물의 특이한 특성

 

물의 아르카이우스 글 올릴 때 보고

올린다 올린다하다

거의 2년 넘게 즐겨찾기에 잠들어있던건데

딥엘을 기회로 샤샤샥 올려봐용ㅋ

https://chem.libretexts.org/Bookshelves/Physical_and_Theoretical_Chemistry_Textbook_Maps/Supplemental_Modules_(Physical_and_Theoretical_Chemistry)/Physical_Properties_of_Matter/States_of_Matter/Properties_of_Liquids/Unusual_Properties_of_Water

Unusual Properties of Water

 

2023-03-31

딥엘 번역 테스트

 

 

물의 특이한 특성

 

지구의 70%가 바닷물이고 우리 몸의 65%가 물이기 때문에 물이 우리 삶에서 얼마나 중요한지 모를 리가 없습니다. 물에는 고체(얼음), 액체(물), 기체(수증기)의 세 가지 형태가 있습니다. 물은 어디에나 존재하기 때문에 많은 사람들이 물의 특이하고 독특한 특성을 알지 못합니다:

 

끓는점 및 어는점

표면 장력, 기화열 및 증기압

점도와 응집력

고체 상태

액체 상태

기체 상태

끓는점 및 어는점

 

주기율표를 보고 텔루륨(원자 번호: 52)을 찾으면 분자 크기가 작아질수록 수화물의 끓는점이 낮아지는 것을 알 수 있습니다. 따라서 텔루르의 수화물은 다음과 같습니다: H2Te(텔루라이드 수소)의 끓는점은 -4°C입니다. 한 단계 더 올라가면 다음 수화물은 끓는점이 -42°C인 H2Se(셀렌화 수소)입니다. 한 단계 더 올라가면 황화수소(H2S)의 끓는점이 -62°C라는 것을 알 수 있습니다. 다음 수소화물은 H2O(물!)입니다. 그리고 우리 모두는 물의 끓는점이 100°C라는 것을 알고 있습니다. 따라서 물은 분자량이 작음에도 불구하고 끓는점이 엄청나게 높습니다. 이는 물이 끓기 시작하기 전에 수소 결합을 끊는 데 더 많은 에너지가 필요하기 때문입니다. 아래 표에서 볼 수 있듯이 어는점에도 동일한 개념이 적용됩니다. 물의 끓는점과 어는점은 분자가 매우 느리게 끓거나 얼 수 있도록 하며, 이는 물 속에 사는 생태계에 중요합니다. 만약 물이 매우 쉽게 얼거나 끓는다면 바다나 호수와 같은 급격한 환경 변화로 인해 물 속에 사는 모든 생물체가 죽게 될 것입니다. 이것이 바로 땀이 우리 몸을 식힐 수 있는 이유이기도 합니다.

 

화합물, 끓는점, 어는점

텔루라이드 수소, -4°C, -49°C

셀레나이드 수소, -42°C, -64°C

황화수소, -62°C, -84°C

물, 100°C, 0°C

 

표면장력, 기화열 및 증기압

수은을 제외하고 물은 모든 액체 중에서 표면 장력이 가장 높습니다. 물의 높은 표면 장력은 물 분자의 수소 결합 때문입니다. 물은 또한 기화열이 매우 높습니다. 기화는 액체가 기체로 변할 때 발생하며, 이는 흡열 반응입니다. 물의 기화열은 41kJ/mol입니다. 증기압은 분자간 힘과 반비례하므로 분자간 힘이 강한 물질은 증기압이 낮습니다. 물은 분자간 힘이 매우 강하기 때문에 증기압이 낮지만, 증기압이 낮은 더 큰 분자와 비교하면 더 낮습니다.

 

점도는 흐름에 대한 저항이 높은 유체의 특성입니다. 우리는 일반적으로 꿀이나 엔진 오일과 같은 액체가 점성이 있다고 생각하지만, 비슷한 구조를 가진 다른 물질과 비교했을 때 물은 점성이 있습니다. 분자 간 상호작용이 강한 액체는 일반적으로 분자 간 상호작용이 약한 액체보다 점성이 더 높습니다.

 

응집력은 같은 분자 사이의 분자 간 힘으로, 물 분자가 한 방울에서 서로를 붙잡을 수 있는 이유입니다. 물 분자는 분자의 극성 때문에 응집력이 매우 높습니다. 이 때문에 유리잔의 테두리 바로 위까지 물을 채워도 흘리지 않고 채울 수 있습니다.

 

고체 상태(얼음)

물을 포함한 모든 물질은 가열하면 밀도가 낮아지고 냉각하면 밀도가 높아집니다. 따라서 물을 냉각하면 밀도가 높아져 얼음이 됩니다. 물은 고체 상태가 액체 상태 위에 뜰 수 있는 몇 안 되는 물질 중 하나입니다! 왜 그럴까요? 물은 4°C에 도달할 때까지 계속 밀도가 높아집니다. 4°C에 도달한 후에는 밀도가 낮아집니다. 얼면 물 속의 분자는 더 느리게 움직이기 시작하여 수소 결합을 형성하기 쉬워지고 결국에는 개방형 결정 육각형 구조로 배열됩니다. 물 분자가 더 멀리 떨어져 있는 이 개방형 구조로 인해 물의 부피는 약 9% 증가합니다. 따라서 물의 액체 상태에서는 고체 상태보다 분자가 더 촘촘하게 밀집되어 있습니다. 이것이 바로 탄산음료 캔이 냉동실에서 폭발할 수 있는 이유입니다.

