물 [Water] 이란?

[고무열]

 물 [Water] 이란?

요약

화학식 HO. 무색·무미·무취이며 상온에서 액체인 수소와 산소의 화합물. 천연에는 해수·호소수(湖沼水)·하천수·지하수·빙설 및 대기 중의 수증기 등으로서 존재하며 지구의 표면 근처에 가장 많이 존재하는 물질이다.

내용

화학식 HO. 무색·무미·무취이며 상온에서 액체인 수소와 산소의 화합물. 천연에는 해수·호소수(湖沼水)·하천수·지하수·빙설 및 대기 중의 수증기 등으로서 존재하며 지구의 표면 근처에 가장 많이 존재하는 물질이다.

지구상의 물이 언제 어떻게 해서 발생했는가에 관해서는 분명히 알지 못하지만 지구상의 생명을 탄생시킨 원시해양은 지금부터 35억 년 전에 발생하였으며, 적어도 20억 년 전에는 현대의 질량과 같은 해수가 존재했다고 추정된다.

1 지구상의 물

(1) 물의 양과 분포

지구상의 물은 해수와 육수로 나뉘며 그 외 소량의 물이 대기중에 존재한다.

해수는 지구표면의 70.8％를 덮고 있으며, 지구상 물 총량의 97.5％를 차지하고 있다.

해양의 평균 수심은 3795m이며, 총량을 지구의 겉넓이로 나누면 2647m가 된다. 육수 중에서 호소수나 하천수 등의 지표수는 육지넓이의 3％를 덮고 있는 데 불과하다.

그러나 북극권에서는 증발이 적은 데다 영구빙토로 배수 조건이 나쁘며, 담수넓이율이 30％ 이상인 지역도 있다.

지표수의 양은 〔표 1〕처럼 물의 총량에 비하면 적으나 순환속도가 빠르며 수자원으로서도 가장 중요하다.

빙하는 육지넓이의 11％를 덮으며, 육수부피의 70％를 차지한다.

전 빙하 중 89.7％는 남극대륙에, 또 9.8％는 그린란드와 북극지역에 있다.

지구상의 물 총량은 일정하므로 빙하의 양이 증가하면 해면은 낮아진다.

지금부터 1만 8000년 전 마지막 빙하기 최성기의 빙하는 현재 양의 약 3배 정도로 지구의 평균 해면은 약 130m 낮았다고 추정된다.

또 장래 대기 중 이산화탄소의 증가로 기후가 온난화하면 해면이 상승하고 해안 저지역에 심각한 영향이 나타날 것으로 우려된다.

지하수는 빙하 다음으로 양이 많고 그 분포 범위는 육지의 거의 전역에 미치는데, 총량의 정확한 추정은 어렵다.

[표 1〕의 값은 1951년에 C.S. 폭스가 지하수가 차지하는 암석의 간극률(間隙率)을 지표에서 깊이 760m까지는 4％, 760∼3750m는 1％로서 추정한 값이다.

〔표 1〕의 토양수의 양은 식물에 이용가능한 유효수분의 추정값이다.

소련의 M.I. 리보비치는 73년에 토양수의 총량을 8만 3000㎦로 추정하였다.

생물체 속의 물의 양은 동물과 식물을 합하여 1000㎦ 정도로 추정한다.

대기 중의 수증기를 모두 응결시킨 물의 양을 가강수량(可降水量)이라 하는데 전 지구의 평균 가강수량은 25㎜이다. 가강수량의 지리적 분포는 위도, 즉 기온과 수륙배치에 따르며 습윤한 열대기단이 우세한 지역에서는 40㎜를 넘지만 건조한 한랭기단 중에서는 2㎜ 이하에 불과하다.

(2) 물순환의 형태

물은 지구상에서 여러 가지 형 태를 취하는데, 그것들은 독립하여 존재하는 것이 아니고 지구상 물순환의 일부로서 서로 연 관되어 있다. 지구상 물의 대부분을 저류하고 있는 바다에서는 태양에너지에 의해 끊임없이 증발이 일어난다.

저위도지대에서는 태양에너지가 많고 해양의 넓이도 넓으므로 해면에 서 증발하는 물의 총량의 약 80％는 위도 40˚ 보다 저위도 쪽의 해역에서 증발한다.

증발한 수증기는 응결하여 구름이 되고 다시 비나 눈이 되어 그 90％ 정도는 직접 해상으로 떨어진다.

나머지는 바람에 의해 육지로 운반되어 지상으로 낙하한다.

지상으로 낙하한 물의 약 65％는 증발하여 대기 중으로 돌아간다.

나머지의 일 부는 땅 속으로 침투하여 지하수가 되고, 땅 속을 천천히 흘러 하천이나 호소를 이루든가 샘이 되어 지표로 나온다. 또 다른 일부는 지표를 흘 러 직접 하천으로 들어간다.

습윤지역에서는 하천이나 호소는 지하수에 의해 조성되는 것이 보통인데, 선상지(扇狀地)나 대지(臺地)를 흐르는 하천은 반대로 지하수를 조성하는 경우가 많다. 또 습윤지역에서 유출하천이 없는 호수의 바닥에서는 대량의 물이 지하수로서 유출되고 있다. 건조지역에서는 하천은 흘러가면서 증발 하거나 땅 속으로 침투하여 물을 잃고 끝이 없어져버리는 경우가 많다.

내부유역(강수량이 적기 때문에 바깥바다로 유출하는 하천이 없는 대륙 내부의 유역)의 호소는 강수량의 변동에 좌우되어, 계절적·시대적으로 호의 넓이가 크게 변화한다.

그 밖의 하천수는 바다로 돌아간다.

이와 같이 물순환은 시작도 끝도 없는 복잡한 계(系)를 이루고 있다.

지역과 시간을 정하여 물의 출입을 계산하는 것을 물수지[水收支]라고 한다.

리보비치는 대륙별 물수지를 〔표 2〕와 같이 정리하였다.

기저유출량은 하천 유량 중에서 주로 지하수 유출로 생긴 변동이 적은 성분, 직접유출량은 강우 후 빨리 유출하는 변동이 큰 성분이다.

지하수는 전 유출량의 약 1/3 이며, 하천의 유량을 안정하게 한다.

전습윤 량은 토양 속을 통과하는 물의 양으로, 식물의 생육에 관여하는 생태계의 중요한 물이다.

(3) 물 순환의 속도

지구상의 물순환은 해양·하천·빙하·토양수대·지하수대 등의 물을 저류하는 능력이 있는 여러 가지 수문(水文) 시스템이 복잡하게 조합된 연속순환계를 생각할 수 있다.

어떤 수문 시스템의 저류량을 S, 그 시스템 속을 단위시간에 통과하는 물의 양을 Q라 할 때, S/Q를 그 수문 시스템의 평균체류시간이라 한다.

예를 들어 대기 시스템을 생각해보면 지구의 연평균 강수량은 약 1000㎜이며, 대기 중의 수증기 평균저류량(가강수량)은 25㎜이므로, 수증기의 평균체류시간은 0.025년, 즉 약 9일이 된다.

이와 같은 방법으로 계산한 물의 평균체류시간이 〔표 1〕의 값이다.

육수(陸水)의 체류시간은 일반적으로 저류량이 큰 것일수록 길다.

남극대륙 얼음의 수지로부터 구한 대륙빙하의 평균체류시간은 약 1만 년이다.

그러나 유역에 따라 1000∼2만 년까지의 차이가 있다.

얼음을 구성하고 있는 수소나 산소의 안정동위원소 조성은 강수가 생겼을 때의 온도에 따라 다르다.

이 원리에 의거하여 빙하의 보링 코어에 의한 고기후(古氣候)의 복원이 행해지고 있다.

지하수의 체류시간은 평균 800년 정도인데, 지역이나 심도에 의한 차가 크다.

지하수의 순환속도는 일반적으로 얕은 층일수록 활발하며 체류시간도 짧다.

수소의 방사성동위원소인 환경트리튬(3중수소)을 추적자(tracer)로 한 연구에 의하면 산지 소유역의 얕은 층 지하수의 체류시간은 수 년, 홍적대지의 얕은 층 지하수는 10여 년이다.

체류시간이 수천∼3만 년 정도인 지하수의 연령은, 탄소의 방사성동위원소인 탄소 14C를 추적자로 하여 추정할 수 있다.

이 방법에 의하면 아프리카의 사하라사막이나 미국 텍사스주 카리조사막의 지하수 연령은 2만∼3만 년이며, 빙기의 현재와 다른 기후조건에서 조성된 물이라고 추측된다.

이와 같이 지하수의 체류시간은 지표수에 비해 대단히 길므로, 한번 오염되면 원래의 상태로 회복하기까지는 긴 시간이 걸린다.

호소수의 평균체류시간은 호소의 규모나 수문 조건에 따라 수년∼수백년의 차가 있는데, 같은 시기의 호수 내부에 체류시간이 명료하게 다른 물이 존재하는 경우도 있다.

이러한 호수를 부분순환호라 하며, 하층에 염수가 침입한 기수호(汽水湖)나 하층수의 염분농도가 진한 염호에 많다.

예를 들면 미국 뉴욕주에 있는 그린호는 깊이 18m에 화학약층(化學躍層)이 있으며, 심층수의 염분농도는 표층수의 약 2배이다.

표층수의 체류시간은 2년이지만, 심층수는 4∼30년으로 길다.

(4) 환경과 특성

지구상의 물은 기권·수권·암석권을 순환하는 과정이며, 각각의 환경에 따른 특정한 수질을 갖게 된다.

강수는 천연의 증류수이지만 대기 중에서 각종의 에어로졸(煙霧質)·가스 등을 함유하게 된다.

예를 들면 해안 부근의 비는 내륙의 비에 비해 염분의 함량이 많으며, 대기오염지역에서는 강수 중에 오염물질이 다량으로 함유되어 있다. 대기오염이 원인이라 생각되는 산성비는 북유럽이나 북아메리카에서 삼림이나 호소 생태계의 파괴를 일으키고 있다.

지하수는 유속이 느려 암석과의 접촉시간이 길기 때문에 국지적인 지질조건을 강하게 반영한 화학 성분을 가진다.

예를 들면 이산화탄소를 녹인 물이 석회암 같은 탄산염성암석과 접촉하면 탄산수소칼슘을 다량으로 함유한 센물[硬水]이 생긴다.

일반적으로 지하수의 음이온 조성은 지하수의 유동에 의해 체류시간이 길어짐에 따라 탄산수소염타입에서 황산염타입으로, 또 바닷물의 조성에 가까운 물로 진화하며 용존물질의 양도 증가한다.

하천수의 성분은 강수에 함유된 성분, 지표에서 녹아들어온 성분, 지하수에서 공급된 성분으로 이루어진다. 일반적으로 하천수는 흘러가면서 용존성분이 증가하고 또 도시 배수나 공장배수의 혼입에 의해 수질이 변화한다.

호소수의 수질을 결정하는 큰 요인은 유입하천의 수질이다. 인이나 질소를 함유하는 영양염분이 다량으로 유입하면, 호의 부영양화(富營養化)가 일어난다.

그 대책으로서는 산업배수·합성세제·농약·비료·분뇨 등의 유입방지가 필요하다.

내륙에서 증발량이 유입량을 상회하는 호소에서는 염분이 농축되어 염호가 된다.

사해(死海;서아시아의 요르단·이스라엘)와 함께 세계 최대의 염분농도를 가진 북아메리카의 그레이트솔트호는 지금부터 1만 년 전까지는 담수호였으며 유출하천도 있었다.

당시 호수의 부피는 현재의 500배 이상이었으나 기후의 온난화로 현재의 상태로 축소하였다. 천연수의 수질은 이와 같은 자연조건의 변화 외에 인간활동의 영향에 의해 변화한다.

그 메커니즘은 여러 가지이지만 산업폐기물이나 도시 배수의 방류처럼 직접 천연수 속으로 물질이 부가되는 경우 외에 해안지하수의 과잉 양수(揚水)에 의해 지하수가 염수화하거나, 하천 상류에서의 취수(取水)에 의해 하류부의 유량이 감소하고 그 결과 해수가 거슬러 올라오는 경우도 있다.

(5) 수자원

지구상에는 13억∼14억㎦의 물이 존재하는데 그 중 인간이 이용할 수 있는 물은 한정되어 있다.

물은 항상 순환하고 있으므로 광산자원과는 달리 갱신 가능한 자원이다. 그러나 물에 따라 체류시간이 다르므로, 수자원 개발에는 이 점을 고려하는 것이 중요하다.

