물의 특이성 3 - 유난히 비열이 큰 물질

사람의 체온은 평균 36.5'C라고 한다. 만약 물이 사람 몸의 2/3를 차지하지 않고 다른 물질이 차지한다면 어떠할까? 아마 생명활동 자체가 완전히 다른 양상일 것이다. 물이라는 물질이 우리 몸을 채우고 있어 사람의 평균 체온은 외부의 영향에도 비교적 안정되게 유지되는 특징이 있다. 이 배경에는 물의 비열이 유난히 크다는 사실이 자리하고 있다

비열(specific heat)이란 단위 온도를 올리는데 들어가는 에너지(열)로 정의된다. 물 1g을 1'C 올리는데 필요한 에너지는 1cal로, 물의 비열은 아주 높은 값에 해당된다. 이는 에탄올의 비열에 비해 1.7배 이상 큰 값이다. 그리고 금속인 알루미늄보다 4.6배,  철보다 는 9.3배나 큰 값이다.

이렇게 물의 비열이 크기 때문에 물은 지구환경의 기후변화를 주관한다. 외부 온도가 영도이하로 심하게 내려가면 바닷물이 보관한 열을 내놓고, 외부 온도가 30도 이상 올라가면 온도를 흡수하여 외부 열을 빼앗아 보관한다. 열의 저장소로서 바닷물은 매우 중요한 역할을 수행하며, 오늘날 전지구적 기후변화에 대한 걱정은 물이 어떠한 역할을 하느냐와 깊이 관련된다.

비열이 크다는 얘기는 물이 열전달 매체로서는 적합하지 않을 수 있다는 얘기이다. 열을 받고 내놓는 속도가 느리기 때문이다.  반면, 열저장매체로는 적합할 수 있다.

지금 북극의 빙하가 녹으면서 바야흐로 기후변화에 대한 두려움이 전 인류에 드리워져 있다. 아직도 이산화탄소 등 온실가스의 배출이 100% 원인인지 명확하지는 않지만, 명백한 것은 비열이 큰 물의 상변화가 일어나는 것은 분명 큰 변화를 예고한다는 것이다. 결과적으로 고체상의 얼음이 줄어들고 액체상의 물이 늘어나면서 다른 한편으로는 바다물 평균 온도가 떨어질 수 있을 것이다. 이 결과가 어떻게 귀결될지 아직 인류의 예측은 매우 큰 불확실성을 갖고 있는 것 같다.

물 분자의 극성 - 많은 물질을 용해시키는 용매

물분자는 구조적으로 고유의 특징을 갖고 있다.  물분자를 구성하는 수소원자와 산소원자가 서로 전기음성도(electronegativity)에서 큰 차이가 있어서 물분자는 극성 공유결합(polar covalent bond)을 이루고 있다.

물분자의 모형은 크기가 상대적으로 큰 산소원자가 가운데 있고 좌, 우 양쪽에 수소원자가 붙어 있는 모양이다. 이 때 수소-산소-수소가 만드는 각도는 180도가 아니라 104.5도로 알려져 있다. 이것은 산소가 수소보다 높은 전기음성도를 갖고 있어 산소가 공유 전자를 자기쪽으로 강하게 끌어강기기 때문이다. 이에 따라 물분자의 산소원자는 약한 음전하를 띠고 있으며, 이에 비해 양쪽의 수소원자는 약한 양전하를 띠고 있게 된다. 결과적으로 물은 전기적으로 쌍극자 모멘트(dipole moment)를 갖는 극성 분자이다.

(출처: http://www.wikipedia.com/)

물분자들간에 수소결합을 이루는 것은 음전하를 띤 산소원자와 양전하를 띤 수소원자간에 인력이 작용하기 때문으로 이해된다. 수소결합으로 인해 물분자들이 낱개로 움직이지 않고 분자들의 덩어리처럼 움직이는 것은 물이 갖는 중요한 특징이다. 그리고 여기에 영향을 주는 요인들이 무엇이냐에 따라 물과 관련한 여러가지 '설'과 '주장'이 있어왔다.

