물과 오염의 화학 | 물의 특성

물분자는 2개의 수소원자와 1개의 산소원자가 전자를 공유하면서 최외각 전자궤도 함수를 채우고 있다. 수소원자보다 더 큰 산소원자는 최외각에 6개 전자를 갖고 있는데 이것이 안정되려면 전자 2개가 더 필요하다. 이 2개의 전자는 1S¹ 구조를 갖는 2개의 수소원자로부터 제공받는다. H₂O 분자는 분자궤도함수로(MOT) 표시하면 상자성이 있음을 알 수 있다. 그리고 물분자의 결합각은 105.4˚이며 수소원자들은 양전하(δ⁺)를 갖는다. 이러한 하전의 분배 때문에 물은 강한 극성 분자의 성질을 갖는다. 또 물분자 쌍극자는 서로 끌어당기는 수소결합을 통해서 회합을 형성한다.

 

물분자의 회합은 상온에서 물분자 100개 정도까지 형성할 수 있다. 그러나 6개의 물이 수소결합으로 회합된 물분자가 건강에 좋은 물로 알려져 있다. 이 경우는 냉각된 물분자일 때가 많다. 물은 여러 가지 독특한 특성을 지니고 있는데 이 성질의 대부분은 물분자 내에 존재하는 수소결합에 기인된 것이다.

 

 

물의 물리적 성질

얼음은 한 개의 물분자가 네 개의 다른 물분자와 수소결합을 형성할 수 있기 때문에 액상인 물보다 밀도가 작다. 즉 가능한 한 최대의 수소결합을 형성하기 위해 네 개의 수소원자는 산소에 대해 사면체로 배열되고 이 사면체 각은 얼음 내부에 공간을 갖는 3차원 구조를 만든다(그림 1 참조)

 

 

얼음이 용해될 때 수소결합은 파괴되고 얼음 구조는 부분적으로 붕괴되어 분자들은 더욱 조밀하게 배열된다. 액상인 물에서도 역시 수소결합은 주요한 의미를 갖는다. 얼음이 녹을 때 수소결합의 15%만이 파괴된다. 액체 상태인 물은 수소결합이 끊임없이 파괴되고 생성되는 얼음과 같은 덩어리(cluster)로 구성되어 있어서 수소결합의 뭉치가 사라지면서 동시에 다시 새로운 것이 형성되는 것으로 생각할 수 있다. 0℃부터 온도가 상승함에 따라 이 수소결합의 뭉치들은 점점 부서져서 더욱 조밀한 액체가 된다. 따라서 밀도는 증가된다.

그러나 물도 다른 액체와 마찬가지로 온도가 상승하게 되면 분자는 더욱 빠르게 움직이고 진동하기 시작하여 공간은 증가된 평균 분자수에 의해 점유된다. 이런 현상은 대부분의 액체들이 온도 증가에 따라서 밀도가 감소되는 결과를 낳게 한다.

물은 수소결합이 파괴되면서 밀도가 계속 상승하게 되지만 4℃에서부터는 온도 상승시 밀도가 감소한다. 물은 4℃에서 최대 밀도를 가지며 4℃보다 온도가 높거나 낮으면 밀도가 낮아진다(표 1 참조)

 

 

물의 열 용량이 큰 원인도 수소결합에 의해 설명된다. 물의 온도를 증가시키기 위해서는 정상적인 분자 휘젓음(agitation)을 증가시키기 위해 요구되는 에너지와 더불어 수소결합을 파괴시킬 수 있는 에너지를 공급해 주어야만 한다. 증발열과 융해열도 위와 같은 이유 때문에 높다. 즉 물을 증발시키기 위해서는 먼저 수소결합을 파괴시켜야만 한다.

 

 

 

물의 화학적 성질

물은 열에 대해 대단히 안정적이며 2,700℃에서 단지 11%만이 수소와 산소로 분해된다.

 

 

물은 비교적 반응성이 좋은 물질로 많은 금속 또는 비금속 원소들과 반응한다. 알칼리 금속, 알칼리 토금속 및 다른 금속들은 물을 분해하여 H₂기체를 생성한다. 그러나 구리, 은, 백금 및 수은 등은 물을 분해하지 못한다. 물론 물의 분해 능력은 금속 이온들의 이온화포텐셜(이온화 경향)에 따라 다르다. 따라서 알칼리 금속인 Na이나 K 금속은 매우 쉽게 물을 분해시킨다. 또한 비금속 원소는 물을 분해하여 산소를 발생시킨다. 즉 플루오르는 물과 격렬히 반응하여 산소를 발생한다.

 

 

반면에 염소는 불균등(disproportionates) 반응을 한다. 즉 염소는 산화도 되고 환원도 된다.

 

 

브롬은 다소 약하지만 역시 불균등 반응을 하고 요오드는 순수한 물과 거의 반응하지 않는다.

 

 

물의 물리적 성질과 환경

물 표면의 증발 과정에는 지구 표면에 도달하는 태양 에너지의 30%. 즉 대략 1×10²⁴J/yr의 에너지가 사용된다. 태양 에너지의 일부는 뇌우와 태풍을 일으킨다. 물의 증발과 응축에 의한 에너지 이동은 지구의 기상 변화에 대한 중요한 인자가 된다. 물의 증발과 응축이 지구의 기상을 지배하는 역할을 하고 있지만 물의 또 다른 특성은 생명체들에게 쾌적한 환경과 날씨를 제공해주는 중요한 역할을 하는 데 있다.

① 물의 큰 열용량이 주는 영향

물의 큰 열용량은 겨울에 차가운 공기를 따뜻하게 하고 여름에 더운 공기를 냉각시켜 줌으로써 주변 온도를 조절하는 중요한 효과를 갖는다. 이의 효과는 전 세계에 퍼져 있는 바다도 대단히 중요하지만, 내륙 지방에 있는 호수의 영향도 뚜렷하게 나타난다. 예를 들어 호수 옆에 위치한 도시는 호수가 없는 남쪽의 도시보다 겨울을 따뜻하게 지낸다.

 

② 얼음과 물의 상대 밀도의 영향

얼음은 물보다 밀도가 작기 때문에 물이 얼 때 얼음은 물의 표면에서 생성된다. 이것은 기상과 수생동물에 대해 광범위한 영향을 준다. 수역에서 생성된 얼음은 얼음 밑에 있는 물을 차가운 공기로부터 격리시켜 더 이상 어는 것을 제한시켜 준다. 겨울에 물고기가 생존할 수 있는 것은 바로 이것 때문이다. 얼음이 물보다 밀도가 크다고 가정할 때 호수에서 어떤 현상이 발생하는지 상상해보면, 얼음은 호수의 바닥에서부터 위로 생성되어 질 것이다. 그리고 물 표면에서 절연효과가 없기 때문에 호수 전체가 쉽게 얼어붙어 물고기가 죽어버리게 된다. 또 호수의 바닥에 있는 얼음이 표면에 있는 물의 절연효과 때문에 서서히 녹게 되므로 봄의 해동도 늦어질 것이다.

 

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