지하수의 총량은 지표수에 비하면 대단히 많은데, 순환속도가 느리므로 보급 속도를 무시하고 대량의 양수를 하면 지하수위의 저하로 지반침하, 해안지하수의 염수화 등이 일어난다.

물을 자원으로서 평가하는 경우 양과 함께 질도 중요하다.

상수도용 물로서는 병원균이나 독물을 함유하지 않을 것, 비정상적으로 산성이나 염기성을 띠지 않을 것, 무색투명하고 냄새가 없으며 불쾌감이나 불안감을 주지 않을 것 등이 요구된다.

공업용수의 수질은 용도에 따라 다르다.

예를 들면 집적회로(IC)의 세정용에는 대단히 순도가 높은 초순수(超純水)가 요구되며, 보일러 용수도 높은 순도가 필요하다.

또 식품 등의 원료 용수에는 상수도와 같은 기준의 물이 요구되는데, 냉각용수 등은 엄격한 수질기준을 필요로 하지 않고 해수가 이용되는 경우도 있다.

세계적으로 보면 수자원은 점점 부족해지고 있다. 그 때문에 유네스코에서는 수문학의 연구촉진과 수자원관리의 향상을 목표로 국제협력사업으로서 국제수문화계획(IHP)을 1965년부터 실시하고 있다.

2. 물의 과학사

물은 생물의 생존에 없어서는 안될 중요한 물질이다. 그 때문에 물에 대한 관심도 깊어 예로부터 많은 사람들의 흥미를 끌었으며, 철학자들에게 있어서는 중요한 사색(思索)의 대상이 되었다.

(1) 물의 원소설－1원소설과 4원소설

BC 6세기경 고대 그리스의 철학자 탈레스는, 물이 우주의 모든 기본적인 원소라는 일원론을 생각하고, 모든 물질은 물이 다른 형태로 나타나는 것이라 했다.

그 당시 견해에서는, 대지는 대해(大海)에 떠 있는 것이라 했으며 또 물은 어디든지 있고 또 눈·싸락눈·우박·얼음 등의 고체, 비·이슬·안개 등의 액체, 수증기 등의 기체가 되는 등 많은 변태를 만든다는 것에 근거한 발상이었다고 추측된다.

BC 5세기경이 되어 엠페도클레스가 흙·공기·불과 함께 물을 모든 것의 기본 원소라 하는 4원소설을 제창했는데, 이와 같이 물을 원소로 하는 견해는 그 후로도 이어져 17세기경까지 남아 있었다.

예를 들면 공기 중에 탄산가스가 있음을 안 벨기에의 J.B. 헬몬트조차도 식물이 물만으로 성장함을 증명하려고 유명한 버드나무 실험을 하였다.

즉 말린 흙 200lb를 화분에 넣고 5lb의 어린 버드나무를 심어 흙이 바람에 날리지 않도록 철판을 씌우고, 매일 물뿌리개로 물을 주어 4년간 키웠다.

그리고 최후에 흙의 무게를 잰 결과 200lb에서 2온스가 모자랄 뿐이었다.

나무의 무게는 169lb 3온스였다. 그는 버드나무가 164lb 3온스 증가한 것은 물이 나무가 되었기 때문이라고 생각했다(식물의 광합성에 관해서 당시에는 알지 못했다).

나무는 태우면 재가 남는다.

재는 흙이다.

즉 물이 나무나 잎이 되고, 나무는 타서 연기와 흙이 된다는 개념이다.

(2) 원소설의 부정

물이 원소라는 것에 대해 부정적인 의견을 가진 것은 16세기의 독일 광산가 G. 아그리콜라였으며, 그것을 확인한 것은 프랑스의 A.L. 라부아지에였다.

18세기 후반에는 아직 4원소설의 신봉자가 많았으며, 그 4원소의 하나인 물이 다른 원소로 바뀐다는 견해는 꽤 많은 사람이 믿었다.

예를 들면 유리제의 증류장치로 물을 증류하면 증류기 바닥에는 항상 불용성 물질이 남아 있다는 사실은 물에서 흙이 생긴다는 증거라 했다.

이것에 대해 라부아지에는 유명한 펠리칸 실험으로 이것을 부정했다. 펠리칸이라는 것은 연금술시대에 이용된 실험기구로, 증류기가 동시에 유출물의 수기(受器)를 겸한 장치이다.

라부아지에는 1768년 10월 24일부터 다음해 2월 1일까지의 101일간 밀폐한 유리제 펠리칸 속의 증류수를 가열하고, 그 전후에 펠리칸과 물의 무게를 측정했다.

그 결과 펠리칸과 물의 총 무게는 변하지 않았으나, 얻어진 물을 꺼내어 증발건조시키고 남은 흙 같은 물질의 무게와 바닥에 남은 흙 같은 물질의 무게를 합한 것이 펠리칸의 감량(減量)과 거의 같았다.

즉 문제의 흙은 유리가 물에 녹은 것이라는 사실을 나타낸 것이다.

(3) 물은 화합물

펠리칸 실험에서는 물이 원소가 아니라는 것을 나타냈는데, 그 조성에 관해서는 알 수 없었다.

물의 조성을 처음으로 밝힌 것은 영국의 H. 캐번디시이다.

그는 1781년 그가 말하는 가연성 공기(수소)와 플로지스톤공기(산소)와의 혼합물 속에서 전기 불꽃을 일으키면 물만이 생성된다는 것을 발견했다.

물론 캐번디시는 플로지스톤설의 신봉자였으므로 이것을 플로지스톤설로 설명하고 있으나, 그 후 84년경까지 정확한 실험을 반복하여 수소 2부피와 산소 1부피에서 물이 생기는 것을 확인했다.

그러나 이것에 대해 라부아지에는 홑원소물질로서의 수소와 산소의 반응에 의해 물이라고 하는 화합물이 만들어진다는 바른 설명을 했다.

또 물을 분해하여 수소와 산소로 하는 실험을 하여 합성과 분해의 양면에서 물이 원소가 아니라 수소와 산소의 화합물이라는 것을 밝혔다.

즉 85년 적열(赤熱)한 철관 속으로 물을 통과시키면 수소가 발생한다는 것을 나타냈다(산소는 철과 화합해서 산화철을 생성한다). 이와 같이 해서 물의 원소설은 완전히 부정되었다.

또 그후 영국의 W. 니콜슨 등은 1801년 볼타의 전지를 이용하여 최초로 물의 전기분해를 하여, 양극에서 산소가 1부피, 음극에서 수소가 2부피 발생함을 알았다.

이것은 다시 프랑스의 J.L. 게이뤼삭에 의해 정밀하게 실증되어, 물은 수소와 산소로 이루어지며 그 조성은 수소 2에 대해 산소 1이라는 것을 밝혔다.

3. 물이란 무엇인가

(1) 물의 조성

물은 수소 2, 산소 1로 이루어진 물질이며, 화학식 HO로 표시된다.

천연의 물을 각종 방법으로 정제한 이른바 증류수는 이 식에 일치한다.

물은 우리들 주위에 대단히 많이 존재하고, 풍부하게 사용할 수 있으며, 정제도 쉬우므로 예로부터 많은 것의 표준으로서 이용되었다. 예를 들면 물의 끓는점과 어는점을 온도의 표준으로 하고 그 사이를 100등분하여 섭씨온도로 하였다.

즉 물의 어는점이 0℃이고, 끓는점이 100℃이다.

또 4℃의 물 1m의 무게를 1g으로 한다.

물은 4℃, 정확하게는 3.98℃에서 최대의 밀도(0.999973g/㎤)가 되므로 이것을 표준으로 취한다. (고체 즉 얼음일 때는 수소결합에 의해 비교적 틈이 많은 구조이지만, 온도가 올라가면 그것이 끊겨 틈이 적어지기 때문에 팽창에 의한 밀도감소가 덜어져 밀도가 최대로 된다) 이상과 같이 이들 물리적 측정이 정밀해짐에 따라 순수한 물의 조성이 문제가 되어 자세히 조사한 결과, 수소에는 동위원소 H 및 D, 산소에는 동위원소 O, O, O이 있다는 것이 확인되어, 천연의 물은 각종 중수(重水)와 경수(輕水)의 혼합물이라는 것을 알았다.

이들 중수는 항상 대체로 일정한 비율로 천연수에 결합되어 있는데, 해수나 마그마수 등에는 보통의 천연수보다 약간 더 많이 함유되어 있다.

(2) 물의 성질

증류수 내지 순수는 무색·투명하고 무미·무취의 액체이다.

물은 다음과 같이 전리한다. 
이온화가 약간 일어나므로 물의 농도 [HO]는 일정하다고 추측되기 때문에 [HO]=라 놓으면 는 온도에 따라 거의 일정하게 된다. 이 때의 log는 0℃:14.935, 10℃:14.5346, 20℃:14.1669, 30℃:13.8330으로 상온에서는 거의 14이다.

이 를 물의 이온곱이라 한다.

물은 알칼리금속원소·알칼리토류금속원소와는 상온에서, 마그네슘과는 열수에서, 또 가열한 철과는 수증기에서 반응하여 수소를 방출하고, 금속의 수산화물 또는 산화물을 남긴다.

많은 금속의 산화물과 반응하여 수산화물이 되며, 비금속 산화물과 반응하여 그것들의 산소산(oxy acid)을 만든다.

또 많은 무기물·유기물을 용해하는데, 무기물에서는 이온결합성이 강한 무기염류, 유기물에서는 극성이 강한 분자로 된 것, 또는 물분자와 수소결합을 만들기 쉬운 것 등이 용해성이 높다.

(3) 물의 구조

수증기 속에서는 독립한 물분자 HO가 존재하며, 〔그림 2〕에 표시한 것과 같은 모양의 이등변삼각형이다.

보통 얼음의 결정 속에서는 이 물분자가 수소결합에 의해 무한히 이어지고 인규석형(鱗珪石型) 구조를 취하고, 인규석 SiO의 Si가 O, O가 H가 된 구조를 취한다.

즉 〔그림 2〕와 같은 결정이 3차원적으로 이어져 있고, 6개의 O가 이어진 구조로 되어 있으며, 물분자 사이에는 공간이 있다. 이 때문에 얼음이 물보다 가벼운 것이다.

보통의 얼음을 다시 얼리면 －70∼－160℃ 사이에서는 크리스토발라이트형 구조가 된다.

이것은 인규석형과 기본적으로 같으나 O의 위치가 조금 변하여 인규석형이 육방정계인 데 대해, 등축정계로 되어 있다〔그림 3〕. 이 얼음은 더욱 저온에서는 무정형에 가까운 미결정(微結晶)의 집합체로 이루어진다.

얼음은 O-H-O로 3차원적으로 무한히 연결된 구조이므로 단결정은 이른바 하나의 거대분자라고 할 수 있다.

이 수소결합에 의해 연결된 결정이므로 얼음은 대단히 딱딱하다. 일반적으로 고체는 가열하면 녹는데, 얼음도 0℃에서 융해한다.

이때 얼음의 융해열은 6.01kJ/mol(337J/g)로 대단히 크며, 예를 들면 벤젠이나 나프탈렌 등처럼 유기분자로 이루어진 것의 수 배이다.

또 보통 물질과는 달리 융해할 때 부피가 감소한다.

이것은 결정이 융해하여 액체로 되기 위해서는 인규석형 구조에서 보이는 수소결합이 먼저 절단되고, 이 구조가 붕괴되지 않으면 안되기 때문에 열량이 필요한 것이며, 이 골격이 붕괴되면 결정의 공간이 적어지므로 부피는 감소하는 것이다.

그러나 0℃ 부근에서는 아직 많은 수소결합이 남아 있어서 많은 공간이 있으며, 다시 가열하면 또 수소결합이 끊겨 3.98℃에서 최대밀도가 된다.

그 보다 더 가열하면 팽창에 의한 밀도의 감소로 비중은 감소한다.

보통의 물은 얼음결정이 군데군데에서 절단되어 생긴 것이라고 생각해도 되며, 이른바 얼음에 가까운 의결정(擬結晶)이다. 저온에서는 이 수소결합에 의한 물분자의 회합이 남아 있는데 (HO)이며, 상온 부근에서는 이 4∼5이다.

(4) 물·얼음·수증기

물은 0℃, 1기압에서 응고하여 얼음이 된다. 단지 대단히 서서히 냉각하면(過冷却) －10℃ 정도까지 액체로 유지할 수도 있으나 이때 어떠한 충격이나 기타에 의해 한 순간 모두 얼음이 된다.

