물이 일단 수증기가 되어버리면 온도는 쭉쭉 올라간다. 과열장치를 써서 200도 이상으로 한 과열수증기에다 성냥불로 불을 붙인다든지 종이를 태우거나 할 수가 있다.
또한 어떤 물질들은 물과 격렬한 화학반응을 일으킨다. 원자력발전소의 원자로의 사고 때에 새어나온 금속나트륨도 그 중의 하나이다. 콩알만한 크기의 나트륨 덩어리를 물 속에 넣기만 해도 심한 반응을 일으켜 작은 폭발조차 일으킨다. 이들의 물질은 물이 있으면 탄다는(아주 심한 반응을 일으킨다)고약한 물질이다.
액체의 물이 수증기가 될 때에는 체적이 약 1,200 배로 불어나기 때문에 그 내부압력을 빼주어야 한다. 그렇지 않으면 수증기 폭발이 일어난다. 활발한 활동을 하고 있는 화산의 경우에는 커다란 바위가 수증기 폭발에 의해서 산산조각이 난다. 이것도 화산으로부터 대량의 열에너지를 뺏은 물의 요술이다.
무거운 물-重水, 가벼운 물-輕水
물에도 무거운 물과 가벼운 물이 있다. 보통 물보다도 비중이 큰 물을 중수(重水)라고 한다. 그리고 보통 물을 중수에 비해서 경수(輕水)라고 한다. 그러면 왜 물에다 무겁고 가벼운 차를 붙이는 것일까?
원자는 전자, 양자, 중성자로 되어 있다. 전자의 질량은 양자, 중성자의 질량의 약 1,800분의 1이나 작기 때문에 원자의 질량은 양자와 중성자의 수에 의해서 결정된다. 또 수소원자, 산소원자 등 원자의 종류를 정하는 것은 원자 속에 있는 양자의 수이다. 그렇기 때문에 양자의 수가 같아도 중성자의수가 다르기 때문에 같은 종류의 원자라고 하더라도 질량이 다른 것이 생기는 것이다. 이들을 동위체라고 부른다.
수소분자 1개는 수소원자 2개와 산소원자 1개로 되어 있다. 수소원자 1개에는 양자가 1개 있지만 중성자는 0∼2개와 3종류의 동위체가 있는 것으로 알려져 있다. 산소원자 1개에는 양자가 8개 있지만 중성자는 8∼10개가 있으며, 여기에도 3종류의 동위체가 있다. 이들로부터 물분자를 만들려고 하면 총 18종류의 물분자를 생각 할 수 있다. 자연계에서는 중성자가 없는 수소원자 중성자 8개를 갖는 산소원자가 대부분이기 때문에, 이 2종류로부터 된 물분자가 가장 많으며(통상의 물의 99.76%), 또한 질량도 가장 작아지는 것이다. 이것이 경수이다. 따라서 나머지 것들은 모두가 중수이다.
그러나 단지 중수라고 부를 때는 중성자 1개를 갖는 수소원자와 중성자 8개를 갖는 산소원자로 된 물분자로 되어있는 물을 말하는 것이 보통이다(앞으로 이것을 중수라고 함). 이것은 전기분해를 여러 번 되풀이해서 모을 수 있으며(다른 것은 분해된다), 산업적 응용이 가능하기 때문에 널리 사용되고 있다.
거의 모든 동위체에서는 화학반응에서 명확한 차를 볼 수 없으나, 수소원자의 경우 동위체들 사의에서의 질량의 차는 2배, 3배가 되기 때문에 그 영향도 크며, 화학반응에 있어서도 차가 생기는 것이다.
경수와 중수에 있어서는 빙점(氷點)이 0도에 대해서 3.80도, 비점(沸點)은 100도에 대해서 101.42도, 물의 이온 적(積-22도, 값이 클수록 전기 분해되기 쉽다)이 1×10⁴에 대해서 0.16 ×10￣¹⁴이 되기 때문에 전기분해로 경수와 중수로 분리할 수 있는 것이다.
또한 산업적인 응용 측면에서 유명한 것은 원자로의 감속제로서의 이용이다. 감속제는 원자로 속에서의 핵분열이 헛됨이 없이 일어날 수 있도록 하기 위한 것이며, 그 외에는 경수, 흑연 등도 이용된다. 이밖에도 중수가 자연수에 유사한 성질을 갖고 있으면서 다른 점을 갖고 있다는 점을 살려서 화학분석이나 생리학의 실험에 이용되는 경우도 있다.
