[3강 다양한 상태의 물질] 물과 용액

1. 물이 생명체에게 중요한 이유?

 물은 간단한 분자같지만, 조금만 살펴보면 생명과 인간의 모든 활동에 있어 얼마나 중요한지 알 수 있다. 인간은 물 없이는 며칠밖에 살지 못하고, 다른 생명체 중에는 몇 시간, 혹은 몇 분밖에 살지 못하는 것들도 있다. 물이 생명체에 있어 이렇게 중요한 것은 어떤 특성 때문일까?

 모든 것은 물의 구조적 특성이다. 물 분자는 전자쌍들 사이의 반발 때문에 산소가 중시멩 있고, 양쪽엔 수소가 결합되어 있는 V자 모양을 하고 있다. 이런 모양은 다른 구조에서는 가질 수 없는 특성을 지니게 한다. 물이 가열되면 각 분자의 운동이 빨라지고, 여러 방향으로 운동하게 된다. 방 안을 더 빠른 속도로 날아다니며 V자 형태 때문에 진동할 수도, 회전할 수도 있다.

V자 모양의 물 분자 구조

 이런 다양한 방식의 운동이 가능하기 때문에 물 분자는 큰 온도 변화 없이 많은 양의 열에너지를 흡수할 수 있다. 이는 온도변화에 대한 저항력이 큰 것을 뜻한다. 예를 들어 같은 양의 열에너지를 가했을 때 모래는 쉽게 가열되는 반면, 바다는 쉽게 온도가 올라가지 않는다. (이러한 온도차는 해풍과 육풍을 일으킨다.)

 그렇다면 이러한 특성이 왜 중요할까? 사람을 생각해보자. 약 2/3가 물로 구성되어 있는 사람의 몸은 물의 단열 능력이 없다면 여름을 날 수 없으며, 겨울이 어느 정도 따뜻하다고 하더라도 쉽게 살아남을 수 없을 것이다. 병이 들었을 때 단지 체온이 몇 도만 올라가도 사경을 헤매는 것을 생각하면 사람의 몸에서 일어나는 화학 작용이 얼마나 복잡하고 섬세한지 알 수 있다. 물 덕분에 우리는 사하라 사막이나 북극과 같은 극단적인 기후 속에서도 살아남을 수 있는 것이다.

 

2. 물의 고체, 액체, 기체 상태

 지구상 생명 순환에 있어 물의 세 가지 상태는 모두 중요하다. 물이 얼어 얼음이 될 때에는, 바위에 금이 갈 정도로 강한 힘으로 팽창한다. 이렇게 물에 의해 침식된 바위는 먹이 사슬의 첫번째 고리인 식물의 영양소 공급원이 된다. 물의 기체 상태는 물의 순환 과정 중 해양에서 육지로 물이 이동하기 위해 거쳐야 하는 핵심적인 과정이다. 물의 액체 상태는 고체와 액체, 기체를 용해시킬 수 있는데, 액체 상태인 사람의 피에 영양소가 잘 용해되기 때문에 세포가 살 수 있다. 또한 물이 산소 기체를 용해시킬 수 있기 때문에 물고기들이 호흡을 할 수 있다. 하지만 모든 것이 물에 녹는 것은 아니다. 지방과 기름은 물에 녹지 않아 서로 분리되는데 이 역시 생명에게 있어서 매우 중요하다. 세포벽을 형성하는 지방은 물에 의해 서로 응집하는데, 이는 물 표면에 떨어진 기름방울이 서로 뭉치는 것과 같은 현상이다. 

 

3. 용액과 그 성질에 관하여

 물고기가 호흡하고, 인간의 혈구가 이동할 수 있는 물은 전체적으로 균질한 혼합물인 용액의 한 종류이다. 용액은 용매와 하나 이상의 용질로 구성된다. 용매는 용액 중 가장 양이 많으면서 다른 물질을 녹이는 물질이고, 용질은 용매에 녹아있는 물질을 말한다. 예를 들어 우리가 숨 쉬는 공기는 산소, 질소, 아르곤을 비롯한 여러 기체로 이루어진 용액이다. 이 경우에는 양이 가장 많은 성분인 질소가 용매가 되고, 산소는 용질이 된다. 합금도 고체 용액으로 생각할 수 있다. 소금물은 물이 용매인 수용액의 한 예이다. 

 총괄성이란 용매와 용질 입자의 총괄적인 효과에 기초한 용액의 성질이다. 총괄성에는 어는 점 내림과 끊는점 오름, 삼투 현상이 있다. 어는점 내림은 용액이 순수한 용매보다 더 낮은 온도에서 어는 현상이고(소금물은 그냥 물보다 어는점이 낮다.), 끓는점 오름은 용액이 용매보다 더 높은 온도에서 끓는 현상을 말한다. (라면을 끓일 때 스프를 먼저 넣는 원리다.) 삼투 현상은 농도가 더 높은 용액으로 용매가 이동하는 것을 말한다. (피클이 절여지는 과정, 물에 들어가면 피부가 쭈글쭈글해 지는 현상이 이에 해당한다.)

꼬들꼬들한 면을 위해서는 스프를 먼저 넣어 물의 끓는점을 높인다!