이것은 보통 얼음, 즉 얼음 이라 불리는 것으로 0℃ 이하 2000기압 이내에서 안정한 것이다.

이 밖에도 고압하에서는 얼음 Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ,Ⅵ,Ⅶ 등이 알려져 있다.

또 물은 100℃에서 끓음에 의해 수증기가 된다.

그러나 살며시 가열하면 100℃를 넘어도 끓지 않는 경우가 있다.

이와 같은 상태는 준안정상태이며, 이 과열된 상태에서 또 가열하면 갑자기 폭발적으로 끓어 수증기가 되는데 그 기화열로 100℃로 돌아간다.

그러나 그것보다 낮은 온도에서도 어떤 값(예를 들면 10℃에서 수은주 9.209㎜)의 수증기압을 가지고 있는데, 밀폐용기 속이라면 그 용기 속에서는 그 압력이 되기까지 수증기를 증발시킨다.

따라서 밀폐되어 있지 않고 대기에 액면이 접해 있을 때는 대기 중의 수증기압과 같아질 때까지 증발을 계속하든가 또는 대기 중의 수증기가 액화한다.

대기 중의 습도가 낮아 그 수증기압 이하일 때는 물이 없어질 때까지 증발하여 수증기가 된다.

(5) 물의 정제

천연에 존재하는 물은 많은 물질을 녹이는 성질이 있다.

비는 공기 중에 부유하는 진애(塵埃)를 비롯하여 산화질소나 이산화탄소 등을 녹이며, 하천의 물은 흐르는 동안 칼슘염·마그네슘염을 비롯하여 각종 무기염류 및 유기물을 녹인다.

이러한 물이 토양·사층 등을 통과하는 사이에 불순물이 제거되는데 청정해진 샘이나 우물 등의 물에도 어느 정도의 칼슘염·마그네슘염 등이 녹아 있는 것이 보통이다.

칼슘이온이나 마그네슘이온이 다량으로 용해되어 있는 물을 센물이라 하며 소량 용해되어 있는 물을 단물이라 한다.

호소에서 흘러 나오는 물 또는 하천의 물이 흘러 들어가 반복되어 증발 농축된 것이 바다이므로, 바다에는 극히 많은 염류가 녹아 있다. 세계 해양표층의 수중 염분농도는 현재 3.3∼3.8％이며 가장 대량으로 존재하는 것이 염화나트륨이다.

이 때문에 그대로는 음료용으로 부적당하다. 천연수를 적당하게 처리하여 인공적인 목적으로 사용하기 위해 행하는 분석을 ＜아쿠아메트리＞라 하는데 음료수의 수원 오탁이 문제시되고 있는 최근에 성행하고 있다.

연구 또는 의약품 기타 목적을 위해 화학적으로 순수한 물을 얻으려면 물을 증류하든가, 이온교환수지를 이용하여 각종 양이온 및 음이온을 제거하는 방법을 취하는 것이 보통이다.

증류로는 몇 번 반복하면 거의 순수한 물이 얻어지는데, 물은 많은 물질을 녹이기 때문에 이때 이용되는 용기의 성분도 약간 녹으므로 석영용기 또는 주석용기 등을 이용하여 그것을 막는다.

그래도 완전히 불순물이 제거되지 않는 경우가 많으므로, 주로 증류수에 과망간산칼륨을 첨가하여 재증류한다.

이온교환수지를 이용하여 염류를 제거하는 방법은, 수소형 강산성양이온교환수지로 제거해야 할 양이온을 H와, 수산형 강염기성음이온교환수지로 제거해야 할 음이온을 OH와 교환하여 불순물을 제거하는 정제법이다.

이 방법으로 정제한 물을 탈이온수라고 하는 경우도 있다.

이와 같이 증류수나 탈이온수는 신중하게 만들면 아주 순수한 물이 얻어지지만 어느 정도 용해물질이 남는 것이 보통이다.

염류를 제거하려면 증류법보다도 이온교환수지를 이용하는 편이 유리하지만, 이 경우에는 수지 중의 유기물이 어느 정도 녹아 나오는 경우가 많다.

염류의 제거 정도, 즉 순수한 물이 되는 정도는 염류의 용해가 약간이므로 물의 비저항(比低抗)을 재서 나타내는 경우가 많다.

일반적으로 비저항 10×10 이상의 순수는 물전기분해용 등에 이용되고, 비저항 100×10 이상의 순도가 더 높은 것은 고압기관용수·원자로용수 등에 이용된다.

비저항 100×10 이상의 순수는 용액의 전도율 측정에 이용될 정도의 순수한 것으로 ＜전도도수(傳導度數)＞라 한다. 현재는 이온교환수지를 이용하여 1800×10의 순수가 얻어진다.

(6) 수용액

물분자는 모양에서 알 수 있듯이 쌍극자로 되어 있다.

〔그림 4〕. 즉 산소 O는 2개의 수소 H와 공유결합에 의해 그 원자가를 만족시키고 있는데, 공유결합에 사용되지 않은 2개의 비공유전자쌍은 O와 H의 결합방향과는 반대쪽에 있으며, 분자 전체는 전기적으로 중성이더라도 O원자 쪽은 전기적으로 음, 2개의 H원자 쪽은 양, 따라서 쌍극자를 만들고 있다.

이것에 의해 물분자의 유전율(誘電率)은 대단히 크며 이외의 다른 액체에 비해 가장 크다.

또 물분자의 O-H결합은 전기음성이 강하고 또한 결합에 사용할 수 있는 궤도의 여유가 있는 원자를 가진 분자와는 수소결합을 잘 만든다.

이러한 까닭으로 대단히 많은 이온 또는 분자와 큰 친화력을 가지고 있으며 여러 가지 물질과 섞이기 쉽고, 많은 물질을 녹이게 되어 가장 우수한 용매로서 알려져 있다.

예를 들면 염화나트륨 NaCl이나 브롬화칼륨 KBr 등과 같은 이온 결정은 물에 잘 녹는다.

NaCl의 결정에서는 나트륨이온 Na와 염소이온 Cl는 3차원입방격자로 늘어서 있으므로 결정 속에서의 결합력은 Na와 Cl 사이의 정전기인력이 주된 것이다. 

 Na와 Cl의 거리이며 이 경우는 2.81는 전기량으로 이 경우 전자 1개의 전하에 상당한다.

또 은 매체의 유전율이며 이 경우 양 이온 사이에는 아무것도 존재하지 않으므로 진공의 유전율이 된다.

이 결정을 물 속에 넣으면 물분자의 열운동으로 양 이온 사이에 물분자가 오면 물분자의 유전율 과 진공의 유전율 의 비가 1/80인 것에 의해 는 약 1/80이 되어 극단적으로 작아진다.

 그 때문에 격자를 유지할 수 없게 되며 Na와 Cl가 격자 밖의 물로 끌려 나가게 된다. 이때 물분자는 쌍극자이므로 Na에 대해서 몇 개의 물분자의 음부분, 즉 O원자가 Na에 배향하여 둘러싸고, Na를 물 속에서 지지한다.

음이온의 Cl에 대해서도 마찬가지로 물분자의 쌍극자의 양부분이 배향하여 물 속에서 섞이게 된다.

이 상태가 물에 용해된 상태라고 추측된다. 이때 예를 들면 Na에 배향하는 물분자의 수는 상온에서 4∼6개라고 한다.

이것에 대해 수정 SiO나 황화아연 ZnS 등과 같은 결정에서는 Si-O 또는 Zn-S 사이의 결합은 이온성보다 공유성이 상당히 강하며, 결합에 정전기인력이 관여하는 정도가 적으므로 물분자로 결합을 약하게 할 수 없기 때문에 용해되지 않는다.

또 설탕의 결정은 설탕분자 CHO이 －OH기에 의한 수소결합에 의해 3차원적으로 연결된 것이며, 물분자는 설탕분자와 수소결합에 의한 친화력으로 에워싸서, 설탕을 녹이게 된다.

이것에 대해 나프탈렌이나 파라핀이 물에 전혀 녹지 않는 것은 이들이 탄화수소이어서 물분자에 대해 친화력이 없기 때문이다.

액체에서도 마찬가지여서, 석유(가솔린이나 등유 등)·벤젠 등은 물과 섞어도 분리되어 녹지 않는다.

이것은 물분자와의 사이에 수소결합을 만드는 상대원자가 존재하지 않으며, 친화력이 없기 때문이다.

이것에 대해 에탄올(에틸알코올) CHCHOH는 물과 임의의 비율로 섞인다.

에탄올분자의 -OH기는 물분자와 수소결합을 아주 쉽게 만들 수 있기 때문이다.

(7) 결정수

물은 많은 물질을 잘 용하는데, 그것들의 수용액에서 그 물질의 결정을 꺼내면 일정한 비율의 물을 함유한 결정이 얻어지는 경우가 있다. 이때의 물을 일반적으로 결정수라 한다.

일정한 비율, 즉 화학량론적인 일정비를 취하지 못하는 경우도 있으나, 그것은 결정 안에서의 격자구조에 본질적인 변화가 보이지 않는 불석수(沸石水)의 경우나, 기체분자를 얼음의 결정격자 속에 가둔 클래스레이트화합물인 경우이다.

이와 같이 일반적으로 결정수라 할 때는 화학량론적인 일정비의 물을 포함한 화합물을 가리키며 구조 및 결합상태에 따라 격자수·배위수·구조수 등으로 구별하는 것이 보통이다.

(8) 이상수(異常水)

보통 물과 대단히 다른 성질을 가진 물을 말한다.

고압하의 얼음처럼 비정상적인 성질을 나타내는 경우도 있다.

잘 알려져 있는 것은 자화수(磁化水)와 폴리워터이다. 자화수라는 것은 물을 자기장 속에 놓고 처리한 물로서, 예를 들면 천연수를 자화시킨 물은 부유선광에 이용하면 효율이 높다든가, 보일러 속에서의 관석침전(罐石沈澱)이 보통의 경우와 다르다고 한다.

다만 이러한 물이 어떻게 해서 달라졌는지는 확실하지 않다.

폴리워터는 1965년 소련의 계면화학자 B.V. 데랴긴이 최초로 그 존재를 보고한 것이다.

그는 안지름 2/100㎜ 정도의 아주 가는 석영관 속에서 포화수증기로부터 물을 응축시키면 보통의 물과는 전혀 성질이 다른 이상수(anomalous water), 즉 ＜물Ⅱ＞를 만든다고 했다.

그에 의하면 ＜이 물은 비중이 약 1.4이고, 표면장력 및 점성이 높으며 수증기압이 낮다.

또 저온에서도 얼지 않으며 보통 물과 섞어도 온도에 따라 2층으로 나뉘기도 하고 섞이기도 한다.

분자량은 보통 물의 4∼10배이며, 700℃에서 증류할 수 있으나 800℃에서는 보통의 물이 된다＞고 한다.

이것에 대해 많은 화학자가 흥미를 갖고 각종 검사를 하였는데 불순물에 의한 오인으로 밝혀졌다.

4. 물의 이용

(1) 한국의 수자원

한국에는 연중 1159㎜의 비가 내리며 월평균강수량은 96.9㎜이다.

수자원 보존량은 국토면적 9만 9000㎢, 연평균강수량 1159㎜로 계산할 때 연간 총 1140억㎥이다. 이 가운데 42％에 해당하는 478억㎥가 증발로 손실되고, 총유출과 비이용수량을 제외한 실제 이용수량은 161억㎥이다.

(2) 생활용수

생활용수란 인간이 살아가는 데 있어서 음료·요리·세탁·목욕 등 일상 생활에 필요한 물이며, 음료수나 음식물 성분으로서 인체에 직접 섭취되는 것과 세탁·목욕과 같이 간접적으로 이용되는 것으로 나눌 수 있다.

그러므로 생활용수는 병원균과 인체에 유독한 성분이 포함되지 않아야 하며 물리적·화학적 성질로는 색·냄새·맛 등이 불량하여 불쾌감을 주어서는 안된다.

(3) 농업용수

토양이 그 기반으로서의 역할을 다하기 위해서는 반드시 물이 있어야 한다.

한국의 농업기반조성 사업에 의하면 국토면적 가운데에서 22％에 해당하는 218만ha가 농경지이고, 66％인 655만ha가 임야이며, 나머지 12％인 117만ha가 도로·하천·택지 등이다.

농경지에 이용되는 농업용수는 연간 108억㎥로 총이용수량의 67％를 차지한다.

이러한 농업용수는 간척사업으로 인한 농지의 확장과 전작(田作)의 관개화 등으로 수요가 증가하고 있다.