단, 중수를 많이 포함하고 있는 물 속에서는 식물은 발아를 하지 않으며, 물고기들도 생존할 수 없다고 한다. 같은 물이라고 해서 중수 그 자체를 마시는 것은 삼가해야 한다.
물의 이상한 성질
물은 우리들 인간에 있어서는 아주 가까운 물질이다. 우리들 인간의 몸은 약 70%가 물이다. 또모든 생물들도 물이 없으면 살아갈 수 없다. 지구는 물이 충만된 별로 물의 혹성이라고 불린다. 바다나 호수는 물론, 공기 중에도 물은 많이 포함되어 있다.
그런데 물이라고 하는 물질은 다른 여러 물질에 비해서 매우 변질적인 물질이며, 불가사의한 물질이다.
우선 물은 고체보다도 액체 쪽이 무겁다. 얼음이 물위에 떠 있는 것은 누구나 다 알고 있는 사실이기 때문에 이상하게 느끼지 않을지도 모른다. 그러나 일반적으로는 액체보다도 고체 쪽이 무거운 것은 사실이다. 또 같은 액체라고 하더라도 일반적인 물질은 온도가 떨어지면 오그라들어서 무거워진다. 그러나 액체인 물은 4도일 때가 가장 무겁기 때문에 추운 겨울에도 호수의 수면이 얼음으로 뒤덮여도 바닥까지 얼어붙는 일은 없고, 물고기가 얼어죽는 일은 생기지 않는다.
물은 여러가지 물질을 녹여 버린다. 물처럼 여러가지 물질을 녹이는 액체는 거의 없는 것으로 알고 있다. 물을 컵 속에 넣고 놔두면 공기 중의 산소나 질소, 이산화탄소가 녹아 들어간다. 그리고, 유리도 아주 미량이기는 하지만 녹아 들어간다.
또한 지상에 내리는 비는 지상의 여러 가지 물질을 녹여서 바다로 흘려보낸다. 바다의 물 속에는 여러가지 물질이 많이 녹아 들어가 있다. 금이라든지 우라늄, 망간 등 자원이 될 만한 금속도 들어가 있다. 그 종류를 원소의 수로 새어보면 60종 이상이 된다.
물이 모든 물질을 녹여 버린다고 하는 것은 역으로 말하자면 순수한 물을 만들기가 힘들다는 것을 말하는 것이다. 화학실험실에서 증류장치를 사용하여 물을 끓여서 수증기로 하고, 그것을 냉각시켜서 물을 얻는 방법으로 순수한 물을 얻고 있다. 그러나 한번의 증류로서는 불순물이 너무나 많기 때문에 보다 순수한 물을 얻기 위해서는 증류를 몇 번이고 되풀이 할 필요가 있다.
최근에는 물만을 통과시켜주는 특수한 막을 사용하거나, 이온교환수지와 같은 특수한 수지를 사용하여 보다 순수한 물을 만드는 일이 많아지고 있다.
물은 잘 데워지지 않으며, 잘 식지 않는 성질이 있다. 데워지는 정도, 식는 정도를 비열(比熱)이라고 하는 값으로 나타낸다. 액체인 물의 비열은 온도에도 영향을 받지만 약 4.2 J/g·K이다. 이것은 1g의 물을 1도 상승시키는데 4.2 joule(약 1 calorie)의 열이 필요하다는 것을 나타내고 있다. 다른 액체의 비열은 2joule J/g·K 정도이기 때문에 상당히 큰 값이다. 지구에는 어디를 가나 물이 있기 때문에 낮과 밤, 겨울과 여름의 기온 차가 작아지는 것이다. 지구가 다른 혹성에 비해서 기온의 차가 작은 것은 물이 있기 때문이다.
물분자의 크기와 형태
물의 화학식은, H₂O로 표시한다. 이것은 수소원자(H)가 2개와 산소원자(O)가 1개로 붙어 되어 있다는 것을 나타내는 것이다. 이들의 원자가 서로 결합하여 있는 것이다. 원자 몇 개가 붙어있는 것을 분자라고 하는데 물도 분자로 붙어 되어있는 것 중의 하나이다.
