물의 물리적, 화학적, 생물학적 특성

 물은 지구상에서 가장 중요한 물질 중의 하나로 우리의 생명을 유지시켜 주는 여러 가지 반응에 중요할 뿐만 아니라, 간접적인 방법으로 우리 생활에 많은 영향을 미칩니다. 이제부터 이러한 물의 물리적, 화학적, 생물학적 특성에 대해 알아보도록 하겠습니다.

1. 물리적 특성

 물의 상태 변화는 고체(얼음), 액체(물), 기체(수증기)로 변화가 가능합니다. 물의 상태 변화의 상세 과정은 다음과 같이 설명할 수 있습니다. 
① 융해 (Melting) : 융해는 고체에서 액체로 바뀌는 현상으로 흡열의 과정을 거칩니다. 고체(얼음)에 열을 가하면 분자 운동이 활발해져 분자 사이에 작용하던 수소 결합이 깨지면서 액체로 변하게 됩니다. 이때 물의 융해점은 0℃ (표준 압력 1 atm 기준)입니다. 대표적인 예는 얼음이 녹아 물이 되는 현상입니다. 
② 응고 (Freezing) : 응고는 액체가 고체로 변하는 과정으로 발열의 과정을 거칩니다. 액체가 열을 잃으며 분자 운동이 느려지고 고체화되는 과정으로 이 때 물의 응고점은 0℃로 융해점과 동일합니다. 액체 상태의 물을 냉동실에 넣으면 얼음이 되는 현상이 응고 현상의 대표적인 예입니다. 
③ 기화 (Evaporation/Boiling) : 기화는 액체가 열을 흡수하고 분자 운동이 활발해짐에 따라 액체에서 기체로 변하는 현상으로 흡열의 과정입니다. 물의 기화는 증발과 끓음 두 종류로 나뉘는데 증발(Evaporation)은 표면에서 서서히 기화되는 현상입니다. 이때 물 분자는 끓는점에 도달하지 않아도 액체에서 기체로 변하는 과정을 말합니다. 빨래가 마르는 현상이 증발의 예입니다. 그리고 끓음(Boiling)은 액체 전체에서 빠르게 기화되는 현상으로 끓는점에 도달한 용액의 폭발적인 기화 현상을 말합니다. 물의 끓는점은 100℃ (표준 압력 1 atm 기준)입니다. 
④ 응결 (Condensation) : 응결은 기체가 열을 방출하면서 액체로 변하는 현상으로 발열의 과정입니다. 차가운 컵 표면에 물방울이 맺히는 현상이나 구름이 생성되는 과정이 응결의 예입니다. 
⑤ 승화 (Sublimation, 고체 → 기체, 흡열) : 고체가 액체 상태를 거치지 않고 바로 기체로 변화하는 과정으로 대표적인 흡열의 반응입니다. 드라이아이스(CO₂)가 기체로 직접 변하거나 눈이 녹지 않고 사라지는 것이 승화에 의한 현상입니다. 

 

 밀도는 4℃에서 가장 높은 밀도(약 1g/cm³)를 가지며 상온에서는 대부분 0.998g/cm³ 수준의 밀도를 보입니다. 또한 비열(약 4.18 J/g·K)이 매우 높아 온도 변화가 느립니다. 이러한 높은 비열 특성으로 발전소, 자동차 엔진 등에서 냉각제로 활용하기도 합니다. 그리고 높은 표면 장력을 가지고 있고 표준 압력에서 끓는점(100℃), 어는점(0℃)이 뚜렷하게 구분이 됩니다. 

 물이 가지고 있는 여러 중요한 성질 중 하나는 물이 수많은 물질들을 녹일 수 있는 용해성입니다. 액체 상태의 물은 H2O 분자들의 집단으로 이루어져 있습니다. 각각의 물 분자는 굽은 구조 또는 V-자 모양을 하고 있으며, 그 원소들의 결합에 의한 결합각은 대략 105도 입니다. 물 분자의 O-H 결합은 산소와 수소 원자 사이에 전자를 공유함으로써 형성되는 공유 결합입니다. 그러나 결합 전자들은 두 원자 사이에 동등하게 공유되어 있지 않습니다. 산소와 수소의 전기 음성도 차이에 의해 산소 원자는 수소 원자에 비해 전자에 대해 더 큰 친화력을 가지고 있습니다. 이러한 이유로 산소 원자는 약간의 음전하(부분 전하, 델타 마이너스)를 가지고, 수소 원자는 약간의 양전하(부분 전하, 델타 플러스)를 가집니다. 물 분자 내 전하의 분포의 불균형은 물을 극성 분자(polar molecule)의 성질을 갖게 합니다. 물이 물질을 녹이는 성질은 바로 이 극성의 성질을 가졌기 때문입니다. 
 이온성 고체가 물에 녹는 상황은 수화(Hydration)의 과정을 통해 진행이 됩니다. 수화의 과정은 물 분자의 양전하 말단이 음전하를 띈 음이온과 상호작용을 하고, 물 분자의 음전하 말단이 양전하를 띈 양이온과 상호작용을 합니다.  이때 수화가 일어나는 이유는 고체 상태에서 존재하는 양이온과 음이온 사이의 정전기적 인력보다 물과 이온 사이의 강한 상호작용이 형성될 때 일어나게 됩니다. 이러한 물 분자와 이온 사이에 존재하는 상호작용의 크기에 따라 용해도(solubility)는 매우 달라지게 됩니다. 예를 들어, 염화소듐(NaCl)은 물에 매우 잘 녹는데 비하여 염화 은(AgCl2)은 거의 녹지 않습니다. 이처럼 물에 대한 이온성 물질들의 용해도 차이는 이온들 간의 인력의 세기와 이온들의 물 분자에 대한 인력의 크기에 의해 결정됩니다. 또한 이온성 물질이 물에 녹으면 독립적인 양이온과 음이온으로 분해되는 것도 중요한 특징입니다. 앞서 언급한 염화소듐(NaCl)이 물에 녹아서 만들어지는 용액에는 서로 독립적으로 움직이는 Na+와 Cl-가 존재하고 수화되어 있다는 것을 나타내기 위해 Na+(aq)와 Cl-(aq)라고 표시합니다. 여기서 (aq)는 이온들이 물 분자들에 의해 수화되어 있음을 나타냅니다. 

2. 화학적 특성

 물의 화학식은 H₂O 이며, 수소 2개, 산소 1개로 이루어져 있습니다. 대표적인 극성 분자로 산소가 전자를 더 끌어당겨 부분적으로 음전하를 띠고, 수소는 양전하를 띄게 됩니다. 대표적인 수소 결합이 가능한 분자로 분자 간 강한 결합을 형성해 높은 끓는점과 비열을 가집니다. 물 자체는 중성이지만, pH 7 이하(산성), pH 7 초과(염기성) 환경에서 반응 가능한 산, 염기 특성을 가지고 있습니다. 

3. 생물학적 특성

 물은 생명 유지 필수 요소로 세포 내 대사 반응과 생리작용에 필수적이며, 생체 내 화합물(단백질, 탄수화물, 이온 등)을 녹여 반응을 원활하게 합니다. 그리고 증발할 때 많은 열을 흡수하여 땀을 통한 체온 조절 가능하며, 세포 내외의 물 균형 유지할 수 있는 삼투압을 조절합니다. 또한 광합성 필수 요소로 식물이 광합성을 할 때 물을 사용하여 산소를 생성(6CO₂ + 6H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6O₂)하여 생태계 유지를 지속합니다.