(4) 공업용수, 수질오염 및 대책

도시가 발달하고 문화수준이 향상되면서 주거지역과 공업지역이 분리되고, 공업의 규모가 확대되면서 생산활동에 필요한 공업용수가 생활용수와는 별도로 취급되게 되었다.

한국은 1960년대 후반부터 공업화정책에 치중하기 시작하여 전국에 많은 공업단지들을 조성하였고, 이들 지역에 대한 공업용수공급을 위해 전용 용수시설을 건설했거나 계획하고 있다.

지금까지는 공업용수로서 이용되고 있는 것이 7억㎥로서 총이용수량의 4％ 정도에 불과하나 그 수요는 급증할 것으로 예상된다.

생활용수와 공업용수로 사용된 뒤 하천으로 배수되는 생활하수 및 산업폐수는 공중위생상 위험한 오염의 원인이 되고 있을 뿐만 아니라 이들의 재사용이 불가능하게 된다.

물의 이용도가 증가함에 따라 하천의 오탁도가 증가하고 하천의 유량은 감소하며, 이로 인하여 하천수질의 오염농도는 허용한계 이상으로 높아지고 있다.

이에 대한 해결책은 오물의 처리와 폐기에 의해서 오염물을 배제시키는 것이다.

그러나 경우에 따라서는 오물처리 및 폐기만으로 해결이 불가능하고 허용기준치 이하로 희석하기 위해서는 충분한 물을 공급해야 한다. 따라서 수질오염의 방지대책으로서 각 공장에는 처리시설을 설치하도록 행정력을 강화하고 있으며, 주요 도시 및 공단 내에는 하수종말처리장을 설치하여 오물처리와 폐기를 실시하고 있다.

그러나 갈수시(渴水時)에 하천유수량이 적을 경우는 하천수질이 악화되어 처리시설만으로는 근본적인 해결이 어렵다.

그러므로 주요 하천의 지점마다 수질기준을 설정하여 이에 대한 감시와 함께 하천 상류부에 저수지나 댐 등을 이용하여 하천수지용수를 공급하고 있다.

(5) 동력원

수력 이용의 최초의 예는 나무로 만든 수차(水車)를 하천이나 운하의 유수에 의해 이용한 것이다.

철제 수차의 발명과 전력수송의 장거리화가 이루어짐에 따라 수력은 동력원으로서 매우 중요한 위치를 차지하게 되었다.

특히 수력발전은 용수공급을 위한 댐에서 방류되는 물을 이용하여 발전을 하게 되므로 자원의 다목적 이용 효과와 수문순환과정에서 오는 수자원의 무한한 재이용 등 때문에 물은 다른 동력원에 비해 매우 경제적이다.

5. 민속신앙과 물

민속신앙에서 물은 매우 큰 구실을 하고 있다. 물은 생명력과 풍요의 원리, 정화력으로서 섬겨지면서 독특한 종교적 기능을 발휘할 수 있었다.

물의 생명력이나 풍요의 원리는 용으로 표상되기도 하였는데 용신·용왕은 용으로 관념화된 수신(水神)이었다. 오늘날에도 농부들이 논두렁에서 ＜용왕먹이기＞를 하고 있는 것은 수신에게 풍요를 빌기 위해서이다.

물할미의 물로 관념화된 약수도 마찬가지여서 물의 생명력에서 당연히 의술적인 치유력이 유추될 수 있었던 것이다. 한편 물은 불과 함께 정화력을 가지고 있다고 여겨져서 부정(不淨)물림이 되었다.

바가지에 담긴 찬 물을 세 번 흩뿌리거나 심마니들이 산삼을 캐러 떠나기 전에 목욕재계하는 등의 행위는 대표적인 정화의 주술이었다. 특히 정화수는 맑음 그 자체로서 치성을 드리는 사람의 정성을 표상하는 것으로 생각되기도 하였는데, 부엌신에게 바치는 조왕주발은 그 예의 하나이다.

물의 종교적인 정화력은 기독교의 세례나 영세, 불교의 관욕 등에서도 표현되고 있다. 물이 지닌 청정력과 생명력이 통합적으로 믿음의 대상이 되면서 각종 신흥종교들이 물에 대한 신앙을 수용하여 ＜물법신앙＞ 또는 ＜찬물신앙＞이 형성되었다.

What is water?

Summary

Chemical Formula HO. A compound of hydrogen and oxygen, which is colorless, tasteless, odorless, and liquid at room temperature. In nature, it exists as seawater, lakes, 沼, rivers, groundwater, ice, and water vapor in the atmosphere, and is the most common substance near the surface of the Earth.

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Chemical Formula HO. A compound of hydrogen and oxygen, which is colorless, tasteless, odorless, and liquid at room temperature. In nature, it exists as seawater, lakes, 沼, rivers, groundwater, ice, and water vapor in the atmosphere, and is the most common substance near the surface of the Earth.

Although it is not clear how and when the water on Earth occurred, the primordial ocean that gave birth to life on Earth occurred 3.5 billion years ago, and it is estimated that seawater with modern mass existed at least 2 billion years ago.

1 Water on Earth

(1) the volume and distribution of water

Water on Earth is divided into seawater and broth, and other small amounts of water exist in the atmosphere.

Seawater covers 70.8% of the Earth's surface and accounts for 97.5% of the total amount of water on Earth.

The average depth of the ocean is 3,795 meters, and the total amount divided by the surface area of the Earth is 2,647 meters. Among the broths, surface water such as lakes and river water covers only 3% of the land area.

However, in the Arctic Circle, evaporation is low, drainage conditions are poor due to permafrost, and there are areas with a freshwater area rate of more than 30%.

As shown in Table 1, the amount of surface water is small compared to the total amount of water, but the circulation speed is fast and is most important as a water resource.

Glaciers cover 11% of land area, accounting for 70% of stock volume.

89.7% of all glaciers are in Antarctica, and 9.8% are in Greenland and the Arctic.

The total amount of water on Earth is constant, so as the amount of glaciers increases, the sea level decreases.

It is estimated that the last glacial period's lowest glacier 18,000 years ago was about three times the current amount, and the average sea level on Earth was about 130 meters lower.

In addition, if the climate warms due to an increase in carbon dioxide in the atmosphere in the future, there is concern that sea level will rise and serious effects will occur in low coastal areas.

Groundwater is second only to glaciers and its distribution range covers almost all of the land, making it difficult to estimate the total amount accurately.

The values in Table 1 were estimated by C.S. Fox in 1951 as 4% of the clearance (間隙率) of rocks occupied by groundwater up to 760 m in the surface and 1% in 760 to 3750 m in the surface.

The amount of soil water in Table 1 is an estimate of the effective water available for plants.

M.I. Livovich of the Soviet Union estimated the total amount of soil water to be 83,000 ㎦ in 1973.

The amount of water in the organism is estimated to be about 1,000 ㎦, including animals and plants.

The amount of water that has condensed all of the water vapor in the atmosphere is called 可降 量, and the average amount of precipitation in the entire world is 25 mm. The geographical distribution of precipitation depends on latitudes, that is, temperature and land arrangement, and exceeds 40 mm in areas where wet tropical airways dominate, but only less than 2 mm in dry cold airways.

(2) the form of water circulation

Water takes many forms on Earth, and they do not exist independently but are interrelated as part of the Earth's water circulation. Solar energy continues to evaporate in oceans where most of the water on Earth is retained.

In low latitudes, there is a lot of solar energy and the ocean area is large, so about 80% of the total amount of water evaporating from the sea surface evaporates in waters lower than 40° latitude.

The evaporated water vapor condenses to become a cloud and then becomes rain or snow again, and about 90% of it falls directly into the sea.

The rest is carried to land by the wind and falls to the ground.

About 65% of the water that falls to the ground evaporates and returns to the atmosphere.

The rest penetrates into the ground and becomes groundwater, and slowly flows through the ground to form rivers, lakes, or springs, and come to the surface. Another part flows directly into the river through the surface.

In wet areas, rivers and lakes are usually created by groundwater, but rivers that flow through a 扇狀 or a site often create groundwater on the contrary. In addition, a large amount of water flows out of the bottom of a lake where there is no runoff river from a wet area as groundwater. In dry areas, rivers often evaporate as they flow, or penetrate into the ground, losing water and losing the tip.

The appeal of internal watersheds (basins inside continents without rivers flowing out to the outside sea because of low precipitation) depends on fluctuations in precipitation, and the area of the arc changes significantly seasonally and periodically.

Other river water returns to the sea.

As such, water circulation forms a complex system (系) with no beginning or end.
Calculating the access of water by setting a region and time is called water 收支.
Ribovich summarized the water balance by continent as shown in Table 2.

Baseline outflow is a component with little fluctuation caused mainly by groundwater outflow among river flows, and direct outflow is a component with a large fluctuation that flows quickly after rainfall.

Groundwater is about one-third of the total outflow and stabilizes the flow rate of the river.

Total wetness is the amount of water that passes through the soil and is an important water in the ecosystem that is involved in the growth of plants.

(3) the speed of water circulation

Water circulation on the planet can be thought of as a continuous circulation system in which various hydrological systems that have the ability to store water such as oceans, rivers, glaciers, soil swaths, and groundwater swaths are complexly combined.

If the retention amount of a hydrological system is S, and the amount of water passing through the system in a unit time is Q, S/Q is the average retention time of the hydrological system.

For example, considering the atmospheric system, the average annual precipitation on Earth is about 1000mm, and the average retention amount of water vapor in the atmosphere is 25mm, so the average residence time of water vapor is 0.025 years, or about 9 days.

The average residence time of water calculated by this method is the value in Table 1.

In general, the residence time of 陸 is longer as the amount of storage is larger.

The average residence time of continental ice obtained from the balance of Antarctic ice is about 10,000 years.

However, there are differences between 1000 and 20,000 years depending on the watershed.

The stable isotope composition of hydrogen or oxygen constituting ice depends on the temperature at which precipitation occurs.

Based on this principle, the restoration of ancient 候 by the boring core of the glacier is being carried out.

The average residence time of groundwater is about 800 years, which varies greatly depending on the region or depth.

The circulation speed of groundwater is generally more active in the shallower layers and the residence time is shorter.

According to a study using environmental tritium, a radioisotope of hydrogen, as a tracer, the residence time of shallow underground water in mountainous areas is several years, and that of shallow underground water in red red areas is more than 10 years.

The age of groundwater with a residence time of thousands to 30,000 years can be estimated using carbon 14C, the radioisotope of carbon, as a tracer.

According to this method, the underground water age of the Sahara Desert in Africa or the Karijosa Desert in Texas, USA, is 20,000 to 30,000 years, and it is estimated that it is water produced under different climatic conditions from the present ice age.

As such, the residence time of groundwater is very long compared to surface water, so once contaminated, it takes a long time to recover to its original state.

The average residence time of the lake varies from several years to hundreds of years depending on the size of the lake or the hydrological conditions, and there are cases where water with clearly different residence times exists inside the lake at the same time.

These lakes are called partial circulation lakes, and the salt concentration of 汽 lakes where salt water has invaded the lower layers is high in salt lakes.

For example, Lake Green in New York, USA, has a chemical chemical 躍層 at a depth of 18m, and the salt concentration of deep water is about twice that of the surface water.

The residence time of the surface water is two years, but the deep water is as long as 4 to 30 years.

(4) Environment and Characteristics

Water on Earth is a process of circulating between abstention, water rights, and rock rights, and has a specific water quality according to each environment.

Precipitation is natural distilled water, but it contains various aerosols (煙霧質) and gases in the atmosphere.

For example, rain near the coast is higher in salt than inland rain, and in air pollution areas, precipitation contains a large amount of pollutants. Acid rain, which is thought to be the cause of air pollution, is causing the destruction of forests and lakes in Northern Europe and North America.

Groundwater has a chemical component that strongly reflects local geological conditions because of its slow flow rate and long contact time with rocks.

For example, when water dissolved in carbon dioxide comes into contact with carbonate rocks such as limestone, strong water [硬 water] containing a large amount of calcium carbonate is produced.

In general, the anion composition of groundwater evolves from hydrogen carbonate type to sulfate type and water close to the composition of seawater as the residence time increases due to the flow of groundwater.

The components of river water consist of components contained in precipitation, components dissolved on the surface, and components supplied from groundwater. In general, as river water flows, the dissolved component increases, and the water quality changes due to the mixing of urban or factory drainage.

A major factor that determines the water quality of the lakeside is the water quality of the inflow stream. When a large amount of nutrients containing phosphorus or nitrogen are introduced, wealth 營養 occurs.