원자나 분자는 매우 작은 것이다. 예를 들면, 수소원자의 반경은 약 10억 분의 1m이다. 이 정도의 크기가 되면 직접 보통 현미경으로는 관찰할 수가 없다. 눈으로 볼 수 있는 빛의 파장보다도 원자의 크기가 작기 때문이다. 그래서 전자선회석이라는 방법이라든가, 분자에 여러 가지 광선을 쪼여서 흡수된 빛을 조사하는 방법 등으로 측정한다.
이와 같은 방법으로 측정한 물분자는 산소와 수소원자와의 거리는 0.096 nm(nm는 10억 분의 1m), 산소원자를 정점으로 한 2등변 삼각형으로서, H-O-H의 각도가 104.5도 있다. 얼음으로 되어있을 때에는 이 각도가 조금 넓어져서 109.5도가 된다. 이것은 정4면체(Pyramid)의 한 가운데에 산소원자가 있고, 그 중 2개의 정점에 수소원자가 있는 것 같은 형태를 생각해도 될 것이다.
산소원자와 수소원자와의 결합에 있어서는 그 사이를 왔다갔다하는 전자가 있다. 그 전자는 산소원자 쪽에 있는 경향이 강하며, 산소원자 쪽이 조금은 마이너스(-)의 전기를 갖는다는 것이 된다. 또한 수소원자와의 결합이 없는 Pyramid의 정점 2개 쪽에는 각각 전자가 모여있는 곳이 있다.
그렇게 되면 물분자 속에서는 전기가 한쪽으로 기울어지는 경향이 발생한다. 수소원자 쪽이 Plus(+)의 전기를, 산소원자 쪽은 Minus(-)의 전기를 갖는 상태가 된다.
물분자 속에는 이와 같은 전기의 기울어지는 경향이 있기 때문에, 물은 매우 특수한 성질을 갖게되는 것이다. 앞에서도 기술한 바와 같이, 여러가지 물질을 녹여버리는 성질도 그 중의 하나라고 하겠다. 분자의 모양이라고 하는 것은 물분자에 한정되는 것이 아니라, 어떤 물질이든 그 성질을 결정해 버리는 것이다.
얼음은 왜 물에 뜨는가?
얼음이 물에 뜨는 것은 당연한 일이기는 하지만 물질 중에서는 특별한 경우라고 하겠다. 물 이외의 물질에 있어서는 액체상태의 경우, 분자끼리가 조금 거리를 두고 움직이고(열운동) 있다. 온도가 내려가 액체의 상태에서 고체의 상태로 될 때에 분자간의 간격이 좁아진다.
분자간의 거리가 없어지고 굳어진 상태가 고체상태인 것이다. 그러므로 같은 체적으로 비교해 볼 때 액체상태일 때보다도 고체상태일 때에 보다 많은 분자가 존재하기 때문에, 무거워진다(밀도가 커진다고 한다). 그 결과, 액체상태의 물질 속에 고체물질을 넣으면 가라앉는 것이다.
그러나 예외의 물질도 있다. 그것은 물이다. 물의 분자사이에는 ‘수소결합’이라고 하는 힘이 작용하고 있다. 분자가 액체상태에서 고체상태로 될 때에 될 수 있으면 작은 체적으로 되려고 한다. 그런데 물의 경우, 이 ‘수소결합’으로 물분자가 결합되어지면 분자와 분자와의 간격이 조금 커지는 것이다. 따라서 고체가 될 때에 틈새가 많은 결정이 되는 것이다.
그런데 고체로부터 액체로 되는 순간 극적인 현상이 일어난다. 액체의 상태에서는 얼음일 때의 ‘수소결합’이 깨지고(25도에서 약15%), 틈새가 많은 구조가 부분적으로 망가지는 것이다. 이 결과, 고체로부터 액체가 되었을 때 체적이 조금 감소한다. 액체인 물이 고체가 되는 순간에는 이와는 반대현상이 일어나서 체적이 감소하게 된다.
이 ‘특예’ 덕분에 지금의 지구가 있다고 해도 과언이 아니다. 바위의 틈 사이에 스며든 물이 겨울에 얼어서 얼음이 되어 체적이 증가하기 때문에 바위를 깨게 됨으로써 얼음이 녹을 때면 산사태 등을 일으키는 경우도 흔히 볼 수가 있다.
