물의 특별한 성질

본문

본문

대부분의 물질은 식으면 부피가 줄어 무거워지고, 고체가 되면 액체보다 밀도가 크다. 그렇다면 겨울 호수의 물도 차가워진 물이 바닥으로 가라앉아 바닥부터 얼어야 한다. 그런데 실제로 호수는 수면부터 얼고, 얼음 아래의 물은 4 °C 근처에 머물러 물고기가 겨울을 난다. 물은 왜 다른 물질과 반대로 행동할까?

물의 온도 (°C)

그림 1. 물의 밀도는 4 °C에서 가장 크고, 그보다 차가워지면 오히려 작아진다. 0 °C의 얼음은 물보다 약 9% 가벼워 물에 뜬다.

먼저 알아야 할 것수소 결합과 극성 분자(분자 간 상호작용과 끓는점), 비열(물리학), 결정 구조(결정과 비결정).

2.1.1얼음의 빈 공간

물 분자는 산소 하나에 수소 둘이 104.5°로 굽은 모양이고, 산소 쪽이 부분적인 음전하, 수소 쪽이 부분적인 양전하를 띤다. 그래서 한 분자는 이웃 분자 네 개와 수소 결합을 할 수 있다. 얼음에서는 모든 분자가 이웃 넷과 수소 결합을 하며 정사면체 방향으로 늘어서, 육각형 고리가 이어진 구조를 이룬다. 그런데 이 구조는 속이 빈 공간이 많아, 분자들이 자유롭게 움직이며 촘촘히 모인 액체보다 부피가 크다.

정리 2.1.1 물의 밀도 이상

얼음은 수소 결합이 만든 빈 공간 때문에 같은 질량의 물보다 부피가 약 9% 크다. 0 °C에서 4 °C까지 데우면 남아 있던 얼음 같은 구조가 무너지며 밀도가 커지고, 4 °C를 넘으면 분자 운동이 활발해져 다른 액체처럼 밀도가 작아진다.

그림 1에서 온도를 바꾸어 보자. 4 °C에서 밀도가 가장 크다. 그래서 겨울 호수에서는 4 °C의 물이 바닥에 깔리고, 그보다 차가운 물은 위로 떠올라 수면부터 언다. 얼음은 물에 떠서 아래의 물이 더 식는 것을 막는 덮개가 된다. 게다가 얼음과 그 위에 쌓인 눈은 열을 잘 전달하지 않아, 두꺼운 얼음 아래의 물은 한겨울에도 쉽게 얼지 않는다.¹

2.1.2큰 비열과 높은 끓는점

물의 비열은 4.18 J/(g·°C)로 흔한 물질 가운데 매우 크다. 물의 온도를 올리려면 분자 운동을 빠르게 하기 전에 수소 결합의 일부를 끊는 데 에너지가 들기 때문이다. 그래서 바다는 낮에 천천히 데워지고 밤에 천천히 식어, 해안 지방의 기온 변화가 내륙보다 작다. 또 물은 분자량이 18로 작은데도 끓는점이 100 °C이고, 증발할 때 많은 열을 빼앗아 땀으로 체온을 낮춘다.

그림 2. 물의 비열은 모래의 5배가 넘는다. 같은 햇빛을 받아도 모래사장은 뜨겁고 바닷물은 미지근하다.

2.1.3예제 풀이

예제 2.1.2

물 1 kg과 모래 1 kg에 각각 41.8 kJ의 열을 주면 온도가 몇 °C씩 오르는가? 또 0 °C의 물 1 L가 모두 얼면 부피는 몇 L가 되는가? (물의 밀도 1.00 kg/L, 얼음 0.917 kg/L)

온도 변화는 \(\Delta T = \dfrac{Q}{mc}\)이다. 물은 \(\dfrac{41\,800}{1000 \times 4.18} = 10\) °C, 모래는 \(\dfrac{41\,800}{1000 \times 0.8} \approx 52\) °C 오른다. 같은 열을 받아도 물은 모래의 5분의 1만큼만 데워진다.

물 1 L는 1.00 kg이므로 얼음의 부피는 \(\dfrac{1.00}{0.917} \approx 1.09\) L이다. 약 9% 커진다. 그래서 물이 가득 찬 유리병을 냉동실에 넣으면 깨지고, 겨울에 수도관이 터진다. 그리고 바위 틈에 스며든 물이 얼고 녹기를 되풀이하며 바위를 쪼개는 풍화도 이 때문에 일어난다.

아래 탐구 카드에서 물이 얼 때 부피가 커지는 까닭과 물이 특별한 액체인 이유를 더 살펴보자.