As a countermeasure, it is necessary to prevent the inflow of industrial drainage, synthetic detergent, pesticides, fertilizers, and manure.

In an appeal where the evaporation exceeds the inflow from inland, salt is concentrated and becomes a saline lake.

The Great Salt Lake of North America, which has the world's largest salt concentration along with the Dead Sea (Jordan, Israel in Western Asia), was a freshwater lake until 10,000 years ago and had runoff rivers.

At that time, the volume of the lake was more than 500 times that of today, but it was reduced to its current state due to climate warming. In addition to these changes in natural conditions, the water quality of natural water changes due to the influence of human activities.

There are many mechanisms, but in addition to the case where substances are directly added into natural water, such as industrial waste or urban drainage discharge, groundwater may be brined by excessive 揚 of coastal groundwater, or the downstream flow may be reduced by 取 water upstream of the river, resulting in seawater going back.

(5) Water resources

There are 1.3 billion to 1.4 billion ㎦ of water on Earth, of which there is limited water available to humans.

Unlike mine resources, water is a renewable resource because it is always circulating. However, since the residence time varies depending on the water, it is important to consider this point in water resource development.

The total amount of groundwater is very large compared to surface water, and since the circulation speed is slow, ignoring the supply speed and making a large amount of pumping causes ground subsidence and salt water of coastal groundwater.

Quality is important as well as quantity when eval‎uating water as a resource.

Water for tap water requires not to contain pathogens or poisons, not to be abnormally acidic or basic, colorless, transparent, odorless, and not to cause discomfort or anxiety.

The water quality of industrial water depends on its use.

For example, very pure ultra-pure water (超純) is required for cleaning an integrated circuit (IC), and boiler water also requires high purity.

In addition, water of the same standard as water supply is required for raw material water such as food, but seawater is sometimes used for cooling water without requiring strict water quality standards.

Water resources are becoming scarce globally. UNESCO has been implementing the International Water Culture Plan (IHP) as an international cooperation project since 1965 with the aim of promoting hydrology research and improving water resource management.

2. the history of water science

Water is an essential and vital substance for the survival of living things. Due to this, interest in water has been deep, attracting many people's interest from ancient times, and it has become an important object of contemplation (思索) for philosophers.

(1) The original novel of water - the original novel of 1 and the original novel of 4

In the 6th century BC, the ancient Greek philosopher Thales considered the monism that water was all the basic elements of the universe, and said that all matter was that water appeared in different forms.

At that time, the earth was floating in the ocean, and it was presumed that the idea was based on the fact that water was everywhere, and that it made many metamorphoses, such as solids such as snow, snow, hail, and ice, liquids such as rain, dew, fog, and water vapor.

Around the 5th century BC, Empedocles proposed a four-way novel in which water, along with soil, air, and fire, is the basic element of everything, and this view of water as an element has continued to remain until around the 17th century.

For example, even J.B. Helmont of Belgium, who knew that carbon dioxide was present in the air, conducted a famous willow experiment to prove that plants grow only with water.

In other words, 200lb of dried soil was put into a pot, 5lb of young willow was planted, an iron plate was put on it so that the soil would not be blown away by the wind, and it was watered with a watering can every day for four years.

And as a result of weighing the soil at the end, it was only two ounces short of 200 lb.

The tree weighed 169 lb 3 ounces. He attributed the willow tree's increase of 164 lb 3 ounces to the water becoming a tree (he was unaware of the photosynthesis of plants at the time).

Wood burns and leaves ashes.

Ash is soil.

In other words, the concept is that water becomes a tree or leaf, and a tree burns to become smoke and soil.

(2) the denial of the original theory

It was G. Agricola, a German miner in the 16th century, who had a negative opinion of water as an element, and it was A.L. Lavoisier in France who confirmed it.

In the second half of the 18th century, there were still many believers in the four-way novel, and quite a few people believed that water, one of those four elements, was converted into another.

For example, the fact that when water is distilled with a glass distillation device, there is always an insoluble substance at the bottom of the distiller is proof that soil is formed in the water.

Lavoisier denied this with the famous Pelican experiment. A Pelican is an experimental device used in the alchemy era, in which a distiller also serves as a 受 for effluent.

Lavoisier heated distilled water in a sealed glass pelican for 101 days from 24 October 1768 to 1 February the following year, and weighed pelican and water before and after that.

As a result, the total weight of pelican and water did not change, but the sum of the weight of the remaining soil-like material and the weight of the soil-like material left on the floor was almost the same as Pelican's weight loss (減量).

In other words, the soil in question indicates that glass is dissolved in water.

(3) Water is a compound

The Pelican experiment showed that water was not an element, but its composition was unknown.

The first to reveal the composition of water was H. Cavendish in England.

He discovered in 1781 that a mixture of what he called combustible air (hydrogen) and phlogiston air (oxygen) produced only water when an electrical spark occurred.

Cavendish, of course, was a believer in the theory of phlogiston, so he explains it as phlogiston, but after that, accurate experiments were repeated until around 84 to confirm‎ that water was generated from two volumes of hydrogen and one volume of oxygen.

However, Lavoisier gave the correct explanation that a compound called water is formed by the reaction of hydrogen and oxygen as a single element.

In addition, experiments were conducted with hydrogen and oxygen by decomposing water, revealing that water is a compound of hydrogen and oxygen, not an element, on both sides of synthesis and decomposition.

In other words, it was shown that hydrogen was generated when water was passed through an iron tube that was red-hot (赤熱) in 85 years (oxygen combines with iron to produce iron oxide). In this way, the theory of elements in water was completely denied.

Afterwards, W. Nicholson and others in the United Kingdom first electrolyzed water using Volta's battery in 1801, and found that oxygen was generated by one volume at the anode and hydrogen was generated by two volumes at the cathode.

This was again precisely demonstrated by J.L. Gay-Lussac of France, revealing that water consists of hydrogen and oxygen, and that the composition is 1 oxygen for hydrogen 2.

3. What is water

(1) the composition of water

Water is a material composed of hydrogen 2 and oxygen 1 and is represented by the formula HO.

The so-called distilled water, which is purified from natural water by various methods, is consistent with this equation.

Water has long been used as a standard for many things because it exists around us in great abundance, is available in abundance, and is easy to purify. For example, the boiling and freezing points of water were used as the standard for temperature, and the temperature was set as the Celsius temperature by dividing them into 100 parts between them.

In other words, the freezing point of water is 0°C and the boiling point is 100°C.

In addition, the weight of 1m of water at 4℃ is 1g.

Water is taken as a standard because it has a maximum density (0.9999973 g/㎤) at 4°C, or to be precise, 3.98°C. (Solid or ice has a structure with many gaps due to hydrogen bonds, but as the temperature rises, the gap decreases due to the breakage, and the density decreases due to expansion to the maximum.) As such, the composition of pure water became a problem as these physical measurements became more precise. As a result of a detailed investigation, it was confirmed that hydrogen has isotopes H and D, and oxygen has isotopes O, O, and O, and O, indicating that natural water is a mixture of various heavy and hard water.

These heavy water is always bound to natural water at a constant rate, but seawater and magma water contain slightly more water than ordinary natural water.

(2) the nature of water

Distilled water or pure water is a colorless, transparent, tasteless, odorless liquid.

Water ionizes as follows.
Since ionization occurs slightly, the concentration of water [HO] is assumed to be constant, so when [HO]= is set, it becomes almost constant according to the temperature. The log at this time is 0°C:14.935, 10°C:14.5346, 20°C:14.1669, and 30°C:13.8330, which is almost 14 at room temperature.

This is called the ion product of water.

Water reacts with alkali metal elements and alkaline earth metal elements at room temperature, magnesium in hydrothermal water, and heated iron in water vapor to release hydrogen, leaving metal hydroxides or oxides.

It reacts with oxides of many metals to form hydroxides, and reacts with non-metallic oxides to form oxygen acids.

In addition, many inorganic and organic substances are dissolved, and inorganic salts with strong ionic bonding in inorganic substances, molecules with strong polarity in organic substances, or easy to form hydrogen bonds with water molecules are highly soluble.

(3) the structure of water

In water vapor, independent water molecules HO exist, and they are isosceles triangles with the same shape as shown in Figure 2.

In general, in ice crystals, this water molecule is infinitely connected by hydrogen bonds and takes a phosphorus 型 鱗珪 structure, and the Si of phosphorus SiO takes a structure in which O and O are H.

In other words, crystals as shown in Figure 2 are connected in three dimensions, six O are connected, and there is a space between water molecules. This is why ice is lighter than water.

Freezing ordinary ice again creates a cristobalite-type structure between -70 and -160°C.

This is basically the same as the in-silicate type, but the position of O has changed slightly, so the in-silicate type is an isometric system for hexagonal systems [Figure 3]. This ice consists of a collection of microcrystals (微結晶) that are close to amorphous at lower temperatures.

Since ice is infinitely connected in three dimensions by O-H-O, single crystals can be said to be one so-called macromolecules.

Ice is very hard because it is a crystal linked by this hydrogen bond. In general, solids melt when heated, but ice melts at 0°C.

At this time, the heat of melting of ice is very large at 6.01kJ/mol (337J/g), and is multiple times that of organic molecules such as benzene and naphthalene.

In addition, unlike ordinary materials, the volume decreases when it melts.

In order for the crystal to melt and become a liquid, the hydrogen bond seen in the phosphorite-type structure must be cut first, and the structure must collapse, so heat is required.

However, there are still many hydrogen bonds around 0°C, so there is a lot of space, and when heated again, the hydrogen bond is cut off again and becomes the maximum density at 3.98°C.

When heated further, the specific gravity decreases due to the decrease in density due to expansion.

In ordinary water, it can be considered that ice crystals are formed by cutting them in places, and they are so-called 擬結晶 crystals close to ice. At low temperatures, the aggregation of water molecules by this hydrogen bond remains (HO), and around room temperature, it is 4 to 5.

(4) water, ice, and steam

Water solidifies at 0°C and 1 atmosphere to become ice. However, if it is cooled very slowly (過冷却), it may be kept as a liquid up to -10°C, but at this time, it becomes ice all at once due to any impact or other.

This is commonly called ice, or ice, which is stable within 2000 atmospheres below 0°C.

In addition, ice II, III, IV, V, Ⅵ, and Ⅶ are known under high pressure.

In addition, water becomes water vapor by boiling at 100°C.

However, when heated gently, it may not boil even when it exceeds 100°C.

Such a state is a metastable state, and when heated again in this overheated state, it suddenly boils explosively to become water vapor, which returns to 100°C with the heat of vaporization.

However, even at lower temperatures, it has a water vapor pressure of any value (for example, 9.209mm of mercury at 10°C), and if it is in an airtight container, the water vapor is evaporated until that pressure is reached.

Therefore, when it is not sealed and liquid is in contact with the atmosphere, evaporation continues until it is equal to the pressure of water vapor in the atmosphere, or water vapor in the atmosphere liquefies.

When the humidity in the atmosphere is low and the water vapor pressure is below that pressure, it evaporates until the water disappears and becomes water vapor.

(5) the purification of water

Water that exists in nature has the property of dissolving many substances.

Rain melts nitrogen oxide and carbon dioxide, including Jinae (塵埃) floating in the air, and water from rivers melts various inorganic salts and organic substances, including calcium salts and magnesium salts, while flowing.

Impurities are removed between these water passing through soil and sand layers, and it is common for water such as clean springs and wells to contain a certain amount of calcium salts and magnesium salts.

Water in which a large amount of calcium ions or magnesium ions are dissolved is called strong water, and water in which a small amount is dissolved is called sweet water.

The sea contains a large number of salts because it is the sea where water from lakes or rivers flows and is evaporated and concentrated repeatedly. The world's marine surface currently has a salt concentration of 3.3 to 3.8%, with sodium chloride present in the largest amount.

For this reason, it is not suitable for beverage use as it is. The analysis performed to properly treat natural water and use it for artificial purposes is called <Aquametri>, and it is popular in recent years when the water supply of beverages is a problem.

To obtain chemically pure water for research, medicine, or other purposes, it is common to distill water or use an ion exchange resin to remove various cations and anions.

Almost pure water is obtained by distillation after several repetitions, and since water dissolves many substances, the components of the container used at this time are also slightly melted, so it is blocked using a quartz container or tin container.

Still, since impurities are not completely removed in many cases, potassium permanganate is mainly added to distilled water and distilled again.

The method of removing salts using ion exchange resins is a purification method in which the cation to be removed with a hydrogen-type strong acid positive ion exchange resin is exchanged with H and the anion to be removed with a hydroxyl-type strong basic anion exchange resin with OH to remove impurities.