또한 겨울동안 연못에 얼음이 얼어도 얼음 밑은 물이기 때문에 생물이 월동할 수가 있는 것이다. 기온이 떨어져 물이 얼기 시작해도 얼음은 물위에 뜨기 때문에 연못의 표면에서부터 얼음이 되는 것이다. 그 결과, 얼음이 막이 되어 그 이상은 연못의 물이 얼 수가 없기 때문에 밑에 있는 물은 물 그대로 있는 것이다.
따라서 아주 차가운 얼음 밑의 물 속에서도 물고기들은 얼음이 녹는 봄을 기다리며 살고 있는 것이다. 만약에 물이 다른 물질과 같이 고체가 되었을 때에 밀도가 커지는 물질이었다면 연못의 표면에서 생성된 얼음은 물밑으로 가라앉았을 것이며, 연못의 바닥에서부터 연못은 얼기 시작했을 것이다. 그렇게되면 연못의 물은 모두가 없어지고 얼음이 되기 때문에 수중의 생물은 겨울동안에 전멸되고 말았을 것이다.
또한 ‘수소결합’의 덕분으로 물은 비열이 크고, 비점(沸點)이 높고, 물질을 잘 녹이는 성질을 갖게 된 것이다. 비열이 크면 데워도 온도가 잘 올라가지 않으며, 또한 잘 식지도 않는다. 이로 인해 지구표면이 낮에는 태양으로부터 데워져도 온도가 잘 올라가지 않으며, 반대로 밤에는 온도가 잘 내려가지도 않는다. 따라서 온도의 차가 작아지며, 지구는 온난한 기후가 될 수 있었던 것이다. 우리들의 지구가 ‘물의 혹성’이라고 부르는 것도 이러한 이유 때문이다.
수소와 산소의 반응에서도 전기가
산소와 화합하는 반응을 산화(酸化) 라고 한다. 철(鐵이) 녹슬거나 나무와 종이가 타는 것도 공기중의 산소와 화합하고 있는 일종의 반응인 것이다. 수소와 산소가 반응하면 물이 된다. 학교에서 이과의 실험을 할 때 수소가스에다 불을 붙이면 폭발이 일어나는 것을 경험했을 것이다. 이 반응은 ‘수소의 산화’라고 볼 수도 있다. 화학반응식으로는 2H+O₂→2H₂O 가 된다.
그러면 물질이 연소할 때에는 외부에 열을 낸다. 이 열은 어디에서 나오는 것일까? 수력발전에서는 높은 곳에 있는 물이 낮은 곳으로 떨어질 때 터빈을 돌려서 ‘발전’을 할 수가 있다. 에너지로 보면, 이 높은 위치에 있는 것이 수소와 산소이며, 낮은 위치에 있는 것이 물이다. 높은 위치에 있는 수소와 산소가 낮은 위치에 있는 물이 될 때 밖으로 에너지를 방출하게 되는 것이다.
또한 산화의 속도는 물질에 따라 다르며, 반응하는 조건에 따라서도 다르다. 천천히 진행되는 것도 있으며, 빨리 진행되는 것도 있다. 철이 녹이 스는 반응(철의 산화)은 천천히 진행되지만, 나무나 종이가 타는 반응(탄소의 산화)은 빨리 진행된다. 또 반응하는 물질의 입자가 작을 경우에는 빨리 진행된다.
수소와 산소와의 반응(수소의 산화)은 매우 빨라서 빨리 연소(연소속도가 음속을 초과한다)하기 때문에 폭발이라고 하는 형태로 된다. 조건을 잘 갖추어서 이 반응을 천천히 진행시키면 에너지를 효율적으로 빼낼 수 가 있다.
