재비는 506：1이고 ¹⁷O는 ¹⁸O의 1/5 정도이다.

물을 전기분해할 때 전극에서 생기는 기체의 중수소 함유율은 물의 중수소 함유율보다 적다. 따라서 이 방법으로 중수를 농축할 수 있으며 특히 순수한 중수는 전기분해를 통해 수백ℓ의 물을 수㎖까지 농축해서 얻는다. 그러나 물속의 산소 동위원소의 존재비율은 전기분해를 하더라도 실질적으로는 변하지 않는 것으로 보인다.

눈·비·호수나 바다 표면 부근의 물은 삼중수소(질량수 3)를 포함하고 있는데, 그 함유율은 보통의 수소원자 10¹⁸개당 1개 정도이다.