물분자가 극성 공유결합을 이루고 있어 물은 많은 극성 물질을 녹이는 용매(solvent)로 작용한다. 대표적으로 소금(NaCl)과 같이 이온결합을 이루는 물질은 물에 매우 잘 녹는다. 산이나 알칼리성 물질도 물에 매우 잘 녹는다. 전하를 띤 이온성 물질은 물에 매우 잘 녹는다. 지하수나 호수, 바닷물에 존재하는 많은 이온성 물질은 마찬가지로 우리가 이런 물을 먹기 때문에도 우리 몸에 풍부하게 존재한다. '미네랄'이 들어간 물을 먹는 게 좋다는 주장은 이런 맥락에서 이해된다.

물은 인간에게 생명의 고향으로 편안함과 위안, 활기를 제공해 준다. '친수환경'이란 요즘 유행어는 그냥 잠깐 나타났다 사라지는 용어는 결코 아니리라.

물의 특이성 2 - 액체상태인 4'C에서 밀도가 가장 크다.

 물이 정말 특이한 물질로 이해되는 가장 중요한 이유 중 하나는 바로 물의 밀도가 4'C(정확히는 3.98'C)에서 가장 크다는 것이다. 일단, 이것이 우리의 주변 생활에서 얼마나 중요한지 살펴보자.

 밀도는 단위 부피당의 질량으로 정의된다. 그러니까 무게와 크기가 같은 컵안에 똑같은 높이로 물을 채웠을 때 두 컵안의 물의 온도가 다르다면 두 컵의 무게를 쟀을 때 값이 서로 다르다는 뜻이다. 만약 한 컵안의 물의 온도가 4'C , 다른 컵안의 물의 온도가 1'C 였다면 어느 컵의 무게가 더 컸을까? ...물론 4'C 컵의 무게가 크다. 이 온도에서 물의 밀도가 가장 크므로...

 겨울철이 가까워지면 대기 온도가 낮아지는데 좀처럼 호수나 강의 표면이 쉽게 얼지 않는 것은 바로 물의 밀도에 그 비밀이 있다. 저녁부터 온도가 상당히 낮아지면 표면 물의 온도가 4'C 에 가까워 지면서 점차 무거워져 표면의 물은 가라 앉는다. 그러면 아래 쪽에 있는 온도가 4'C보다 높은 물이 올라왔다가 다시 차가워져 4'C에 가까워지면서 점차 무거워져 아래로 내려가고 다시 밑의 온도가 높은 물이 올라오고 하는 과정이 반복된다. 이러다 보니 표면의 물이 좀처럼 0'C 이하로 되지 않아 쉬이 얼지 않는 것이다.

 지구 표면의 2/3를 차지하는 물이 만약 이런 성질을 갖고 있지 않고 다른 대부분의 물질과 같이 액체에서 보다 고체에서 밀도가 크다면, 겨울철이 되어 바다와 호수, 강이 표면부터 얼어들어가서 점차 밑으로 가라앉고 점차 추위가 강해지면 몽땅 얼어붙어 우리는 겨울철 내내 얼음이 아닌 물을 찾기 위해 상당한 고생을 해야 할 것이다. 물론 배가 다니기 어려울 것이고 겨울철 낚시는 꿈꾸기 어려워질 수 있다. 지구 환경의 현재 상태는 물의 이러한 특성에 의해 형성되고 유지되었다고 해도 과언이 아니다.

물과 달리 다른 대부분의 물질은 온도가 올라가면 부피가 늘어나고 온도가 낮아지면 부피가 줄어든다. 다시말해 온도가 올라가면 밀도가 감소하고 온도가 낮아지면 밀도가 증가하는 셈이다. 수은(은색) 온도계나 알콜(대개 적색, 청색, 혹은 녹색으로 색을 입힌) 온도계는 이런 원리를 이용해 만든 것이다.

