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안녕하세요~ 생활 속 과학이라는 주제로 인사 드리게 된 한화토탈의 한예은 과장입니다. 만나서 반갑습니다. 혹시 이 글을 읽는 독자 분들 중에서도 과학이라는 단어만 봐도 머리가 아파지는 분들이 있으신가요? 과학은 우리가 살고 있는 이 세계의 법칙에 관심을 두는 학문으로, 당연히 여겨 왔던 주변의 일들이 왜 그런지 설명해 준답니다. 저와 함께 어렵지 않게, 꼭 필요한 내용들을 앞으로 하나씩 살펴보아요! 

 


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'물'이란?



오늘 처음으로 이야기 할 주제는 ‘물’입니다. 물을 떠올리면 어떤 것들이 생각 나시나요? 더울 때 찾게 되는 차가운 물, 겨울에 어는 얼음. 우리 몸의 70% 를 이루고 있다고 어릴 때 배웠던 것도 어렴풋이 기억 나실까요? 이 모든 게 아주 특이한 물의 성질로부터 일어나는 현상이랍니다.


이러한 물의 특징을 이해하려면 먼저 약간의 배경 지식이 필요한데요. 바로 중학교 과학시간에 배우는 '원소'라는 개념입니다. 아주 오래 전 옛날의 과학자들도 이 세상을 이루는 기본적인 물질이 무엇인지 궁금해 했어요. 처음에는 물, 흙, 불, 공기 같은 것이라고 생각했었는데, 결국 가장 작은 단위인 원소를 발견한 것이죠. 


이 원소들의 조합으로 다양한 물질들을 이루게 되는데, 오늘 살펴볼 물은 수소 원자 2개와 산소 원자 1개로 이루어져 있어요. (혼란을 막기 위해 짚고 넘어가자면, 가장 작은 물질의 성분은 '원소'라고 하지만 이것을 셀 수 있는 단위로 표현할 때는 '원자'라고 부르는데요. 원자들의 조합으로 구성된 물질은 '분자'라고 한답니다.) 


간단히 표현 하기 위해 원소마다 기호를 붙였고, 분자도 이 기호를 조합해서 나타내기로 약속 했지요. 수소(Hydrogen)는 H, 산소(Oxygen)는 O 이니까… 수소원자 2개, 산소원자 1개인 물은 H2O 가 되겠네요! 



02

물분자 구조

 


물이 어떻게 생겼는지는 알았으니 이제 또 하나의 중요한 부분을 살펴볼까요? 사실 원자들은 가운데 모여있는 양성자 주위를 전자들이 둘러싸고 있는 구조로 이루어져 있어요. (TMI: 전자 하면 전기가 생각나지 않나요? 맞아요, 그 전기를 흐르게 하는 물질이 전자랍니다~) 원자 사이에서 전자를 공유하거나 주고받아 분자를 만들게 되는 것이지요. 


이 때 원자마다 가지고 있는 전자의 개수도 다르고 전자를 끌어당기려는 힘도 다르기 때문에 서로 다른 원자로 이루어진 분자 내에서는 전자가 몰려있는 부분과 부족한 부분이 생기게 된답니다. 여기서 전자가 몰려있는 것을 (-)전하, 전자가 부족하면 (+)전하를 띤다고 표시해요. 


앞에서 물 분자는 수소 원자와 산소 원자의 결합으로 이루어져 있다고 했었는데요, 산소 원자는 수소 원자보다 전자를 훨씬 풍부하게 가지고 있는데다가 전자를 당기는 힘도 세요. 그렇다면 물 분자 내의 산소는 (-)전하, 2개의 수소는 (+)전하를 띠겠지요? 