만약 얼음이 물보다 무거웠다면 호수는 바닥부터 얼어 겨울마다 통째로 얼음이 되었을 것이고, 여름에도 다 녹지 않았을 것이다. 물속 생물이 겨울을 나기 어려웠을 것이다.

마무리

물 분자는 이웃 넷과 수소 결합을 할 수 있어, 얼음은 빈 공간이 많은 구조가 되어 물보다 가볍고, 물은 4 °C에서 밀도가 가장 크다. 수소 결합 때문에 물은 비열과 끓는점도 크다. 그래서 처음 질문의 겨울 호수는 4 °C의 무거운 물이 바닥에 깔리고 더 차가운 물이 위에 떠서 수면부터 언다.

탐구 1

물이 얼면 왜 부피가 커질까?

수소 결합 · 얼음 구조 · 밀도 실측

온도 = 4 °C

상태: —
밀도 (g/mL): —
1 kg의 부피: —
4 °C 물보다: —

밀도는 1 atm에서의 실측값이다(물은 표준 자료, 얼음은 0 °C 0.917 g/mL). 0 °C 미만은 얼음으로, 0 °C 이상은 액체로 보았다. 분자 그림은 2차원으로 줄인 모식이고, 실제 얼음은 입체 육각 구조이다.

질문대부분의 물질은 고체가 액체보다 빽빽해서 가라앉는다. 그런데 얼음은 물에 뜨고, 가득 채운 병을 얼리면 병이 깨진다. 물은 왜 얼 때 부피가 커질까?
복원물 분자는 굽은 극성 분자이고, 한 분자가 이웃과 최대 4개의 수소 결합을 할 수 있다. 그리고 수소 결합은 O-H…O가 거의 일직선일 때 가장 강하다.
설명그래서 얼음에서는 모든 분자가 이웃 넷과 수소 결합을 하려고 방향을 맞춰, 속이 빈 육각형 고리 구조를 만든다. 반면 액체에서는 수소 결합이 끊어졌다 이어지기를 되풀이하며 분자가 빈 공간으로 들어갈 수 있어 더 빽빽하다. 같은 부피 속 분자 수가 얼음이 약 8% 적고, 거꾸로 같은 양의 물이 얼면 부피는 약 9% 커진다.
연결0 °C 얼음의 밀도는 0.917 g/mL, 0 °C 물은 0.9998 g/mL이므로, 물 1 kg이 얼면 부피가 1000 mL에서 약 1091 mL로 커진다. 또 액체 물은 4 °C에서 밀도가 가장 크다. 녹은 뒤에도 남아 있던 얼음 비슷한 구조가 4 °C까지 무너지며 빽빽해지고, 그 위로는 열팽창이 이기기 때문이다.
적용온도를 −5 °C에서 0 °C로 올려 얼음이 녹는 순간 밀도가 어떻게 뛰는지 보자. 오른쪽 확대 그래프에서 4 °C를 지나 20 °C로 가면 밀도가 어떻게 변하는지도 확인해 보자.
판단‘차가울수록 무겁다’는 물에서 4 °C까지만 맞는다. 이 성질 덕분에 겨울 호수는 표면부터 얼고, 얼음이 뚜껑처럼 덮여 바닥의 물은 4 °C 근처로 남는다. 확대 그래프의 변화는 0.2% 정도로 아주 작지만, 이 작은 차이가 호수 전체의 물 순환을 바꾼다.

확인조건이 달라지면

가을에 10 °C였던 깊은 호수가 겨울 동안 점점 식는다. 호수에서 일어나는 일로 알맞은 것은?

탐구 2

물의 끓는점은 왜 100 °C나 될까?

수소 결합 · 분자 사이의 힘 · 실측 자료

고른 물질: —
추세로 어림한 2주기: —
실제 − 어림: —

끓는점은 1 atm 실측값이다. 그래프의 점을 누르면 그 물질을 고른다. 어림값은 3~5주기 세 점을 직선으로 이어 늘린 것이라 대략의 값이다.