In some cases, water purified by this method is called deionized water.

In this way, distilled water or deionized water is carefully prepared to obtain very pure water, but it is common for some dissolved substances to remain.

In order to remove salts, it is more advantageous to use an ion exchange resin than a distillation method, but in this case, organic materials in the resin are often dissolved to some extent.

The degree of removal of salts, that is, the degree to which they become pure water, is a slight dissolution of salts, so the specific resistance (比低抗) of water is often measured.

In general, pure water with a specific resistance of 10×10 or higher is used for water electrolysis, and those with a higher purity of 100×10 or higher specific resistance are used for high-pressure engine water and reactor water.

Pure water with a resistivity of 100×10 or more is sufficient to be used to measure the conductivity of the solution, and is referred to as <conductivity water (傳導度數)>.

(6) an aqueous solution

Water molecules are dipoles, as shown by their shape.

[Figure 4]. In other words, oxygen O satisfies its valence by covalent bonds with two hydrogen Hs. The two non-covalent electron pairs not used in the covalent bond are opposite to the bonding direction of O and H. Even if the molecule as a whole is electrically neutral, it is electrically negative on the O atom, positive on the H atom, and thus a dipole.

As a result, the dielectric constant (誘 率) of the water molecule is very large and the largest compared to other liquids.

In addition, O-H bonds in water molecules make hydrogen bonds well with molecules with strong electronegativity and atoms with enough orbital space that can be used for bonding.

For this reason, it has a great affinity with very many ions or molecules, is easy to mix with various substances, and is known as the best solvent because it melts many substances.

For example, ionic crystals such as sodium chloride NaCl or potassium bromide KBr are soluble in water.

In the crystal of NaCl, sodium ions Na and chlorine ions Cl are lined with three-dimensional cubic lattice, so the bonding force in the crystal is mainly electrostatic attraction between Na and Cl.

The distance between Na and Cl is 2.81 in this case, which corresponds to the charge of one electron.

In addition, it is the dielectric constant of the medium, and in this case, there is nothing between the positive ions, so it becomes the dielectric constant of the vacuum.

When this crystal is put in water, when a water molecule is brought between the two ions due to the thermal movement of the water molecule, the ratio between the dielectric constant of the water molecule and the dielectric constant of the vacuum is about 1/80, which is extremely small.

Therefore, the lattice cannot be maintained, and Na and Cl are drawn out of the lattice. At this time, since the water molecule is a dipole, the negative part of several water molecules, that is, the O atom, surrounds Na with orientation, and supports Na in water.

Similarly, with respect to the negative ion Cl, both parts of the dipole of the water molecule are oriented and mixed in water.

It is assumed that this state is dissolved in water. At this time, for example, the number of water molecules oriented in Na is 4-6 at room temperature.

In contrast, in crystals such as crystal SiO or zinc sulfide ZnS, bonds between Si-O or Zn-S are considerably more covalent than ionic, and they do not dissolve because they cannot be weakened by water molecules because electrostatic attraction is less involved in bonds.

In addition, the sugar crystal is three-dimensionally connected by the hydrogen bond of the sugar molecule CHO by the -OH group, and the water molecule is surrounded by the affinity of the sugar molecule and the hydrogen bond to dissolve the sugar.

The reason why naphthalene or paraffin does not dissolve in water at all is that they are hydrocarbons and have no affinity for water molecules.

Oil (such as gasoline or kerosene) and benzene are separated and not dissolved even when mixed with water because it is the same in liquids.

This is because there is no relative atom that makes a hydrogen bond between the water molecule and there is no affinity.

To this, ethanol (ethyl alcohol) CHCHOH is mixed with water at an arbitrary ratio.

This is because the -OH group of ethanol molecules can make hydrogen bonds with water molecules very easily.

(7) number of crystals

Water uses a lot of substances well, and when crystals of those substances are taken out of their aqueous solutions, crystals containing a certain percentage of water may be obtained. Water at this time is generally called crystalline water.

In some cases, a constant ratio, that is, a stoichiometric constant ratio, cannot be taken, but it is either 沸 stone with no essential change in the lattice structure in the crystal, or a classate compound in which a gas molecule is trapped in a crystal lattice of ice.

In this way, when it comes to crystalline water, it refers to a compound containing a certain stoichiometric ratio of water, and it is usually distinguished by lattice water, coordination water, and structural water according to the structure and binding state.

(8) Lee Sang-soo (different 常)

It refers to water that has very different properties from ordinary water.

In some cases, it exhibits abnormal properties such as ice under high pressure.

Magnetized water (磁) and polywater are well known. Magnetized water is water treated by placing water in a magnetic field, and it is said that water magnetized with natural water is highly efficient when used for floating light, or that the 罐 stone 沈澱 in a boiler is different from the usual case.

However, it is not clear how these waters have changed.

Polywater was first reported in 1965 by Soviet surfactant chemist B.V. Deryagin.

He said that condensing water from saturated steam in a very thin quartz tube with an inner diameter of 2/100mm creates an abnormal water, or <Water II>, that is completely different from ordinary water.

According to him, <this water has a specific gravity of about 1.4, high surface tension and viscosity, and low water vapor pressure.

In addition, it does not freeze even at low temperatures, and even when mixed with ordinary water, it is divided into two layers or mixed depending on the temperature.

The molecular weight is 4 to 10 times that of ordinary water, and it can be distilled at 700°C, but at 800°C it becomes normal water.

Many chemists were interested in this and conducted various tests, but it turned out to be a misconception due to impurities.

4. the use of water

(1) Korea's Water Resources

Korea receives 1,159 mm of rain throughout the year, with an average monthly precipitation of 96.9 mm.

The conservation of water resources is a total of 114 billion㎥ per year when calculated as 99,000㎢ of land area and 1,159㎜ of annual average precipitation. Of these, 47.8 billion㎥, which is equivalent to 42%, is lost to evaporation, and the actual amount of use is 16.1 billion㎥, excluding total outflow and non-use water.

(2) water used for living

Living water is water necessary for daily life such as drinks, cooking, washing, and bathing in human life, and can be divided into direct consumption of beverages or food ingredients and indirect use such as washing and bathing.

Therefore, household water should not contain pathogens and toxic components to the human body, and physical and chemical properties should not cause discomfort due to poor color, smell, and taste.

(3) agricultural water

In order for the soil to serve as its foundation, there must be water.

According to Korea's agricultural infrastructure development project, 2.18 million ha, or 22% of the land area, is agricultural land, 6.55 million ha, or 66% is forest land, and the remaining 12% is roads, rivers, and housing sites.

Agricultural water used in agricultural land is 10.8 billion cubic meters per year, accounting for 67% of the total amount used.

Demand for such agricultural water is increasing due to the expansion of farmland due to reclamation projects and irrigation of previous works.

(4) Industrial Water, Water Pollution and Countermeasures

As the city developed and the cultural level improved, residential and industrial areas were separated, and as the scale of industry expanded, industrial water required for production activities became treated separately from living water.

Korea began to focus on industrialization policies in the late 1960s, and has built or planned dedicated water facilities to supply industrial water to these areas.

Until now, 700 million cubic meters have been used as industrial water, accounting for only 4% of the total amount of use, but the demand is expected to increase rapidly.

Living sewage and industrial wastewater that are used as domestic and industrial water and then drained into rivers are not only a dangerous cause of public hygiene pollution, but also cannot be reused.

As the use of water increases, the turbidity of the river increases and the flow rate of the river decreases, and as a result, the concentration of pollution in river water quality is increasing above the allowable limit.

The solution to this is to exclude pollutants by the treatment and disposal of waste.

In some cases, it is impossible to solve it only with waste treatment and disposal, and sufficient water must be supplied to dilute it below the allowable standard. As a measure to prevent water pollution, the administrative power is strengthened to install treatment facilities in each factory, and sewage treatment plants are installed in major cities and industrial complexes to treat and dispose of waste.

However, if the amount of river flow is small during 渴, the water quality of the river deteriorates, making it difficult to fundamentally solve it with only treatment facilities.

Therefore, water quality standards are set at each point of major rivers, and river water is supplied to the upper stream using reservoirs or dams along with monitoring them.

(5) a power source

The first example of the use of hydropower is the use of wooden water 車 by running water in rivers or canals.

With the invention of iron aberrations and the long-distance of power transportation, hydropower has taken a very important position as a power source.

In particular, since hydroelectric power is generated using water discharged from dams for water supply, water is very economical compared to other power sources due to the effect of multi-purpose use of resources and infinite reuse of water resources from hydrological circulation.

5. folk beliefs and water

In folk beliefs, water plays a very big role. Water was able to exert a unique religious function while being served as the principle of vitality and abundance and purifying power.

The principle of water's vitality and abundance was also represented as dragons, and the dragon gods and kings were water gods, idealized as dragons. Even today, farmers are still doing "Fooding the Dragon King" in the paddy fields to pray for abundance to the receiver.

The same was true of mineral water, which was idealized as water of water halibut, so of course, the medicinal healing power could be inferred from the vitality of water. On the other hand, water was considered to have purifying power together with fire, so it became a negative (unacceptable 淨) bite.

Representative acts of purification were acts such as scattering cold water in a gourd three times or relocating a bath before the Simmani left to dig up wild ginseng. In particular, purification water was thought to represent the sincerity of the person who gave praise by itself, and Jowangjubal, which is dedicated to the kitchen god, is one of the examples.

The religious purification power of water is also expressed in Christian baptism, small size, and Buddhist desire. As the cleanliness and vitality of water became the object of faith in an integrated manner, various emerging religions accepted their faith in water, forming the "Mulbeop Faith" or "Cold Water Faith".

水 [Water] 是？

摘要

化学式HO。 无色、无味、无味，常温下为液体的氢和氧的化合物。 天然存在海水、湖沼水、地下水、冰雪及大气中的水蒸气等,是地球表面附近存在最多的物质。

底蕴

化学式HO。 无色、无味、无味，常温下为液体的氢和氧的化合物。 天然存在海水、湖沼水、地下水、冰雪及大气中的水蒸气等,是地球表面附近存在最多的物质。

虽然不清楚地球上的水是什么时候以何种方式产生的，但据估计，产生地球上生命的原始海洋发生在距今35亿年前，至少在20亿年前存在与现代质量相同的海水。

地球上的水

(1) 水量分布

地球上的水分为海水和肉水,此外还有少量水存在于大气中。

海水覆盖地球表面的70.8%，占地球水总量的97.5%。

海洋的平均水深为3795米，如果将总量除以地球的外面积，则为2647米。 在肉汤中，湖水或河流水等地表水仅覆盖陆地面积的3%。

但是北极圈蒸发少，永久冰土排水条件差，淡水面积在30%以上的地区也有。

地表水水量虽少于水总量，但循环速度快，作为水资源也是最重要的，如表1所示。

冰川覆盖陆地面积的11%，占肉汤体积的70%。

全部冰川中的89.7%位于南极大陆，还有9.8%位于格陵兰岛和北极地区。

地球上的水总量是恒定的，所以冰川的量增加会导致海平面下降。

据推测，距今1.8万年前最后一个冰河期最盛期的冰川是现在量的3倍左右，地球的平均海平面低约130米。



另外，如果将来大气中二氧化碳的增加导致气候变暖，海面上升，海岸低地区将受到严重影响。

地下水量仅次于冰川，其分布范围几乎覆盖整个陆地，难以准确估计总量。

[表1]中的值是1951年C.S.福克斯估算地下水所占岩石间隙率(间隙率)在地表深度为760m时为4%，760~3750m时为1%。

[表1]中土壤水量为植物有效水分的估计值。

苏联M.I.Libovich在1973年估计土壤水总量为83000㎦。

据推测，生物体中的水量是动植物合计1000 ㎦左右。

将大气中的水蒸气全部凝结的水量称为可降水量(可降 水 量),全球平均可降水量为25毫米。 假降水量的地理分布根据纬度,即气温和水陆布局,在湿润的热带气团占优势的地区超过40毫米,但在干燥的寒冷气团中只有2毫米以下。