물의 밀도가 4'C에서 가장 작으니 이 온도까지 차갑게 만든 물을 마시면 몸에 가장 좋다는 주장도 있다. 하지만, 필자도 그 주장이 맞는지 알 수 없다. 냉장고 온도를 4'C로 유지하는 것은 낮은 온도에서 적절하게 미생물의 활동을 제어하면서 동시에 물의 밀도를 가장 크게 유지하는 효과를 가져오는 셈이다. 물의 밀도가 크니 비교적 야채나 과일이 상하는 것도 크지 않게 되는 이치다.

물의 신비로움은 지구환경을 현재의 모습대로 만들고 있는 그 놀라운 특성에 연유한다. 물을 대할 때마다 필자는 그 신기함에 늘 어린 아이의 마음이다.

(함께 읽을 자료: http://ko.wikipedia.org/wiki/%EB%B0%80%EB%8F%84  )

물의 특이성 1 - 작으면서도 끓는 점, 어는 점이 유별나게 높다

 물은 특이한 물질이다. 흔히 '물의 특이성, anomalies of water'으로 일컫는 물의 성질은 물을 신비롭고 귀중한 물질로 지구상에서 다루는 기반이 되고 있다.

 첫번째로 꼽히는 물의 특이성은 그 어는 점(녹는 점)과 끓는 점이 유별나게 높다는 것이다. 물분자는 수소원자 하나와 산소 원자 둘로 이루어져 있어 분자량이 18로 크기가 작고 저분자량의 물질에 속한다. 그런데 물은 비교대상이 되는 유사한 분자량 및 유사한 구조의 다른 물질에 비해 녹는 점과 끓는 점이 놀랍도록 높은 특징이 있다. 간단히 비교하자면, 대기 중 가장 구성비가 높은 물질(78%)인 질소는 분자량이 28로 물분자보다 분자량이 상당히 크지만 녹는 점은 -210도, 끓는 점은 -196도이니 물이 얼마나 다른지 쉽게 알 수 있다.

 사실 이러한 특징 덕분에 지구 환경이 오늘날의 모습으로 이루어져 있다고 할 수 있다. 지구 환경에 가장 큰 영향을 주는 것은 외부적으로 태양의 영향이겠지만, 지구 자체로 본다면 지구 표면에 있는 물의 거동이라 할 수 있다. 흔히 지구 환경을 기권, 암석권, 수권, 생물권 등으로 구분하여 이해하는데 모든 영역에 공통적으로 존재하는 물질이 물이며, 물의 순환에 따라 각각이 연결되어 있다고 할 수 있다. 기체, 액체, 고체의 3가지 상태로 모두 지구 환경에 존재하는 무기성 액체는 물이 유일하다고 할 수 있다. 영도 이하로 온도가 내려가면 물이 얼어붙어 고체로 변화여 지구환경은 큰 변화를 겪게된다. 마찬가지로 온도가 올라가서 물이 기체인 수증기로 변하면 역시 큰 환경변화가 초래된다. 모두 우리의 지구 환경에서 일어나는 일이다. 물은 끊임없이 지구 환경에서 기체, 액체, 고체 상태로 순환하면서 오늘날 인간의 삶의 터전인 지구 환경을 만들어 왔다고도 말할 수 있다.

 물의 끓는 점와 어는 점이 유별나게 높은 이유는 화학적으로 물분자가 갖고 있는 '수소결합'으로 설명할 수 있다. 한 물분자에 있는 산소와 다른 물분자에 있는 수소간에 상당히 강한 결합이 일어나서 물분자들이 실제로는 개개분자마다 독립적으로 움직이지 않고 분자들의 덩어리로 움직인다고 이해된다. 그렇기에 이러한 수소결합이 없거나 거의 없는 다른 유사 분자량의 물질, 유사 구조의 물질에 비해 훨씬 높은 끓는 점과 녹는 점을 갖고 있는 것이다.
(함께 읽을 자료: http://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%88%98%EC%86%8C_%EA%B2%B0%ED%95%A9)

 물은 우리 몸의 70%를 차지하는 물질이니 이런 특이성은 우리 인간의 모든 생명활동, 모든 삶속에 깊숙이 뿌리 내리고 있다고 할 수 있다. 우리가 어찌 물을 벗어나서 살수 있으랴.