질문H₂S는 −60 °C, H₂Se는 −41 °C, H₂Te는 −2 °C에서 끓는다. 같은 16족인 H₂O는 분자가 가장 가벼우니 가장 낮은 온도에서 끓어야 할 것 같은데, 실제로는 100 °C이다. 왜일까?
복원액체가 끓으려면 분자들을 서로 떼어 놓아야 하므로, 분자 사이의 힘이 셀수록 끓는점이 높다. 그리고 비슷한 종류의 분자라면 분자가 크고 무거울수록 분자 사이의 힘(분산력)이 커진다.
설명그런데 F, O, N처럼 전기 음성도가 크고 작은 원자에 수소가 붙으면, 수소는 강한 δ+를 띠고 이웃 분자의 F, O, N의 비공유 전자쌍에 끌린다. 이 분자 사이의 인력을 수소 결합이라고 한다. 다른 분자 사이의 힘보다 훨씬 세서, 떼어 내는 데 에너지가 더 든다.
연결물 분자는 비공유 전자쌍 2개와 H 2개를 가진 굽은 극성 분자라서, 한 분자가 이웃과 최대 4개의 수소 결합을 맺을 수 있다. 그래서 HF와 NH₃보다 물의 끓는점이 더 높다.
적용족을 바꿔 가며 2주기 화합물이 추세선에서 얼마나 벗어나는지 비교해 보자. 14족 CH₄가 추세선보다 오히려 아래에 있는 까닭도 생각해 보자. 탄소는 전기 음성도가 2.55로 수소(2.20)와 차이가 작다.
판단수소 결합은 이름과 달리 분자 안의 공유 결합이 아니라 분자와 분자 사이의 인력이다. 그래서 물이 끓을 때 끊어지는 것은 수소 결합이고, O-H 공유 결합은 그대로이다. 수증기는 여전히 H₂O이다.

확인조건이 달라지면

HF, HCl, HBr, HI 중 1 atm에서 끓는점이 가장 낮은 것은?

읽기 3

물은 왜 그렇게 특별한 액체일까?

읽기 · 수소 결합이 만드는 물의 성질

물(H₂O)의 분자량은 18로 메테인(16)과 비슷하다. 그런데 메테인은 −162 °C에서 끓는 기체이고 물은 100 °C까지 액체로 남는데, 이 한 가지 차이가 지구의 기후와 생명을 바꿔 놓았다.

물 분자는 굽은 모양이고 산소 쪽이 부분적으로 음전하, 수소 쪽이 양전하를 띤다. 그래서 한 분자의 수소는 이웃 분자의 산소와 수소 결합을 하고, 분자 하나가 최대 4개의 이웃과 이어져 그물처럼 연결되며, 물의 특별한 성질은 거의 모두 이 그물에서 나온다.

성질	물의 값 (다른 물질과 비교)	수소 결합과의 관계	생활·자연에서
큰 비열	4.18 J/(g·°C) (에탄올 2.4, 철 0.45)	데우려면 수소 결합을 흔들고 끊는 데 에너지가 먼저 쓰임	바닷가는 기온 차가 작음. 몸의 체온이 잘 유지됨
큰 기화열	2257 J/g	기체가 되려면 수소 결합을 모두 끊어야 함	땀이 증발하며 몸을 식힘
얼음이 물에 뜸	얼음 0.917 g/mL, 4 °C 물 1.000 g/mL	얼면 수소 결합이 빈틈 많은 육각 구조로 고정됨	호수가 위부터 얼어 아래의 생물이 겨울을 남
큰 표면 장력	72.8 mN/m (에탄올 22)	표면의 분자를 안쪽 분자들이 강하게 끌어당김	소금쟁이가 물 위를 걸음. 물방울이 둥글게 뭉침
모세관 현상	가는 관을 따라 물이 올라감	물 분자끼리, 그리고 관 벽과 끌어당김	식물이 뿌리에서 잎까지 물을 끌어올리는 데 도움
뛰어난 용매	이온 물질과 극성 물질을 잘 녹임	극성인 물 분자가 이온과 극성 분자를 둘러쌈	몸속에서 양분과 노폐물을 녹여 나름

물의 밀도가 가장 큰 온도는 0 °C가 아니라 4 °C이다. 0 °C 가까이 식은 물은 수소 결합이 얼음 같은 구조를 이루기 시작해 오히려 부피가 늘어나기 때문이다. 그래서 겨울 호수 바닥에는 4 °C의 물이 가라앉고, 차가운 물과 얼음은 위에 뜬다.

판단얼음이 물에 뜨는 것이 얼음 속에 공기가 들어 있어서라는 설명은 틀렸다. 공기 방울이 전혀 없는 맑은 얼음도 물에 뜨는데, 수소 결합이 분자를 일정한 방향으로만 이어 빈틈이 많은 구조를 만들기 때문이다. 대부분의 물질은 고체가 액체보다 무거워 가라앉으므로, 물은 드문 예외이다.

확인조건이 달라지면

물 분자 사이에 수소 결합이 없다고 가정하면, 다음 중 일어날 일로 가장 알맞은 것은?