(2) 水循环的形态

水在地球上采取多种形态,它们不是独立存在的,而是作为地球上水循环的一部分相互联系的。 在保留地球上大部分水的海洋中，太阳能会不断蒸发。

在低纬度地区，太阳能多，海洋的宽度也大，因此海平面蒸发的水总量约80%在低于纬度40°的海域蒸发。

蒸发的水蒸气凝结成云，再变成雨或雪，其90%左右直接掉落到海上。

其余被风吹到陆地上降落。

大约65%的水会蒸发掉回到大气中。

其余部分渗入地下，成为地下水，在地下缓慢流动，形成河流或呼吁，或成为泉水，并出现在地表。 另一部分通过地表径流直接进入河流。

在湿润地区,河川或湖沼一般由地下水组成,而流经线上地(扇狀地)或台地的河川则相反,形成地下水的情况较多。 此外，在湿润地区没有流出河流的湖底，大量的水作为地下水流出。 在干旱地区，河流往往会随着流动而蒸发或渗透到地下，失去水分，失去尽头。

内部流域（由于降水量少，没有河流流向外海的大陆内部流域）的呼吁受降水量变动的影响，季节性、时代性湖的宽度发生很大变化。

其他的河流归入大海。

像这样,水循环形成了既没有开始也没有结束的复杂体系(系)。

规定地区和时间计算水的出入称为水收支[水收支]。

利沃维奇整理了各大洲的水收支情况，如表2所示。

基数径流是河流流量中主要地下水径流产生的变动较小的成分，直接径流是降雨后快速径流的变动较大的成分。

地下水约占径流总量的1/3，稳定河流流量。

全湿润量是通过土壤中的水量，是参与植物生长的生态系统的重要水。

(3) 水循环的速度

地球上的水循环可以考虑海洋、河流、冰川、土壤水带、地下水带等具有蓄水能力的多种水文系统复杂组合的连续循环系统。

当某个水文系统的低流量称为S，在系统内通过单位时间的水量称为Q时，S/Q称为该水文系统的平均停留时间。

例如，考虑到大气系统，地球年平均降水量约为1000毫米，大气中的水蒸气平均低流量（假降水量）为25毫米，因此水蒸气平均停留时间为0.025年，即约9天。

按上述方法计算，水的平均停留时间为【表1】的值。

陸水在肉汤中的停留时间一般越长，低流量越大。

从南极大陆冰的树脂中获得的大陆冰川的平均停留时间约为1万年。

但根据流域不同，存在1000~2万年的差异。

构成冰的氢气或氧气的稳定同位素组成取决于降水时的温度。

根据该原理,冰川的钻孔机正在恢复古气候(候)。

地下水的滞留时间平均为800年左右,因地区或深度的差异很大。

地下水的循环速度一般越浅层越活跃，停留时间也越短。

以氢的放射性同位素环境氚（氚）为示踪剂（tracer）的研究表明，山地小流域浅层地下水的滞留时间为数年，洪积台地的浅层地下水为10余年。

地下水的年龄约为数千至30000年，可以使用碳的放射性同位素碳14C作为示踪剂来估计。

根据这种方法，非洲的撒哈拉沙漠或美国德克萨斯州卡里调查沙漠的地下水年龄为2万~3万年，推测是在与冰期现在不同的气候条件下形成的水。

与地表水相比，地下水的停留时间非常长，一旦被污染，需要很长时间才能恢复到原来的状态。

湖水的平均停留时间根据湖水的规模或水文条件存在几年至数百年的差异，有时湖水内部存在明显不同停留时间的水。

这种湖被称为部分循环湖,下层盐水侵入的奇水湖(汽水湖)或下层水的盐分浓度较多。

例如,位于美国纽约州的绿湖深度为18米,有化学跃层(躍層),深层水的盐分浓度约为表层水的2倍。

表层水的停留时间为2年，深层水却长达4~30年。

(4) 环境与特性

地球上的水是循环弃权、水权、岩石圈的过程, 根据不同环境拥有特定水质。

降水虽然是天然的蒸馏水,但大气中会含有各种气溶胶(煙霧質)、气体等。

例如海岸附近的雨水比内陆的雨水含盐量多，在大气污染地区，降水过程中含有大量的污染物。 被认为是大气污染原因的酸雨正在北欧或北美洲造成森林或湖沼生态系统的破坏。

地下水流速慢,与岩石的接触时间长,因此具有强烈反映局部地质条件的化学成分。

例如,溶解二氧化碳的水与石灰岩等碳酸盐性岩石接触,就会产生含有大量碳酸氢钙的强水[硬水]。

一般来说，地下水的阴离子组成会随着地下水的流动而延长停留时间，从碳酸氢盐类型进化到硫酸盐类型，再进化到接近海水组成的水，溶解物质的量也会增加。

河流水的成分由降水中含有的成分、地表融化后进入的成分、地下水供应的成分组成。 一般来说，随着河流水的流动，溶解成分增加，水质因城市排水或工厂排水混入而发生变化。

决定湖水水质的主要因素是流入河流的水质。 如果含有磷或氮的营养盐大量流入,就会产生好富营养化。

作为对策,需要防止工业排水、合成洗涤剂、农药、肥料、粪便等流入。

在内陆蒸发量超过流入量的湖沼，盐分浓缩成为盐湖。

与死海（西亚的约旦、以色列）一起拥有世界最大盐分浓度的北美洲大盐湖从现在开始到1万年前是淡水湖，也有流出河流。

当时的湖泊体积是现在的 500 倍以上，但由于气候变暖，缩小到了现在的状态。 天然水的水质除了这些自然条件的变化外，还受人类活动的影响而变化。

虽然其机制有很多种,但除了像工业废弃物或城市排水的放流一样直接将物质添加到天然水中外,还有因海岸地下水的过剩抽水(揚水)而使地下水盐水化,或因河流上游的取水(取水)导致下游的流量减少,其结果海水逆流而上的情况。

(5) 水资源

地球上存在 13 至 14 ㎦ 的水，其中人类可利用的水有限。

水总是循环的，因此与矿产资源不同，它是一种可更新的资源。 然而，由于不同水的停留时间不同，因此在水资源开发中考虑这一点很重要。

地下水总量与地表水相比非常多，循环速度较慢，如果忽视补给速度大量抽水，地下水位会下降，导致地表下沉、沿海地下水盐化等。

在评价水作为资源时，质量与数量一样重要。

作为自来水,要求不含有病原菌或毒物、不具有非正常的酸性或碱性、无色透明、无异味、不会带来不快感或不安感等。

工业用水的水质因用途而异。

例如,用于清洁集成电路(IC)需要非常高纯度的超纯水(超純),并且锅炉用水也需要高纯度。

另外,食品等原料用水需要与自来水等标准的水,冷却用水等不需要严格的水质标准,有时也会使用海水。

从世界范围来看，水资源越来越缺乏。 因此，联合国教科文组织以促进水文学的研究和提高水资源管理为目标，作为国际合作事业，从1965年开始实施国际水文化计划(IHP)。

2. 水的科学史



水是生物生存不可缺少的重要物质。 因此,对水的关心也很深,自古以来就引起了很多人的兴趣,成为哲学家们重要的思考(思索)对象。

(1) 水的元素-原小说和四原小说

BC 6世纪左右，古希腊哲学家塔勒斯认为水是宇宙中所有基本元素的一元论，所有物质都是水以不同的形式出现的。

当时的见解是,大地漂浮在大海上,而且水无处不在,而且成为雪、小雪、冰雹、冰等固体、雨、露水、雾等液体、水蒸气等气体等,推测这是根据很多变态的构想。

到了BC 5世纪左右, Empedocles 倡导了将土壤、空气、火和水称为一切基本元素的四元小说, 这种以水为元素的观点一直延续到17世纪左右。

例如，比利时J.B.赫尔蒙特知道空气中含有二氧化碳，也进行了著名的柳树实验，以证明植物仅用水生长。

即将200磅干土放入花盆中，种上5磅幼柳，盖上铁板，防止土壤随风飘动，每天用喷壶浇水，培养4年。

最后称重土壤的结果是200磅仅差2盎司。

树木的重量为169磅3盎司。 他认为柳树增加164磅3盎司是由于水变成了树木（当时不知道植物的光合作用）。

木头烧了留灰

灰是土。

也就是说，水变成树木或叶子，树木被烧成烟和土壤。

(2) 元素论的否定

对水是元素持否定意见的是16世纪的德国矿业家G.Agricola，确认这一点的是法国的A.L.拉瓦锡。

在18世纪后期,还有很多四元小说的信奉者,很多人相信作为四元元素之一的水会变成其他元素的观点。

例如，当用玻璃蒸馏装置蒸馏水时，蒸馏器底部始终保留着不溶性物质，这一事实证明了水中会产生土壤。

对此，拉瓦锡用著名的鹈鹕实验否定了这一点。 鹈鹕是炼金术时代使用的实验器具,是蒸馏器同时兼备流出物手器(受器)的装置。

拉瓦锡在1768年10月24日至次年2月1日的101天内加热了密封的玻璃制鹈鹕中的蒸馏水，并在它们之前和之后测量了鹈鹕和水的重量。

结果表明，鹈鹕和水的总重量没有变化，但将所得水取出蒸发至干，将残余的泥土状物质的重量与残留在底部的泥土状物质的重量之和几乎等于鹈鹕的失重(減量)。

也就是说，问题的土壤表明玻璃是溶于水的事实。

(3) 水是化合物

鹈鹕实验表明水不是元素，但不知道它的组成。

首次揭示水的组成是英国的H.卡文迪什。

他在1781年发现，在他所说的可燃空气（氢）和燃素空气（氧）的混合物中，如果发生电火花，只会产生水。

当然，卡文迪什是燃素说的信奉者，因此将其解释为燃素说，但直到1984年，反复进行准确的实验，确认2体积氢气和1体积氧气会产生水。

对此，他解释说，拉瓦锡是由氢和氧作为单元素物质的反应产生的称为水的化合物。

另外,还进行了分解水后用氢和氧气的实验,表明在合成和分解两方面,水不是元素,而是氢和氧的化合物。

也就是说，如果水通过1985年赤热（赤熱）的铁管，就会产生氢气（氧气与铁结合生成氧化铁）。 像这样，水的元素说完全被否定了。

此后，英国的W.尼科尔森等人于1801年首次使用伏打电池对水进行电解，发现正极产生1体积的氧气，负极产生2体积的氢气。

这再次被法国的J.L.盖吕萨克精确证实，表明水由氢和氧组成，其组成是氢2的氧1。

3. 水是什么

(1) 水的组成

水是由2氢和1氧组成的物质，由化学式HO表示。

天然水经各种方法精制的所谓蒸馏水，与式样一致。

水在我们周围非常多，可以大量使用，并且易于提炼，因此自古以来就被用作许多标准。 例如，水的沸点和冰点作为温度的标准，之间分成100等份，作为摄氏温度。

即水的冰点为0℃，沸点为100℃。

另外，将1m的4℃水称量至1g。

水在4℃，准确地说是3.98℃时达到最大密度（0.999973g/㎤），因此将其作为标准。（固体即冰时，由于氢键的作用，结构相对较多，但随着温度上升，其断裂缝隙变小，因此膨胀导致的密度减少，密度达到最大），随着这些物理测量变得精密，纯水的组成成为问题。经过仔细调查后发现氢中含有同位素H及D、氧气中含有同位素O、O、O、O等各种天然的混合物（輕水）。

这些重水通常以一定的比例与天然水结合，海水或岩浆水等比普通天然水含量略高。

(2) 水的性质

蒸馏水至纯水为无色、透明、无味、无味的液体。

水电离如下。
由于发生了一些电离，推测水的浓度[HO]是恒定的，所以如果设[HO]=，根据温度几乎恒定。 此时的log为0℃:14.935，10℃:14.5346，20℃:14.1669，30℃:13.8330，室温下几乎为14。

这叫水的离子积。

水与碱金属元素、碱土类金属元素在常温下反应,与镁在热水中反应,与加热的铁在水蒸气中反应,释放氢气,留下金属的氢氧化物或氧化物。

与许多金属氧化物反应成为氢氧化物,与非金属氧化物反应生成它们的氧酸(oxyacid)。

另外,溶解很多无机物、有机物,无机物中离子结合性强的无机盐类,有机物中极性强的分子,或者容易与水分子形成氢键等溶解性很高。

(3) 水的构造

在水蒸气中，存在独立的水分子HO，形状与[图2]所示的相同，为等腰三角形。

通常在冰的结晶中,这种水分子通过氢键无限连接,采取磷硅石型(鱗珪石型)结构,采用磷硅石SiO的Si成为O、O成为H的结构。

即如[图2]所示的晶体三维连接，由6个O连接的结构构成，水分子之间存在空间。 因此冰比水轻。

如果将普通的冰重新冷冻，在-70~-160℃之间就会形成克里斯托瓦尔特型结构。

这与磷硅石型基本相同, 但O的位置稍有变化, 对于磷硅石型为六方晶系, 是等轴晶系[图3] 该冰在更低温下由接近无定形(微結晶)的未结晶(微結晶)的集合体组成。

冰是用O-H-O在三维上无限连接的结构,因此单晶可以说是所谓的"大分子"

