물이란 무엇인가? … [4] 물의 특성

"만능용제로서의 물. 수많은 원소와 화합물을 품어 안아 생명의 대사를 돕는 따뜻한 용매의 에너지를 형상화했습니다."

(1)  물의 3대 기본 작용

물은 다음과 같은 기본적인 작용을 한다.

첫째, 진한 것을 희석(稀釋)시킨다.

둘째, 고체(固體)를 녹인다.

셋째, 세척(洗滌)·제독(除毒) 작용을 한다.

이와 같은 기본적인 작용을 통하여 물은 우리 몸에서 다섯 가지의 기능을 수행하고 있는데; 1) 용해제로서, 2) 운반매체로서, 3) 윤활제로서, 4) 냉각제로서, 5) 확산제로서의 기능을 가지고 있다. 그러나, 물속에 중금속 및 다른 오염물질들이 들어 있다면 물은 이 다섯 가지 기능을 다 할 수 없게 된다.

(2)  물의 경이성과 신비성

물은 지구상에 존재하는 수많은 물질 가운데 가장 신비롭고 흥미진진하며 경이로 가득찬 비범한 성질을 갖고 있다. 만약 물이 인간을 위해 조물주가 만든 한 작품이라면 우리는 물을 경건한 마음으로 우러러보아야 할 대상으로 삼아야 할 것이다. 가장 흔하면서도 그 무엇과도 바꿀 수 없는 물의 신비스러운 특성을 살펴보기로 하자.

가) 물은 상온(常溫)·상압(常壓)에서 물질의 3태(三態: 기체·액체·고체) 모두로 존재하는 유일한 물질

거의 모든 물질은 보통 온도에서 물질의 3가지 상태 중 어느 하나, 기껏해야 두 가지 상태로 존재한다. 그러나 물만은 예외로, 물질의 3태모두로 나타난다. 기체의 물인 대기 속의 수증기, 그것이 냉각 압축되어 만들어진 천차만별의 모양을 한 구름, 액체의 물인 빗물. 바닷물·강물·호수물. 폭포수 · 우물물·안개 • 이슬, 고체의 물인 눈과 얼음. 우박· 빙산 등 물은 '천의 얼굴'을 갖고 있다.

이 한 가지 성질만 해도 다른 어떤 원소나 화합물에서는 찾아볼 수 없는 생각해 볼수록 기이한 물의 특성이다.

나) 물은 천연적으로 바다를 이룰 만큼 다량의 액체로 존재하는 유일한 무기물

물의 성분인 수소와 산소는 지구상의 어떠한 기온 속에서도, 즉 아무리 덥거나 추워도 기체 상태로만 존재하는 무기물이다. 이 두 기체 상태의 원소가 화합하여 천연적으로 액체 상태의 무기물인 물을 만든다는 것은 생각해 볼수록 놀라운 사실이 아닐 수 없다.

물은 분자량으로 보면 -70℃ 안팎에서 끓어야 마땅하나, 실제로는 그보다 무려 170도나 높은 +100℃가 비점(沸點)이다. 물은 어는 온도가 O℃, 끓는 온도가 100℃로서 그 액체 온도폭은 무려 100도나 된다. 지구 표면의 온도에서 물의 바다가 액체로 존재하여 그 안에서 수많은 생명체가 생존할 수 있도록 만든 것은 바로 물을 170도나 더 뜨거운 온도에서 끓게 만든 수소결합인 것이다.

 

다) 물은 비열(熱)이 가장 커서 지구상의 기온을 살기좋게 조절하는 천연의 에어컨디셔너

비열(比熱, specific heat)이란 어떤 물질 1g의 온도를 섭씨 1도만 높이는 데 쓰이는 열량을 말한다. lcal는 lg의 물의 온도를 1℃(정확히 말해서 14.5℃에서 15.5℃로 올리는 데 필요한 열량이다. 비열은 동일 물질에서도 온도에 따라 달라진다. 아연의 비열은 -270℃에서 0.00001이다. 곧 1g의 아연을 -270℃에서 -269℃로 1℃만큼 올리려면, 0.00001cal만 있으면 된다. 그런데 O℃에서의 아연의 비열은 0.0297이며, 300℃에서의 아연의 비열은 0.356이다.

이에 대해 물의 비열은 0℃에서 1이며, 1g의 물이 1℃로 1도 올라갈 때 1cal의 열을 흡수한다. 이것을 아연과 비교하면, 물이 동일 온도에서 흡수하는 열량은 아연의 그것보다 33배 이상(1cal ÷ 0.0297cal=33.67)이나 크다. 즉, 물은 아연보다 33배나 많은 열량을 받아들여서 저장할 수 있으며, 그렇게 저장한 열을 후에 다른 곳에서 온도가 똑같이 내릴 때 아연에 비해 33배나 많이 쏟아 놓는다. 물은 어떤 물질보다도 훨씬 큰 비열과 융해열과 기화열을 가지고 지구의 기온을 알맞게 조절하는 값싸고 효율적인 에어컨디셔너인 것이다.

