과학 다반사

3. 물의 과학
3.1 신비한 물질, 물

  물은 매우 특이한 분자입니다. 산소 하나에 수소 두 개가 결합하여 형성되었는데, 전자를 좋아하는 산소 원자가 수소 원자의 전자를 자기 쪽으로 두려는 경향을 보이며 ‘부분 음전하’를 띄게 되고, 두 개의 수소 원자는 반대로 ‘부분 양전하’를 가집니다. 분자량이 18 Da(탄소의 원자량 12 Da을 기준으로 한 무게)밖에 안되는 작은 분자이지만, 우리가 생활하는 일상 기압과 온도(대기압, 상온)에서 액체로 존재합니다. 일반적으로 알려진 액체 중에서 극성이 가장 강합니다. 한 분자의 수소와 이웃한 분자의 전자가 풍부한 원자 간에 가지는 정전기적 인력에 의한 분자 간의 작용을 ‘수소결합’이라고 합니다. 물은 전자가 풍부한 산소 원자와 수소 원자로 이루어져 있어, 물 분자 상호 간에 수소결합을 형성합니다. 이러한 물 분자의 극성과 분자 간의 정전기적 인력때문에 물 안에서 일부 물 분자가 수소이온(H+)과 수산기 이온(OH-, 하이드록시 이온)으로 분해됩니다. 보통 액체 상태에서 10E-7 몰 농도의 물 분자가 분해되어 같은 양의 수소이온과 수산기 이온을 내놓기 때문에, 물의 pH(pH = -log (수소이온 몰 농도))가 7이고 이를 중성이라고 합니다. 물 안의 수소이온의 농도가 증가할수록 산성용액이라고 하며, pH는 더 낮아집니다(Harris, Qunatitative Chemistry, 9th Ed).

​글 그림 김준곤

2020년 7월  6일

  물 분자는 크기가 작아서 유연성이 모자랍니다. 가볍고 극성이 강해서 물 분자 간에 강한 수소결합을 이루지만, 유연성이 부족한 구조 때문에 수소결합을 이어가려면 일정한 방향으로 나열되어야 합니다. 네 개의 물 분자를 기본으로 하여서 사면체 방향으로 수소결합을 형성합니다. 액체 상태에서는 물 분자가 가지는 움직임이 비교적 자유로워서, 분자 간의 수소결합을 계속 맺었다 끊었다 하면서 자유롭게 물 안에서 분자들이 움직이고 있습니다. 하지만, 온도가 0°C보다 낮아지면 물 분자의 움직임이 적어지고, 물 분자 간의 수소결합을 최대한 많이 이루어서 고체 상태인 ‘얼음’이 됩니다. 얼음이 되면서 물 분자 간에 사면체 방향으로 수소결합을 형성하며 굳어가게 되어서 육각형 구조로 분자들이 나열됩니다. 이런 이유로 우리가 눈 결정에서 보듯이 뾰족뾰족하게 얼음 결정이 만들어집니다. 육각형 구조의 결정구조는 물이 액체에서 고체가 될 때 부피가 더 커지게 합니다. 결과적으로 얼음의 밀도가 액체인 물보다 낮아서 얼음이 물 위에 뜨게 되는 것입니다. 물은 대기압에서 4°C일 때 밀도가 가장 높습니다. 찬 온도에 물 분자의 움직임이 둔화되어서 수소결합을 최대한 이루지만 아직 움직임을 갖는 물 분자들이 수소결합으로 나열된 구조 사이를 채워서 높은 밀도를 가지게 됩니다. 겨울에 호숫가 바닥은 물의 온도가 밀도가 가장 높은 4°C로 얼지 않아 물고기들이 겨울을 보낼 수 있게 해줍니다(Oxtoby, Principles of Modern Chemistry 7th Ed.).

  물의 끓는 점은 대기압에서 100°C입니다. 매우 높은 온도입니다. 이런 높은 온도에서 물이 액체에서 기체로 변하는 것은 강한 수소결합 때문입니다. 수소결합으로 분자와 분자 간의 상호작용이 강해서 상호작용이 상대적으로 적은 기체상태로 물 분자가 서로 멀어지게 하기 위해서는 높은 온도가 필요합니다. 물의 높은 끓는 점은 오랫동안 병균을 죽이는 살균법에 이용됐습니다. 병균도 다른 생명체와 같이 탄수화물, 지방, 단백질로 구성되어 있습니다. 이 중 단백질은 60~70°C 정도의 온도에서 구조가 변하게 되는데, 이는 열을 받은 물 분자가 단백질의 정상 구조를 유지하는 작용을 방해해서 그렇습니다. 물이 액체 상태에서 100°C의 높은 온도까지 올라갈 수 있으므로, 병균 세포 내 단백질을 변성시켜 살균하기 좋은 방법입니다. 당연히 병균 세포 내의 물 분자도 끓기 시작하겠죠. 

  우리 몸의 60% 이상을 차지하고, WHO 권장량에 의하면 하루 2 L의 섭취가 필요한, 생명의 근원인 물은 참 신비로운 물질입니다(WHO, Nutrients in Drinking Water). 다음 편에는 물이라는 신비로운 물질을 기반으로 한 다양한 음료에 대해서 알아보도록 하겠습니다.

© 김준곤

Contact Us

맨투맨 사이언스

 

서울 서초구 서초중앙로 24길 5 맨투맨빌딩 5층

Tel. 02-594-0236

Email. mtmsc@naver.com

© 2020 by MTM Science. All right reserved

  • Facebook