冰非常坚硬，因为它是通过这种氢键连接的晶体。 一般来说，固体在加热时会熔化，冰也在0℃下熔化。

此时冰的熔解热非常大，为6.01kJ/mol(337J/g)，是苯或萘等有机分子组成的数倍。

另外，与普通物质不同，熔化时体积会减少。

为了使晶体熔化并变成液体，首先需要热量，因为在磷硅石结构中看到的氢键被切割，并且除非该结构崩溃，否则晶体空间会减小，因此体积会减小。

然而，在0℃附近还有很多氢键，还有很多空间，如果再加热，氢键又断了，在3.98℃时达到最大密度。

当进一步加热时，由于膨胀导致密度降低，比重降低。

一般的水可以认为冰晶是在各处切割而产生的,这就是所谓的接近冰的结晶(擬結晶)。 在低温下，通过这种氢键使水分子会聚，是(HO)，在常温附近是这4~5。

(4) 水、冰、水蒸气

水在0℃，1个大气压下凝固成冰。 如果冷却得非常缓慢(過冷却)的话，液体可以保持在-10℃左右，但此时任何冲击或其他冲击都会在一瞬间变成冰。

这通常被称为冰，即冰，稳定在0℃以下的2000气压以内。

此外，在高压下，已知有冰Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ等。

另外，水在100℃下沸腾后成为水蒸气。

但是，如果轻轻加热，有时超过100℃也不会沸腾。

这种状态是亚稳定状态,如果在这种过热状态下再次加热,就会突然爆发性地沸腾,形成水蒸气,通过汽化热恢复到100℃。

但是，即使在比它低的温度下，水蒸气也具有某种值（例如，10℃时的水银柱9.209毫米）的水蒸气，如果是密闭容器中的话，在容器中蒸发水蒸气直到达到那个压力为止。

因此,当液面与大气接触而不密封时,要么继续蒸发,直到与大气中的水蒸气压力相同,要么大气中的水蒸气液化。

大气中的湿度低，低于其水蒸气压力时，蒸发至水消失，成为水蒸气。

(5) 水的提纯

天然存在的水具有溶解许多物质的性质。

降雨会溶解空气中漂浮的尘艾(塵埃)和一氧化氮或二氧化碳等,河流的水在流动期间会溶解钙盐、镁盐等各种无机盐类及有机物。

这种水通过土壤、砂层等的时候会去除杂质,在清净的泉水或井水等水中也会溶入一定程度的钙盐、镁盐等。

钙离子或镁离子大量溶解的水称为强水,少量溶解的水称为甜水。

从呼吁中流出的水或河流的水流入大海,反复蒸发浓缩,因此大海中融入了极多的盐类。 世界海洋表层水中盐浓度目前为3.3%~3.8%，其中含量最多的是氯化钠。

因此，直接饮用是不合适的。 为了适当处理天然水并用于人工目的而进行的分析被称为"水族表",最近盛行饮料的水源污浊问题。

为了研究或药物的其他目的，通常采用蒸馏水或用离子交换树脂去除各种阳离子和阴离子的方法获得化学纯水。

蒸馏炉反复几次几乎就能得到纯水，因为水会溶解很多物质，这时使用的容器的成分也会稍微融化，所以用石英容器或锡容器等堵住。

即便如此，杂质仍不能完全去除，因此主要通过向蒸馏水中加入高锰酸钾进行再蒸馏。

利用离子交换树脂去除盐类的方法是将氢型强酸性阳离子交换树脂需要去除的阳离子与H、水产型强碱性阴离子交换树脂需要去除的阴离子与OH进行交换，去除杂质的净化方法。

用这种方法提纯的水有时被称为去离子水。

像这样，如果慎重使用蒸馏水或去离子水，就会获得非常纯的水，但通常会留下一定程度的溶解物质。

为了去除盐类，使用离子交换树脂比蒸馏法更有利，但在这种情况下，树脂中的有机物会融化到一定程度。

盐类的去除程度,即成为纯水的程度,盐类的溶解度是轻微的,因此经常通过测量水的比电阻(比低抗)来表示。

一般来说,电阻率在10×10以上的纯水用于水电解等,电阻率在100×10以上的纯度较高的用于高压机关用水、核反应堆用水等。

电阻率大于100×10的纯水是用于测定溶液电导率的纯水,被称为"傳導度数" 目前，使用离子交换树脂可得到1800×10的纯水。

(6) 水溶液

水分子从形状上可以看出是偶极子。

[图4]，即氧O与2个氢H共价键满足其原子价，未用于共价键的2个非共价电子对与O与H的结合方向相反，即使分子整体呈电中性，O原子侧呈电负，H原子侧呈正，因此形成偶极。

因此,水分子的介电常数(誘 率)非常大,并且与其他液体相比是最大的。

另外，水分子的O-H键的电负性很强，而且与具有可用于结合的轨道充裕原子的分子能很好地形成氢键。

因此，它与许多离子或分子具有很大的亲和力，容易与各种物质混合，溶解了许多物质，被称为最好的溶剂。

例如氯化钠NaCl或溴化钾KBr等离子晶体易溶于水。

在NaCl的晶体中，钠离子Na和氯离子Cl排列成三维立方体，因此在晶体中的结合力以Na和Cl之间的静电引力为主。

Na和Cl的距离，在这种情况下，2.81是电量，相当于一个电子的电荷。

另外，是介质的介电常数，在这种情况下，正离子之间什么都不存在，因此成为真空的介电常数。

当这种晶体进入水中时，由于水分子的热运动，当水分子在正离子之间流动时，水分子的介电常数与真空的介电常数之比约为1/80，变得非常小。

因此，无法维持晶格，Na和Cl被拉到晶格外的水中。 此时，由于水分子是偶极子，因此Na由几个水分子的负部分围绕，即O原子向Na取向，并在水中支撑Na。

对于阴离子的Cl，同样，水分子的偶极子的两个部分取向并在水中混合。

推测这个状态是溶于水的状态。 此时，例如，常温下向Na取向的水分子数量为4至6个。

在晶体SiO或硫化锌ZnS等晶体中，Si-O或Zn-S之间的结合比离子性具有相当强的共价性，并且静电引力参与结合的程度较小，因此不能用水分子减弱结合，因此不会溶解。

另外,糖的结晶是糖分子CHO通过-OH基团氢键三维连接,水分子与糖分子氢键的亲和力包围,使糖溶解。

萘和石蜡完全不溶于水是因为它们是碳氢化合物，对水分子没有亲和力。

在液体中也是如此，石油（汽油或煤油等）和苯等即使与水混合也不会分离溶解。

这是因为在水分子之间不存在产生氢键的相对原子，并且没有亲和力。

对此，乙醇（乙醇）CHCHOH以任意比例与水混合。

因为乙醇分子的-OH基团很容易与水分子进行氢键结合。

(7) 结晶水

水能很好地溶解许多物质，当从它们的水溶液中取出该物质的晶体时，有时会得到含有一定比例水的晶体。 此时的水一般称为结晶水。

虽然也有不能采取一定比例,即化学计量的一定比例的情况,但那是结晶内的晶格结构看不到本质变化的佛石水(沸石水)或气体分子被困在冰的晶格中的Classate化合物的情况。

像这样,一般来说,结晶水是指包括化学计量的一定比例的水的化合物,根据结构和结合状态,通常分为晶格数、配位数、结构数等。

(8) 异常水(常水)

是指与普通水性质完全不同的水。

也有像高压下的冰一样表现出异常性质的情况。

众所周知的是磁化水和聚水。 所谓"磁化水"是指将水放在磁场中处理的水,例如将天然水磁化后用于浮游选矿效率高,或者在锅炉中的管析沉淀(罐石沈澱)与一般情况不同。

但是,目前尚不清楚这种水是如何改变的。

波利沃特是1965年苏联界面化学家B.V.德里亚金首次报告其存在的。

他说,在内径为2/100毫米左右的非常细的石英管中,如果从饱和水蒸气中凝缩水,就会形成与普通水性质完全不同的异常水(anomalous water),即《水Ⅱ》。

据此，<该水的比重约为1.4，表面张力及粘性高，水蒸气压力低。

另外,在低温下也不会结冰,即使与普通水混合,也会根据温度分为两层或混合。

分子量是普通水的4~10倍，可以在700℃下蒸馏，但在800℃时变成普通水。

对此,很多化学家感兴趣地进行了各种检查,结果发现是杂质引起的误认。

4. 水的利用

(1) 朝鲜半岛水资源

韩国全年降雨量达1159毫米，月均降水量为96.9毫米。

水资源保存量:国土面积9.9万平方公里，年均降水量1159毫米，按年均降水量计算，年均水资源保存量为1140亿立方米。 其中,占42%的478亿立方米因蒸发而损失,除总流出和非利用水量外,实际利用量为161亿立方米。

(2) 生活用水

生活用水是人类生活中饮料、料理、洗衣、洗澡等日常生活所必需的水,作为饮料或食物成分,可分为直接被人体摄取和洗涤、洗澡等间接利用。

因此,生活用水不得含有病原菌和对人体有毒的成分,从物理、化学性质来看,颜色、气味、味道等不良,不能给人带来不快感。

(3) 农业用水

土壤必须要有水才能发挥其基础作用。

根据韩国的农业基础建设事业,国土面积中占22%的218万公顷是耕地,占66%的655万公顷是林地,剩下的12%的117万公顷是道路、河流、宅地等。

每年用于农用地农业用水108亿立方米，占总用水量的67%。

这种农业用水因围垦事业导致农田扩张和田作灌溉化等,需求正在增加。

(4) 工业用水、水污染及对策

随着城市的发展和文化水平的提高,居住地区和工业地区分离,工业规模扩大,生产活动所需的工业用水与生活用水分开处理。

韩国从1960年代后期开始重视工业化政策，在全国建设了很多工业园区，为了给这些地区提供工业用水，正在建设或计划建设专用用水设施。

到目前为止,作为工业用水使用的只有7亿立方米,只占总利用水量的4%左右,但预计其需求将会剧增。

作为生活用水和工业用水使用后,排入河流的生活污水及工业废水不仅会成为公共卫生上危险污染的原因,而且还会导致其无法再使用。

随着水利用度的增加，河流的污浊度增加，河流的流量减少，因此河流水质的污染浓度高于允许限度。

解决这一问题的方法是,通过污物的处理和废弃来排除污染物。

但是根据情况,仅靠垃圾处理和废弃是无法解决的,为了稀释到允许标准值以下,必须提供充足的水。 因此，作为水污染的防治措施，加强行政力量，要求各工厂安装处理设施，在主要城市和工业园区内设置污水终端处理厂，实施垃圾处理和处置。

但是,枯水时(渴)河流流水量少时,河流水质恶化,仅靠处理设施很难从根本上解决。

因此，主要河流的每个地点都制定了水质标准，并对此进行监视，同时利用水库或大坝等向河流上游供应河流收支用水。

(5) 动力源

水力利用的最早例子是用木头制作的水车（車）通过河流或运河的流水使用。

随着铁水车的发明和电力输送的长距离化，水力作为动力源占据了非常重要的地位。

水力发电是利用大坝排放的水进行供水发电，因此由于资源的多功能利用效果和水文循环过程中水资源无限再利用等，水比其他动力源更加经济。

5. 民俗信仰与水

在民俗信仰中，水起着很大的作用。 水作为生命力、富饶的原理和净化力被侍奉，发挥了独特的宗教功能。

水的生命力或富饶原理也被用龙来表示，龙神、龙王是龙观念化的水神。 如今,农民们在田埂上玩《喂龙王》是为了祈求修身富足。

被水奶奶的水观念化的泉水也是如此,因此从水的生命力中当然可以推测出医术上的治愈力。 另一方面，水与火一起被认为具有净化力，因此成为了不洁净（淨）传承。

泼三次瓢里的冷水,或者在采参爱好者去采山参之前进行沐浴斋戒等行为是郑和的代表性巫术。 特别是郑和秀的清澈本身也被认为是献上至诚的人的诚心，献给灶神灶君的灶王柱钵就是其礼节之一。

水的宗教净化力在基督教的洗礼、灵世、佛教的官欲等方面也有所体现。 随着水所具有的清洁力和生命力成为综合信任的对象,各种新兴宗教接受了对水的信仰,形成了《水法信仰》或《冷水信仰》。