이와 같은 원리를 이용한 것이 ‘연료전지’다. 연료전지에서는 수소와 산소를 천천히 반응시켜 전기를 얻어내고 있다. 큰 전력을 일시에 집중시키는 것은 어렵다고 하는 결점은 있지만 현재의 연료전지는 에너지 전환의 효율이 높고, 환경오염에 대해서도 영향이 매우 적어 미래의 에너지로 주목받고 있다. 또한 에너지를 얻는데도 손쉬워 이동전원으로도 적합하기 때문에 Space shuttle(우주 왕복선)에서도 사용하고 있다. 또한 방향이 조금 다른 이야기지만‘수소폭탄’이 수소에다 불을 점화하였을 때의 폭발의 원리와 같을 것이라고 생각할 수 있는 사람도 있을 것이다. 그러나 수소폭탄의 원리는 ‘핵융합반응’이라는 반응에 의한 것이며, 수소의 폭발(수소의 산화반응) 과는 비교도 할 수 없을 만큼 대단히 큰 것이다.
물은 어떤 색일까요?
물은 무색 투명이라고들 한다. 컵에다 물을 떠다 놓고 보면 역시 무색인 것을 알 수 있다. 그러나, 물을 기계로 분석해 보면 색깔이 있다는 것을 알 수 있다. 또한 물을 대량으로 모아 놓으면 우리들의 눈에도 그 색이 보인다. 큰 수조를 통과한 빛이나, 수영장이나 바다, 호수의 물은 푸른빛 같은 독특한 색이 보인다. 우리는 이 색을 ‘물색’이라고 들 말한다.
바다 속 깊이 들어가면 푸른색 일색의 세계가 된다. 빨간색이 검게 보이게 되는 것이다.
물을 분석기기인 분광기로 조사해보면 파장이 600∼610nm와 655nm이상의 빛을 흡수하는 것을 알 수 있다. 이들의 빛을 색으로 볼 때 빨간색에서 살색까지의 빛이 된다. 하얀빛을 물에 대면(하얀빛은 모든 종류의 빛이 섞인 빛) 빨간색에서부터 살색까지의 빛은 흡수되고, 그 외의 빛은 물을 통해서 나가 버린다. 이들의 빛이 섞여서 ‘물색’으로 보이는 것이다.
그런데 바다나 하천, 호소의 물은 장소나 계절에 따라서는 ‘물색’이 아니라 여러가지 색으로 보이는 경우도 있다. 그러한 색은 물 그 자체의 색이 아니라 그 속에 떠있는 미립자나 녹아있는 물질에 의해서 여러가지 색으로 보이는 것이다. 특히, 그 미립자에 색이 있으면 그 색이 물의 색으로 나타나는 것이다.
흙의 미립자가 물 속에 많이 떠있는 경우에는 물의 색은 황색으로 보이는 것이다. 중국의 황하(黃河)나 서해인 황해의 물의 색이 그렇다. 또한 큰비가 오거나 홍수가 났을 때 하천의 물이 황색의 탁한 것을 보면 상류에서 토사가 하천에 유입되어 있기 때문이다.
바다나 호수의 색이 빨갛게되는 적조는 수중의 플랑크톤이 대량으로 발생했기 때문에 일어나는 현상이다. 이 적조현상이 일어나면 연안의 양식업자들은 큰 피해를 입게 된다. 적색은 플랑크톤의 색이며, 대량으로 발생했기 때문에 해수중의 산소가 부족하게 되고, 수중에 살고있던 물고기들은 산소결핍상태가 되어 폐사하게 되는 것이다.
한편 깨끗한 물의 경우는 어떨까? 러시아의 바이칼호는 매우 투명도가 높고, 그 색은 짙은 남색(藍色:쪽색)을 하고 있다. 태평양의 하와이를 위시한 남태평양도 투명도가 매우 높아 물이 남색을 하고 있으며, 물의 신비를 느낄 수 있다고 할 만큼 깨끗한 것으로도 유명하다. 빛이 물 속을 통과해 갈수록 빨간색 외에도 노란색, 녹색, 파란색의 순서로 파장이 긴 쪽부터 차례대로 흡수되어 간다. 만약에, 수면에서 그다지 깊지 않은 곳에 물에 떠있는 미립자가 있다고 하면 그 입자에 반사해 오는 빛은 적색부근의 색이 흡수되어있으므로 녹색∼청록색으로 보인다.
투명도가 높은 물에서는 물 속에 떠있는 미립자가 작기 때문에 빛은 물 속 깊은데 까지 빛이 들어간다. 그리고, 반사해오는 빛도 파장이긴 빛은 모두 흡수되어 버리기 때문에 짙은 청색이나 남색으로 보이는 것이다.
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