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RE : 물

금재* 2015-04-16

물 [Water]


 








상온에서 색·냄새·맛이 없는 액체

 


화학적으로는 산소와 수소의 결합물이며, 천연으로는 도처에 바닷물·강물·지하수·우물물·빗물·온천수·수증기·눈·얼음 등으로 존재한다. 지구의 지각이 형성된 이래 물은 고체·액체·기체의 세 상태로 지구표면에서 매우 중요한 구실을 해왔다.



즉, 지구 표면적의 4분의 3을 바다·빙원(氷原)·호소()·하천의 형태로 차지하고 있는데, 이 물을 모두 합하면 약 13억 3000만㎦에 달한다. 또 지구 내부의 흙이나 바위 속에 스며 있거나 지하수의 상태로 약 820만㎦가 존재한다.



이러한 해수(海水)·육수(陸水) 등이 태양열을 흡수하여 약 1만 3000㎦에 달하는 수증기가 되어 대기 속에 확산하고, 그 수증기는 응축되고 모여서 구름이나 안개가 되고, 다시 비·눈·우박 등이 되어 지표면에 내린 다음 모여서 하천이 되어 해양·호소로 흘러간다. 이것을 물의 순환이라고 한다. 이렇게 물이 순환하는 사이에 저지(低地)나 호상(湖床)을 깎아내고, 강의 흐름을 바꾸고, 흙이나 바위를 멀리 운반하기도 한다.



또 큰 비나 강이 범람하여 산을 깎고, 깊은 골짜기를 만들고, 단단한 바위를 침식한다. 밀려오는 격랑()은 끊임없이 해안선을 침식하여 섬이나 대륙의 형태를 변화시킨다. 물은 또한 지구상의 기후를 좌우하며, 모든 식물이 뿌리를 내리는 토양을 만드는 힘이 되고, 증기나 수력전기()가 되어 근대산업의 근원인 기계를 움직이게도 한다. 더욱이 물은 인류를 비롯한 모든 생물에게 물질 중에서 가장 중요한 것이며, 생체()의 주요한 성분이 되고 있다.



예를 들면, 인체는 약 70%, 어류는 약 80%, 그 밖에 물 속의 미생물은 약 95%가 물로 구성되어 있다. 즉, 생물의 생명현상도 여러 가지 물질이 물에 녹은 수용액에 의해서 일어나는 화학변화가 복잡하게 얽힌 것이라 말할 수 있다.


 


 


물의 과학사


물은 생물의 생존에 없어서는 안 되는 중요한 것으로서 인간의 물에 대한 관심은 깊어, 옛날부터 철학자에게는 중요한 사색(思)의 대상이었다. BC 6세기경그리스의 철학자 탈레스는, 물은 우주의 모든 것의 기본적인 원소라고 하는 일원론()을 제창하고, 모든 물질은 물이 형태를 달리한 것이라고 하였다. 이것은 물이 눈·안개·우박·얼음·수증기 등으로 형태가 변하는 것에서 발상된 것이라고 생각된다.



BC 5세기경에 이르러 다시 엠페도클레스는흙·공기·불과 함께 물을 만유(萬有)의 원소라고 하는 사원소설(四元素)을 제창하였다. 이와 같이 물을 원소라고 하는 생각은 그 후에도 계속되어, 17세기경까지 남아 있었다. 예를 들면, 공기 속에 탄산가스(이산화탄소)가 존재한다는 것을 알게 된 J.B.헬몬트 조차도 식물이 물만으로 생장한다는 것을 증명하기 위하여 실험을 하였다(식물의광합성은그 때까지 알려져 있지 않았다).



물이 원소라고 하는 것에 대하여 부정적인 의견을 가진 사람은 16세기경 독일의 광산가 G아그라 콜라이고, 이것을 확인한 사람은 A.L.라부아지에이다. 1768년에 라부아지에는 유리그릇 속에서 물을 끓여 증발시킨 후에 흙이 남아 있는 것을 보고 정밀한 중량측정을 하여, 이 흙은 유리가 용해한 것임을 증명하였다. 그러나 이 실험은 물이 원소가 아니라는 것을 증명하였지만, 그 조성(組)에 대해서는 알 수 없었다.

물의 조성을

무처음으로 발견한 사람은 J.프리스틀리이다. 그는 1771년에 수소와 산소(또는 공기)를 혼합하고 전기 스파크를 일으키면 물이 생기는 것을 발견하였다. 또한 H.캐번디시는 1771년부터 1784년에 걸쳐 정확한 실험을 되풀이하여, 수소 2부피와 산소 1부피에서 물이 생성됨을 확인하였고, 라부아지에도 1775년에 적열()된 철관 속에 물을 통과시키면 수소가 발생하는 것을 확인하고, 물은 수소와 산소로 이루어진다는 것을 실증하였다(철은 산소에 의해서 산화철이 되었다).



