물

 

I. 동기

물이라는 주제를 선정하게 된 이유는 물은 모두가 상식적으로 알고 있는 것처럼 생명활동에 필수적인 요소이고 지구의 70% 사람의 신체의 70%를 차지하고 있습니다. 하지만 이렇게 우리의 주변에 많이 존재하는 만큼 우리는 물의 소중함을 간과하고 물의 부족함을 아무렇지 않게 생각합니다. 그렇기 때문에 다시금 물의 소중함과 물이 지구에서 또는 우리에게 주는 영향이나 역할 물의 아름다움 등을 여러 방면에서 알아보고 싶어서 STEAM탐구의 주제로 ‘물’을 주제로 선정하게 되었습니다.

 

Ⅱ. 탐구 내용

1. 과학분야

물 분자는 산소원자 한 개와 수소원자 두 개의 공유결합으로 이루어져 있다. 물이 가진 화학적인 특성은 다양한 물질을 용해하는 성질이다. 물에 대한 물 질의 용해량은 물에 의한 용해도로 나타내는데, 용해량은 물질의 종류와온도에 따라 달라지며, 온도의 상승에 따라 용해량이 증가하는 것, 감소하는 것, 어느 온도에서 용해량이 최대로되고 그 이상의 온도에서는 감소하는 것의 3종류가 있다.

 

용해도란 어떤 온도에서 용매 100g에 녹을 수 있는 용질의 g수이다. 고체의 용해도는 일반적으로 온도가 높을수록 증가하며, 압력의 영향은 거의 받지 않는다. 따라서 고체의 용해도를 나타낼 때는 반드시 용매의 종류와 온도를 표시해야 한다. 기체의 용해도는 온도가 낮고, 압력이 높을수록 증가한다. 따라서 기체의 용해도를 나타낼 때는 반드시 용매의 종류와 온도, 압력을 표시해야 한다. 물은 또한 수소결합을 형성한다. 수소결합은 2개의 원자 사이에 수소원자가 결합되어 일어나는 결합형식이다.

 

생물을 구성하는 물질 중에서 가장 많은 양을 차지하고 있는 것이 물이다. 생물체 내에서의 화학 반응은 대부분 수용액 상태에서 일어난다. 생물체가 생명을 유지하기 위해서 물에 의존하는 것은 물이 특이한 성질을 가지고 있기 때문이다.

 

물의 이러한 성질은 분자 구조의 특징에서 비롯된다. 물 분자가 공유결합을 이룰 때 산소 원자와 수소 원자는 전자를 1개씩 내어서 전자쌍을 만들고 이를 공유하지만, 전자쌍은 전기음성도가 더 큰 산소 원자 쪽에 가깝게 위치하여 산소 원자는 약한 음전하(-)를 띠고, 수소 원자는 극성을 띠게 된다.

 

따라서 극성을 띤 물 분자끼리는 전기적 인력의 의한 수소결합을 하게 되며 강한 응집력을 갖는다. 수소결합은 물질에 영향을 미친다. 얼음을 예로 들면, 수소 결합으로 그물코 구조가 생김으로써 어느 만큼의 공간이 생긴다. 얼음 가열 시 녹는점에서 융해열이 요구되는 것은 이 수소 결합을 해체하기 위한 것이다. 물은 수소 결합이 어느 정도 풀어진 상태이다. 따라서 1개의 물 분자를 둘러싸는 다른 물 분자의 수가 많아져, 물 분자 틈이 작아진다.

 

그러므로 얼음보다 물이 밀도가 큰 것이 되는 것이다. 보통의 물질의 밀도는 기체<액체<고체 이지만 물의 밀도는 기체<고체<액체 이므로 물은 윗부분부터 얼기 시작한다. 때문에 북극과 남극의 바다, 그리고 겨울철의 냇가에 생명체들이 살 수 있게 된다. 물은 기화열이 매우 큰 물질이다. 기화열이란 액체가 기체로 변할 때 주변에서 흡수하는 열을 기화열 또는 증발열이라 한다. 기화열은 기체가 액체로 되면서 내놓게 되는 액화열과 크기가 같다.

 

만약 물의 기화열이 알코올 정도라면 태풍의 세기나 발생 횟수도 크게 줄어들 것이다. 하지만 그로 인한 부작용으로 열의 이동이 적어져 적도 지방의 기온은 현재보다 더 높고 극지방의 온도는 더 낮아질 것이다. 기온이 상승하면 공기가 가벼워져 위로 올라가게 되며, 이로 인해 저기압이 생성된다. 그런데 열대성 저기압인 태풍은 아무리 더워도 육지에서는 만들어지지 않고 바다에서만 만들어진다.

 

왜냐하면 공기가 상승하여 저기압이 형성되면 주변의 공기가 불어 들어와 위로 올라간다. 이 공기가 습한 경우에는 온도가 낮은 상공에서 물로변한다. 이때 기화열에 해당하는 많은 열을 내놓음으로써 주변 공기보다 높은 온도를 유지하게된다. 그래서 기압은 더욱 낮아져 저기압이 크게 발달하고, 계속 공기가 불어 들어오면서 구름이 생기고 비가 내리는 태풍으로 변한다.

 

만약 주변에서 불어 들어오는 공기가 건조하다면 상공에서 물이 생기지 않으므로 온도가 올라가지 않아 저기압은 발달하지 않는다. 그래서 습기가 많은 해상에서 태풍이 만들어지는 것이다. 또한 온도가 천천히 올라가고 천천히 내려간다. 비열은 물질 1g의 온도를 1℃ 높이는 데 필요한 열의 양이며, 물의 비열을 1로 하여 상대적인 값을 측정한 것이다. 비열과 비슷한 용도로 많이 사용하는 용어로 열용량이 있는데, 열용량이란 비열에 질량을 곱한 값이다.

 

비열이나 열용량이 큰 물질일수록 같은 열을 가했을 때 온도가 적게 올라가며, 식을 때도 천천히 식는다. 예를 들어 철은 비열이 0.1정도이므로, 같은 질량의 철과 물에 같은 열량을 가했을 때 철의 온도가 10℃ 올라간다면 물은 1℃밖에 올라가지 않는다. 물 한 통의 온도를 높이는 것이 물 한 컵의 온도를 높이는 것보다 어려운 것은, 비열은 같지만 질량이 커서 열용량이 크기 때문이다.

 

물은 특별히 비열이 큰 물질로서, 모든 고체 물질이나 액체 물질보다 비열이 크다. 그래서 여름철에 바다가 육지보다 온도가 잘 올라가지 않고, 겨울철에는 바다 온도가 잘 내려가지 않는다. 이로 인해 해안 지방에서는 기온의 연교차나 일교차가 적은 해양성 기후가 나타나 낮에는 해풍이 불고 밤에는 육풍이 분다.

 

또 내륙 지방에는 서리가 내려도 해안 지방에는 좀처럼 서리가 내리지 않는다. 우리나라의 경우, 여름철에는 바다에서 불어오는 남동 계절풍이 불고 겨울철에는 대륙에서 불어오는 북서 계절풍이 부는 것도 물의 비열이 크기 때문이다. 또 물은 인체의 70% 정도를 차지하는데, 물의 비열이 크기 때문에 기온 변화에 따라 체온이 크게 변하지 않아 일정한 체온을 유지할 수 있다.

 

참고자료

국회도서관