과학 물의 구조와 특성

[김동석]

물의 구조와 특성

(1) 자연계의 물

 ① 지구상에 존재하는 물

    존재비(%) : 바다물이 대부분( 97.33),  극지방의 빙하 2.04,  지하수 0.61등

    우리가 마실 수 있는 물(담수)은 1% 미만

 ② 인체에 존재하는 물

    인체의 약 70%가 물로 구성. 10% 이상 잃으면 생명이 위험.

    체온을  일정하게 유지시켜 주고, 땀배출로 체온을 조절한다.

    영양분과 노폐물, 호르몬 등을 녹여서 운반.

    몸 속에서 일어나는 여러 화학 반응에 관여함.

(2) 물의 구성 성분

 ① 물을 연구한 과학자

    프리스틀리 : 산소 발견

    라부아지에 : 질량 보존의 법칙 발견

    캐번디시 : 수소 발견

    게이 뤼삭 : 기체 반응의 법칙 발견

 ② 물의 구성

    물의 상태 변화가 일어나면 물 분자의 구조는 변하지 않고 배열 상태만 변한다.

    물이 끓을 때 생기는 기포는 기체 상태의 물 분자들이다.

    증발과 끓음현상을 비교해 생각하기

 ③ 물의 합성과 전기 분해

    수소와 산소가 의 부피비로 반응하여 합성되며 발열반응이다

    물의 전기분해시 이므로 수산화나트륨이나 묽은 황산을 첨가하고 전류를 흘려 준다.[주의:NaCl은 불가]

    (-)극에서 수소 기체, (+)극에서 산소 기체가 2 : 1의 부피비로 발생한다.

                 전기 분해   (-)극     (+)극

         2H₂O  ------→   2H₂   +   O₂

  따라서 물은 수소와 산소의 화합물임을 알 수 있으며 분해와 합성은 역반응 관계이다. 

(3) 물의 극성

 ① 결합으로 형성된 3원자 분자

    물 분자(H₂O) 1개는 수소 원자(H) 2개와 산소 원자(O) 1개로 이루어져 있다.--3원자 분자

    물은 물분자가 모여 된 집합체이다

    산소 원자와 수소 원자는 각자의 전자를 내놓아 전자쌍을 만들고, 이를 서로 공유함으로써 결합하고 있다.

 ② 극성분자

    수소와 산소가 공유하고 있는 전자쌍은 원자 쪽으로 치우쳐 있다.

    즉, 산소 원자 주위에는 (-) 부분 전하가, 수소 원자 주위에는 (+) 부분 전하가 발생한다. 

    물 분자는 굽은 구조이므로 치우친 전하가 서로 상쇄되지 않아 전체적으로 극성을 띠게 된다.

    물분자는 대전체에 끌린다

        

    물분자는 (가)와 같은 구조이다. 만약 (나)와 같은 구조라면 위의 극성분자의 특징이 모두 없어진다

 ③ 용해성

    극성 물질은 극성 물질과, 무극성 물질은 무극성 물질과 잘 섞이고, 극성 물질과 무극성 물질은 서로 잘 섞이지 않는다

    (Like dissolves like).

    물과 알코올은 잘 섞이지만 물과 기름은 섞이지 않는다. 

(4) 얼음이 물에 뜨는 이유

 ① 밀도

    대부분의 물질은 액체보다 고체의 밀도가 크다.   고체가 가라 앉는다.

                     

    물은 에서 밀도가 최대(1.0 g/㎤)로 된다.   추운 겨울에도 호수의 밑바닥은 4℃ 를 유지하므로 물고기가 살 수 있다.

    얼음의 밀도는 0.9 g/㎤정도이므로 물이 얼면 그 부피가 약 11% 정도 증가하며, 얼음이 물 위에 뜨게 된다.

 ② 결합

    플루오르(F), 산소(O), 질소(N)와 다른 분자의 수소(H) 사이에 생기는 결합

    수소 결합 물질 : 등

    물이 얼면 물 분자들은 완전히 수소 결합으로 배열되어 빈틈이 많은 육각고리 모양이 된다. 이로 인해 부피가 증가(밀도가 감소)한다

 ③ 수소 결합으로 인해 나타나는 물의 특성

    얼음의 밀도가 물의 밀도보다 작다.   얼음이 물에 뜬다.

    녹는점과 끓는점이 .

    비열과 열용량이 .   생물체의 체온을 유지, 대기의 온도를 유지시킨다.

    융해열과 기화열이 크다.   땀으로 체온을 식힌다.

    표면 장력이 크다.

(5) 소금쟁이가 물 위를 걸을 수 있는 이유

 ① 표면 장력

    물질의 경계면에 생기는 표면적을 최소화하도록 작용하는 힘

    액체 표면의 분자들은 안쪽으로만 인력을 받기 때문에 발생한다.

    표면 장력은 액체의 종류에 따라 다르며, 온도가 높을수록 작아진다.

    물은 수소 결합으로 인해 분자간의 인력이 매우 크므로, 탄력이 있는 막과 같다.

     : 액체에 녹아 액체의 표면 장력을 작게 하는 물질

    비누나 세제를 물에 녹이면 물의 표면 장력이 감소한다.

 ② 모세관 현상

    가는 관에서 물과 물질 사이의 부착력에 의해 물이 기어오르고, 표면 장력에 의해 서로 합쳐지므로 관의 위로 올라가는 현상이다.

    주변에서 볼 수 있는 모세관 현상

    - 수건이나 종이에 물이 스며들므로 물을 닦을 수 있다.

    - 양초나 알코올 램프의 심지를 타고 연료가 올라가므로 계속 탄다.

    - 뿌리에서 흡수한 물이 물관을 타고 나무 꼭대기까지 올라간다.

    - 혈액이 혈관을 타고 흐르며, 볼펜의 잉크가 끊어지지 않고 나온다.

(6) 물의 용해성

 ① 고체의 용해도

    물은 극성 물질이므로 을 잘 녹인다.

    대부분 온도가 높을수록 고체의 용해도가 한다.

    물에 녹지 않는 염이나 금속도 산성 용액에는 더 잘 녹는다.

    석회암 동굴의 형성

     : 이산화탄소가 녹은 물(탄산, H₂CO₃)이 석회석(탄산칼슘, CaCO₃)을 녹인다.

       CaCO₃ + H₂CO₃  →  Ca(HCO₃)₂

 ② 기체의 용해도

    일반적으로 온도가 수록, 압력이 수록 용해도가 증가한다.

    수온이 낮을수록 용존 산소량(DO)이 증가한다.