 


03

물과 수소결합



지금까지는 물 분자 한 개만을 가지고 살펴 보았고, 이제 물 분자 사이에서 나타나는 규칙을 알아볼게요. 물 분자 내의 산소는 (-)전하, 수소는 (+)전하를 띤다고 설명했는데요, (-)전하와 (+)전하는 자석의 N극/S극과 비슷하다고 생각하면 이해하기 쉬워요. 물 분자가 충분히 가까이 있는 상황이라면 (-)전하와 (+)전하가 서로 강하게 끌어당기게 된답니다. 


이렇게 산소처럼 전자를 당기는 힘이 센 원자와 수소가 결합할 때 이웃한 분자간에 생기는 힘을 ‘수소결합’이라고 불러요. 사실 분자 간에 작용하는 힘은 보통 인력이라고 부르는데, 수소결합은 다른 인력에 비해 훨씬 강하기 때문에 수소’결합’이라는 이름을 가지게 되었답니다. 바로 이 수소결합이 물의 다양한 특징을 나타내게 되는 이유가 되지요. 아래 그림으로 보면 쉽게 알 수 있듯이, 물은 한 분자당 수소결합을 2개 가질 수 있답니다.



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물의 특징



여기까지 잘 따라 오셨다면, 이제부터는 물의 특징들을 재미있게 살펴볼 수 있을 거예요. 물의 끓는 온도가 섭씨 100도 라는 것은 모두가 다 알고 있는 사실인데, 이 온도가 다른 액체들에 비해 굉장히 높은 편이라는 것도 알고 계셨나요? 액체 상태의 물은 많은 수소결합을 가지고 있어 기체가 되려면 열 에너지로 이 결합을 다 끊어내야 하고, 따라서 수소결합이 없거나 적은 다른 액체들에 비해 끓는점이 높답니다. 


이렇게 물은 온도가 변하는데 많은 에너지를 필요로 하기 때문에 온도 조절에 유용하게 사용된답니다. 더운 날 마당에 물을 뿌리면 물이 증발하면서 열을 빼앗아가 시원해지게 되고, 우리 몸의 체온이 올라가면 땀이 나와 증발하면서 열을 식혀주는 역할을 하지요. 


반대로 물의 온도가 낮아지면 얼음이 됩니다. 이 때 얼음은 물일 때보다 부피가 커지게 되는 것을 모두들 경험적으로 알고 있을 거예요. 냉동실에서 얼음을 얼릴 때도 위로 봉긋하게 솟아오르곤 하니까요. 그런데 이것 또한 굉장히 특이한 현상 이예요! 일반적으로는 액체의 온도가 낮아져 고체가 될 경우 분자 간 거리가 가까워져 부피가 작아지게 됩니다. 


하지만 물은 온도가 낮아지면서 액체일 때보다 더 단단한 수소결합을 형성하고, 이 때 일정하게 배열을 이루면서 빈 공간이 많이 생기게 되어 부피가 커져요. 동일한 무게에서 부피가 커지게 되면 밀도가 낮아지게, 즉 가벼워지게 되고, 얼음은 물 위에 뜨게 됩니다. 그래서 겨울에도 물고기들이 얼지 않은 아래쪽의 물에서 살 수 있는 것이랍니다. 



또한 풀잎 위의 물방울이 동그란 것 역시 물의 특징 이예요. 액체의 내부에서 표면을 잡아당기는 힘을 표면장력 이라고 하는데, 물의 경우 수소결합이 작용해 다른 액체보다 더 강한 표면장력이 발생합니다. 이 때 안쪽에서 잡아당기는 힘에 의해 표면적이 최소화 되어 동그란 모양을 갖는 것이지요. 수소결합이 없는 기름의 경우 한 방울 떨어뜨렸을 때 물보다 훨씬 퍼진 모양을 갖게 된답니다. 


오늘 함께 살펴보려고 했던 물 이야기는 여기까지 입니다. 어떠셨나요? 우리가 당연하게 생각하던 물의 특징들이 사실 엄청나게 특이한 성질로부터 비롯되었다는 점이 신기하지 않으신가요? 다음에도 재미있는 생활 속 과학이야기를 가져올 테니, 기대해주세요~!




 

 

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