 

액체 상태(액체 물)

표준 온도와 압력에서 탄소가 없는 화합물이 액체가 되는 경우는 매우 드뭅니다. 따라서 물이 상온에서 액체가 되는 것은 드문 일입니다! 물은 상온에서 액체이기 때문에 고체보다 빠르게 움직일 수 있고, 분자가 수소 결합을 덜 형성하여 분자가 서로 더 밀접하게 결합할 수 있습니다. 각 물 분자는 4개의 다른 분자와 연결되어 사면체 배열을 이루지만, 자유롭게 움직이며 서로를 지나칠 수 있는 반면 얼음은 더 큰 육각형의 고체 구조를 형성합니다.

 

기체 상태(증기)

물이 끓으면 수소 결합이 끊어집니다. 증기 입자는 매우 멀리 떨어져 빠르게 움직이기 때문에 수소 결합이 형성될 시간이 거의 없습니다. 따라서 입자가 증기 위의 임계점에 도달하면 수소 결합이 점점 더 줄어듭니다. 수소 결합의 부족은 증기가 물보다 훨씬 더 심한 화상을 일으키는 이유를 설명합니다. 증기에는 물의 수소 결합을 끊는 데 사용되는 모든 에너지가 포함되어 있으므로 증기가 얼굴에 닿으면 먼저 증기가 액체 상태의 수소 결합을 끊는 데 소모한 에너지를 흡수합니다. 그런 다음 발열 반응을 통해 증기가 액체 상태의 물로 전환되고 열이 방출됩니다. 이 열은 증기가 피부에 응결되면서 끓는 물의 열에 더해집니다.

 

"만능 용매"로서의 물

물의 극성 때문에 물은 많은 입자를 용해하거나 해리할 수 있습니다. 산소는 약간 음전하를 띠고, 두 개의 수소는 약간 양전하를 띠고 있습니다. 화합물의 약간 음전하를 띠는 입자는 물의 수소 원자에 끌리게 되고 약간 양전하를 띠는 입자는 물의 산소 분자에 끌리게 되어 화합물이 해리됩니다. 위의 설명 외에도 물 분자의 몇 가지 속성을 통해 물의 고유성에 대한 몇 가지 이유를 더 살펴볼 수 있습니다:

 

불소를 제외하면 산소는 가장 전기 음성인 비귀금속 기체 원소이므로 결합을 형성하는 동안 전자는 수소가 아닌 산소 원자 쪽으로 끌려갑니다. 이로 인해 2개의 극성 결합이 생성되어 물 분자가 같은 그룹의 다른 수화물의 결합보다 더 극성을 띠게 됩니다.

104.5°의 결합 각도는 매우 강한 쌍극자를 생성합니다.

물은 수소 결합을 가지고 있으며, 이는 아마도 물의 강력한 분자 간 상호작용에서 중요한 측면일 것입니다.

 

이것이 실제 세계에서 중요한 이유는 무엇일까요?

물의 특성은 다양한 기상 조건에서 유기체가 생존하기에 적합합니다. 얼음은 팽창하면서 얼기 때문에 얼음이 액체 물 위에 떠 있을 수 있습니다. 호수가 얼기 시작하는 겨울에는 수면이 얼었다가 더 깊은 물로 내려가는데, 이것이 바로 사람들이 얼어붙은 호수 위에서 아이스 스케이트를 타거나 호수에 빠질 수 있는 이유를 설명해 줍니다. 만약 얼음이 뜨지 못한다면 호수는 바닥부터 얼어붙어 호수에 사는 모든 생태계가 죽게 될 것입니다. 하지만 얼음은 떠다니기 때문에 물고기들은 겨울 동안 얼음 표면 아래에서 생존할 수 있습니다. 또한 호수 위의 얼음 표면은 외부의 차가운 온도로부터 호수를 보호하고 그 아래의 물을 단열하여 얼어붙은 얼음 아래의 호수가 액체 상태로 유지되고 호수에 서식하는 생태계가 생존하기에 적합한 온도를 유지할 수 있게 해줍니다.

 

리소스

크라콜리체, 마크 S. 및 에드워드 피터스 I. 입문 화학의 기초. 톰슨, 브룩스/콜 출판사. 2006

페트루치 외. 일반 화학: 원리 및 현대 응용: AIE (하드 커버). 어퍼 새들 리버: 피어슨/프렌티스 홀, 2007.

 

기여자 및 기여도

코린 이(UCD), 데시리 로치(UCD)

 

물의 특이한 속성은 CC BY-NC-SA 4.0 라이선스에 따라 공유되며 LibreTexts에서 작성, 리믹스 및/또는 큐레이팅했습니다.