다시 W.니콜슨 등은 볼타전지에의해서 처음으로 전기 분해를 하여, 양극()에 산소가 1부피, 음극에 수소가 2부피 발생하는 것을 알았는데, 이것은 J.L.게이-뤼삭에의해서 보다 정밀하게 실증되었다. 여기서 물은 수소와 산소로의 결합으부터 생기고, 그 조성은 수소:산소의 비율이 2:1이라는 것이 명백하게 밝혀졌다.


 


물의 조성


물은 수소 2, 산소 1로 되어 있는 물질이며,화학식은H2O이다. 천연의 물을 여러 가지 방법으로 정제한 증류수는이 화학식과 일치한다. 물은 우리의 주변에 다량으로 존재하며 정제하기 쉬우므로, 옛날부터 여러 가지 표준으로 사용되었다.



예를 들면, 물의 끓는점과녹는점을 온도의 표준으로 정하여, 이 사이를 100등분하여 섭씨온도로 하고, 또 4℃의 물 1cm3의 무게를 1 g으로 하였다. 그러나 물리적측정이 정밀해짐에 따라 순수한 물의 조성이 문제가 되어, 수소의 동위원소() 1H, D와 산소의 동위원소 16O, 17O, 18O이 확인되었으며, 천연의 물은 이들의 각종 혼합물임이 알려졌다. 이중에서 D216O은 순수하게 분리된다. 또 바닷물과 같은 물은중수농도()가 보통의 천연수보다 약간 높다.


 


물의 정제


순수한 물을 얻는 데도 보통 물을 증류하거나 이온교환수지를 사용하여 여러 가지 양이온 및 음이온을 제거하는 방법이 취해진다. 증류에 의한 방법은 이것을 몇 번 반복함으로써 대개 순수한 물을 얻을 수 있으나, 물은 많은 물질을 용해시키기 쉬워서 이때 사용되는 용기를 용해시키기 때문에 보통 석영용기(石) 등을 사용하여 이것을 방지한다.



천연수를 음료수로 사용하기 위해서는 토사(土)·진애(塵埃) 등을 제거하기 위하여 모래와 자갈 등에 통과시켜 여과하고, 콜로이드상 물질은 백반() 등에 의하여 침강시키고 표백분·염소·자외선 등으로 살균한다. 천연수를 적당히 처리하여 인공적 목적에 사용하기 위하여 행하는 분석을 물분석이라 하는데, 최근에는 음료수의 수원오탁()이 문제가 되고 있어 많이 시행되고 있다.


 


물의 성질


증류수는 무색 투명, 무미·무취의 액체이다.알칼리금속및 알칼리 토금속과는 상온에서,마그네슘은열수(熱水)와, 또 가열한 철은 수증기와 각각 반응하여 수소를 방출하고 금속의 수산화물 또는 산화물을만든다. 많은 금속의 산화물과 반응하여 수산화물을 만들고,비금속의산화물과 반응하여 산소산(酸)을 만든다.



물은 1atm, 0℃에서 응고하여 얼음이 된다. 이것은 보통의 얼음(얼음I)에 대한 값이고, 이 밖에 고압하()에서는 얼음 II, III, IV, V, VI, VII 등이 알려져 있다. 또, 물은 100℃에서 끓어 수증기가 된다. 수증기는 고온이 되면 다음과 같이 해리하기 시작하고, 2H2O ­    2H2+O2 1기압하에서는 0.000745%(1,200℃), 0.0197% (1,500℃), 0.504%(2,000℃), 11.1%(3,000℃)씩 각각 해리된 상태가 된다.


 


물의 구조


수증기 중에서는 독립된 분자인 H2O로 존재하고, 그 구조는 이등변삼각형이다. 보통의얼음 결정 속에서 물분자는 수소결합에 의하여 인규석형(鱗硅石型) 구조를 가진다. 이 때, O-H……O (2.76Å) O-H (1.01Å) 으로, 6개의 산소원자로 된 고리가 3차원적으로 연속된 구조를 보여 주고 있으며, 물분자 사이에는 상당한 공간이 생긴다. 이 때문에 얼음이 물보다 가벼워진다. 보통의 물은 이 얼음의 결정이 여러 부분에서 끊어져 생기는 것이며, 저온에서는 수소결합에 의한 물분자의 회합()이 남아 있어서 물은 (H2O)으로 존재할 것으로 생각된다. 상온 부근에서는 n은 1,000 전후가 되고, 고온이 되면 회합의정도가 낮아진다.


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