물이란 무엇인가? … [2] 물의 생성과 수소결합의 신비

물분자의 생성

(1) 물분자의 생성

잘 알려져 있듯이 물(H2O)은 2개의 수소원자(H)와 1개의 산소원자(O)로 이루어진 화합물(化合物)이다.

그러나, 오랫동안 물은 산소나 수소 같은 원소라고 여겨져왔으며, 물이 원소가 아니라 화합물이라는 사실은 근세에 와서야 밝혀졌다. 그리고, 1781년에 이르러 비로소 수소와 산소로 직접 물을 화합할 수 있게 되었다.

수소분자와 산소분자를 2대 1의 비율로 혼합하는 것만으로는 아무일도 일어나지 않으나, 밖으로부터 많은 열이나 빛에너지를 가하면 폭발적으로 반응하여 물분자가 생성된다. 화학반응은 원자간 결합의 치환이므로, 대개의 경우 에너지를 가하여 분자를 활성화시킬 필요가 있다. 활성화된 원자나 분자가 다른 분자와 충돌하여 반응이 진행된다.

수소와 산소가 결합하여 물이 되는 간단한 반응에서도, 실제의 진행상태는 대단히 복잡하다. 에너지를 흡수한 수소분자가 하나라도 불안정하게 되어 원자로 갈라지게 되면, 이것이 계기가 되어 반응이 급속도로 확대된다. 일단 형성된 물분자는 지구에서는 물론 우주의 저쪽이라 하여도 완전히 동일한 크기와 모양을 하고 있다.

이같은 과정을 거쳐 생성되는 물분자는 이를 구성하는 산소나 수소의 원자와는 화학적 성질과 구조가 다른 '물'이라는 물질의 특성을 갖추고 있는 최소의 단위가 된다.

 

(2) 물분자의 결합 - 수소 결합

물은 화학식으로는 H2O로 표시되고 있다. 그러나 여러 연구 결과 액체의 물은 H2O가 아니고 물분자들이 서로 결합된 (H2O)n 으로 특정구조를 평균적으로 가지고 행동한다는 것이 밝혀졌다.

분자들을 결합시키는 힘에는 만유인력·반데르발스 힘·쿨롱의 힘·수소결합의 힘 등이 있는데, 물분자들 사이에는 반데르발스 힘과 수소결합의 힘이 이중으로 작용한다. 물분자에 있어서 수소원자의 양전하측은 같은 물분자의 산소원자의 음전하와 결합할 뿐 아니라 다른 물분자의 산소원자와도 결합하여 산소원자, 수소원자, 산소원자의 순으로 이어져 수소원자가 두 산소원자를 연결하는 양상으로 자리잡는다.

 

수소결합은 분자간의 결합력을 약 5%만큼 강화하는 데 불과하나, 이 5%의 분자간 추가인력은 물분자들을 ‘끈적끈적’하게 달라붙게 한다. 그런 물분자들을 떼어놓으려면, 즉 얼음을 녹이거나 액체의 물을 끓게 하려면 메탄 같은 비극성 분자보다 훨씬 많은 열에너지를 투입해야 한다. 환원하면 물의 녹는 온도와 끊는 온도가 비정상적으로 높아야 한다. 물은 수소결합으로 그 분자들을 보통보다 강하게 묶어주므로 수소결합이 없는 다른 물질보다 끓는 온도가 약 170℃나 높은 것이다.

수소결합은 그다지 강하지 않으나 물분자들의 방향이 특수한 구조를 만들면서 뻗어나가게 하여, 물의 성질에 큰 영향을 미친다. 수소결합으로 물의 비열이 가장 크기 때문에 지구 표면의 온도에서 물의 바다가 존재할 수 있고 그 안에서 수많은 생물들이 생존을 유지할 수 있는 것이며, 수소결합에 연유하는 ‘밀도 이상’으로 인해 고체인 얼음의 밀도가 액체인 물의 밀도보다 작아 추운 겨울에도 호수와 강이 표면만 얼어붙고 밑바닥까지는 꽁꽁 얼지 않아 수중생물을 죽지 않게 한다.

 

※ 반데르발스 힘: 모든 분자들 사이에서 작용하는 힘으로서, 한 분자 핵의 양전하와 이웃한 다른 분자의 최외각 전자의 음전하가 서로 당기는 정전인력이다. 이 힘은 분자간의 거리가 매우 가까울 때, 즉 분자들이 거의 접촉해 있을 때에만 그 힘이 크게 작용한다.

 

※ 수소결합: 수소원자가 모든 종류의 원자들 중에서 가장 작기 때문에 그 중심에 다른 원자들이 가까이 접근할 수 있다. 즉, 수소원자에 생기는 양전극과 상대방 원자에 생기는 음전극 사이의 거리가 가장 짧게 된다. 그런데, 양전하와 음전하 사이의 인력은 쿨롱의 법칙에 따라 거리의 제곱에 반비례하여 커진다. 다시 말해서, 두 전하 사이의 거리가 2로 가까워지면 그 인력이 4배로 커지고, ½로 가까워지면 그 인력이 4배로 커지고, ⅓로 가까워지면 9배로 커지는 식으로 급격히 강해진다.

 

☞ 다음 글에서 계속해서 [3] 물의 종류, [4] 물의 특성 등을 연재할 계획입니다. ✍