물을 알아?

물(water)은 산소(O)와 수소(H)가 결합된 화학 물질이다. 화학식 H2O를 가지며 표준 온도 압력(STAP : 섭씨 25°C 1 기압)에서 무색 투명하고, 무취무미하다. 물은 가장 보편적인 용매로 보통 액체 상태의 물을 가리킨다. 고체 상태인 것을 얼음, 기체 상태인 것을 수증기라고 부른다. 인공적으로는 수소와 산소를 혼합한 뒤 방전을 일으켜서 만들어 낼 수 있다. 열량이 없고 유기 영양분을 제공하지는 않지만 생명을 유지하는데 없어서는 안 되는 필수적 요소다. 인류를 비롯한 모든 생물에게 있어서 가장 중요한 물질이며, 생체의 주요한 성분이다. 인체는 약 70%, 어류는 약 85%, 그 밖에 물속의 미생물은 약 95%가 물로 구성되어 있다. 생명현상은 여러 물질이 물에 녹아있는 수용액에 의해서 일어나는 화학변화가 복잡하게 얽힌 것이라 말할 수 있다.
물은 지표면의 71% 정도를 덮고 있으며 지구상에 존재하는 전체 물의 97.5%는 바닷물이다. 인간이 이용가능한 담수(민물)는 2.5%인데, 그중에서 68.7%는 빙하와 만년설이고, 지하수와 토양의 수분 등을 제외하고 실질적으로 인간이 사용할 수 있는 물은 전체 담수의 0.3% 정도이며, 이는 지구 전체 물의 양에 0.007%에 불과하다. 한국의 연평균 강수량은 약 1,280㎜로 세계 평균 강수량(약 970㎜)에 비해 약 1.3배이며, 잠재적으로 사용가능한 전체 수자원의 약 26% 정도를 이용하고 있다. 
지구상의 존재하는 물의 총량은 일정하며 증발, 증산, 응축, 강수, 유출을 통해 순환한다. 바닷물, 대기의 수증기, 구름, 토양의 물, 지표수, 지하수, 동식물 사이에서 지속적인 이동이 이루어지며 이를  통해서 기후 변화를 좌우하고 끓임 없이 지구 생태계와 인류문명에 많은 영향을 주고 있다.

 

뜨거운 물로 눈 만들기

겨울철 북극에서 끓는 물과 찬 물을 공중에 뿌릴 때, 어느 쪽에서 즉시 눈을 만들 수 있을까? 장답은 끓는 물이다. 끓는 뜨거운 물을 찬 공기에 던지면 순식간에 얼어붙어 눈이 된다. 그러나 찬물을 사용하면 같은 효과를 얻을 수 없습니다. 왜 그럴까? 지금까지 알려진 바로는 "음팜베 효과" 때문이다. 물 분자는 산소 원자와 수소 원자가 공유결합으로 연결돼 형성되고, 각각의 물 분자들은 수소결합으로 연결돼 있다. 그런데 만약 물을 끓여 물 분자들이 서로 멀어지면, 즉 수소결합의 길이가 길어지면 물 분자 내의 공유결합 길이는 반대로 짧아지는데 여기에 에너지가 축적된다. 이때 중요한 것은 물이 얼음으로 바뀐다는 건 열역학적으로 에너지를 방출하는 과정이라는 점이다. 뜨거운 물은 찬물보다 에너지를 더 많이 축적하고 있기 때문에 냉각 시 공유결합이 길어지면서 에너지를 방출하는 속도도 더 빠르다. 따라서 뜨거운 물의 특성상 에너지를 더 빨리 방출할 수 있어 찬물보다 더 빨리 냉각되기 때문이다.

음펨바 효과 : 18.6도, 42.9도의 물을 공중에 뿌렸을 때 물이 냉각되는 온도를 보면 42.9도의 물이 더 빨리 더 낮은 온도로 냉각된다

얼음이 물어서 뜨는 이유

물은 4°C에서 최대 밀도에 도달한다. 더 냉각되고 얼음으로 얼면 실제로 밀도가 낮아진다. 반면에, 대부분의 물질은 액체 상태보다 고체(동결) 상태에서 가장 밀도가 높다. 보통의 액체들은 온도를 낮추면 고체로 변하는 과정에서 부피가 줄어들어 밀도가 커지기 때문에 액체 상태에 비하여 단위 부피당 무게가 더 커진다. 다시 말하면 물질을 얼리면 분자가 더 밀접하게 모여 격자를 형성하여 고체를 만든다. 그러나 물은 얼면서 밀도가 낮아진다는 점에서 특이하다. 물 분자는 하나의 산소 원자와 두 개의 수소 원자가 공유 결합으로 서로 강하게 결합되어 있다. 물 분자는 또한 이웃한 물 분자의 양전하를 띤 수소 원자와 음전하를 띤 산소 원자 사이의 약한 화학 결합(수소 결합)에 의해 서로 끌어당긴다. 물이 4°C 이하로 냉각되면 수소 결합이 조정되어 음전하를 띤 산소 원자를 분리함으로써 안정 상태를 유지하기 위해 분자 사이의 거리가 멀어져 거리를 유지하며 얼음이 된다. 그 결과 밀도가 작아져서 얼음이 물 위에 뜰 수 있는 것이다. 보통 얼음은 물보다 그 밀도가 9%정도 작아지고 상대적으로 물 보다 가벼워져 같은 부피일 때 밀도가 작다. 이런 물의 특성때문에 물은 수면부터 얼게되고 수면이 얼면 수면 위의 찬 온도가 수면 아래에 있는 물의 온도를 하강시키지 못하여 물이 깊은 곳 까지 얼지 않게 된다. 따라서 한 겨울에도 물속의 고기들이 샐명을 유지할 수 있는 것이다. 이것은 지구의 생명체에 중요한 의미를 갖는다. 그러나 모든 물 얼음이 일반 물에 뜨는 것은 아니다. 수소 동위원소인 중수소를 함유한 중수를 사용하여 만든 얼음은 일반 물에 가라앉는다. 수소 결합은 여전히 ​​발생하지만 일반 물과 중수의 질량 차이를 상쇄하기에 충분하지 않다. 따라서 중수 얼음은 중수에 가라앉는다.

얼음의 분자 구조 : 검은 색 선은 공유결합, 흰 점선은 수소결합으로 육각형 구조를 만들어 부피가 커진다.

 

물이 전기를 잘 통하는 이유
또한 순수한 물은 각각의 분자가 양 전하와 음 전하를 가지고 있지만 물 전체적으로는 양 전하의 양과 음 전하의 양이 같아서 전기적으로 중성이기 째문에 순수한 물은 전기가 통하지 않는다. 그러나 우리가 일상으로 접하는 물 속에는 불순물(각종 미네랄 등등)이 포함되어 있어서 그것이 전해질 역할을 하게 되어 전기를 잘 흐르게 만들어 매우 위험하다. 

물은 우리에게 꼭 필요한 것이지만 잘 못 다루면 인체에 매우 치명적인 위험을 초래할 수 있으므로 항상 주의를 해야만 한다.