 

라) 물은 밀도(密度) 이상(異常)으로 고체인 얼음의 밀도가 액체인물의 밀도보다 작아서 고체가 액체 위에 뜨는 유일한 물질

일반적으로 물질은 그 온도가 떨어지면 부피가 줄어들고 밀도가 커지는 규칙성이 있다. 온도가 내려갈수록 그 물질을 구성하는 원자나 분자들의 운동속도가 느려진다. 기체인 물질의 온도가 계속 떨어져서 기체분자들의 운동에너지가 분자들을 액체로 결합하는 힘보다 약해지는 온도에 이르면 분자의 진동에너지가 분자의 자유로운 이동을 허용할 수 없을 만큼 약해져, 결국 분자들은 각기 어떤 고정된 위치에 주저앉으며 그에 따라 액체가 고체로 변한다.

그렇게 한자리에 주저앉은 분자들은 액체보다 조밀한 것이 보통이며 절대영도(絶對零度)인 -273.2℃에 이르러서 분자간의 진동에너지는 최소가 되고 그 때 밀도는 최대가 된다. 말하자면, 기체에서 액체로 변할 때, 또 액체에서 고체로 변할 때 밀도가 급격히 커진다. 즉, 기체에 비해 액체가 또 액체보다는 고체가 무겁다.

그러나, 오직 물만은 이러한 일반적인 물질의 규칙성에 반하는 특이한 성질을 갖는다. 물의 밀도 이상이 그것이다.

 

물은 4℃에서 밀도가 가장 크다. 곧, 4℃까지는 물도 여느 일반물질과 같이 온도가 떨어지면 부피가 줄어들고 밀도가 커진다는 규칙성을 충실하게 따른다. 그러나, 4℃보다 온도가 떨어지면 물은 그 밀도가 커지기는커녕 반대로 작아지고, 그 부피는 줄어들기는커녕 오히려 불어나기 시작한다. O℃에서 액체의 물 1cm의 무게는 0.9999g이나, 그 물이 열을 잃고 얼어붙으면 그 무게가 동일한 0℃에서 0.92g으로 1cm²당 0.0799g(0.9999 - 0.92)이, 백분율로 치면 약 8%가 단번에 줄어든다. 말하자면, 고체의 물인 얼음은 액체의 물보다 1cm당 0.0799g이나 가벼운 것이다.

따라서, O℃에서 물속에 얼음을 넣으면 물보다 0.0799g이 가벼운 얼음은 여느 물질처럼 고체가 액체 속에 가라앉지 않고 오히려 반대로 떠오르려는 마이너스 중력을 갖는다. 곧, 얼음은 물보다 가벼우므로 떠오르는데, 앞서 말한 약 8%가 물 위에 나타나고 나머지 92%는 수중에 잠긴다. 빙산일각의 경이는 빙산의 대부분이 수중에 숨어 있는 것이 아니라, 일부분이 물 위에 나와 있다는 데 있는 것이다. 얼음의 이같은 밀도 이상이 없다면, 즉 고체인 얼음이 다른 물질들처럼 액체인 물보다 밀도가 커서, 어는 대로 물 속의 밑바닥으로 가라앉는다면 수중생물들은 몰살당하고 말 것이다.

 

마) 물은 용해력이 월등한 만능용제(萬能溶劑)

물처럼 수많은 종류의 물질들을 다량으로 용해시킬 수 있는 액체는 드물다. 물은 극성분자이고, 그 정전기적 인력이 가장 강하므로 거의 모든 물질을 녹이는 막강한 용해력을 갖는다. 물의 다양하고도 강한 수용력으로 인해 바다는 숱한 종류의 광물들이 녹아서 쌓여 있는 지구 최대의 창고가 되었다. 이는 바다로 흘러 들어온 물이 그것과 접촉하는 모든 물질들로부터 무엇인가를 빼앗아 녹였기 때문이다. 지구를 구성하는 물질들은 한 곳에서 다른 곳으로 끊임없이 이동해 왔으며, 그러한 이동 중 가장 뚜렷한 것이 바다를 향하여 가는 물의 흐름이었다. 바다는 또한 바람이 실어오는 먼지와 흙도 받아들였다. 그래서 해수에는 약 80종 이상의 원소들과 숱한 화합물들이 있음이 밝혀졌다.

그 물의 만능적인 용해력은 인체 안에서 더욱 중요하다. 체내에서 단백질과 핵산, 녹말, 당은 모두 물에 녹아서 작용한다. 인체 내의 화학작용은 물과 친숙한 환경, 곧 수용액 속에서 진행되고 있다. 일반적으로 용액은 물질의 화학작용을 촉진한다. 물의 우수한 용해력 때문에 수용액이 탁월한 용제가 되고, 또 수많은 화학작용의 촉매가 되는 것은 놀라운 일이 아니다. 인체의 호흡작용과 대사작용이 그러하며 음식물의 요리까지도 물속에서 하는 경우가 많다.

 

☞ 다음 글에서는 ‘물이 인체에 미치는 영향’ 을 연재할 계획입니다. ✍