물에 관한 사이비 과학들 요약

물이 지구상에서 갖는 지위는 정말 독특하고 놀랍고 신비하고 정말 중요합니다.

물의 독특하고 신비한 특성 때문에 사람들은 옛부터 물에 대한 여러가지 믿음을 가져 왔습니다. 게다가 오늘날에 와서도 물에 대해 정말 완벽하게 이해하기에는 여러가지 어려움이 있어 아직도 물에 대해 사람들은 경외심과 같은 마음으로 대하곤 합니다.

물이 우리 인간의 생명에 그리고 지구환경의 유지에 정말 중요하기 때문에 이런 마음을 갖는 것이 이상한 것은 아닌 것 같습니다. 하지만, 이런 우리의 마음을 비집고 여러가지 사이비과학(pseudo-science)이 횡행하고 있습니다. 게다가 암환자 등 어려운 상황에 처한 사람들을 혹세무민하여 엉터리 '신비의 물'이나 이를 생산하는 '물 정화장치'등이 판치고도 있습니다.

다음 웹사이트는 캐나다의 화학자인 Stephen Lower 박사님이 오로지 과학적 진실만을 추구하려는 마음에서 물에 대한 이러한 사이비과학적인 주장들을 전세계에서 모두 모아 정리해 둔 것입니다.

http://www.chem1.com/CQ/


 존경스러운 분입니다. 좋은 참고 되셔요~~

지속가능산업으로서의 물산업

 최근 물을 '블루 골드'라 하여 21세기에 석유보다 귀중한 자원이 될 것이라 말하는 이가 늘고 있다. 물의 경제적 가치가 급증할 것이라는 예측에서다. 그런데 불행히도 배경에는 지구온난화로 인한 급격한 기후 변화라는 거대한 자연환경변화가 놓여 있다. 정확한 예측은 어렵지만, 결과적으로 물산업에 대한 관심과 이를 둘러싼 여러 사회적 이슈가 늘어나고 있는 것임에 틀림없다. 여기서는 간략히 물산업의 정의, 중요성, 전망을 살펴보고자 한다.

 

1. 물산업의 정의

 

물산업의 정의는 협의의 의미에서 '수처리(정수처리 및 폐수처리)에 직간접적으로 연관된 산업'으로 내리기도 한다. 하지만, 이렇게 정의를 내리고 나면, 범위가 상당히 축소되어 여러가지 기회를 보지 못하게 된다. 필자는 인간사회를 중심에 두어 물산업을 '자연환경시스템에서 인간사회시스템으로 물을 도입하여 이용하고 다시 이를 자연환경시스템으로 되돌리는 과정에 관련된 산업'으로 정의를 내린다. 이렇게 내리면 질적으로 저하된 물을 도입하기 위해 복원하는 것과 관련된 분야, 그리고 사용하고 난 뒤에 물을 다시 수자원의 순환체계로 되돌리는데 관련된 분야 등(예를 들어 대수층을 충진할 목적으로 상류로 물을 보내는 것)이 모두 물산업의 범위에 들어온다. 그리고 실제 물산업에 이런 것을 모두 포함하여야 물의 순환체계에 연관된 수처리 활동이 적절하게 포착되고 자리매김될 수 있다.

 

2. 물산업의 중요성

물산업은 물에 대한 경제적 가치가 증대되었다는 최근의 '블루 골드'식 관심만으로는 온전히 이해하기 어렵다. 공공재적 가치로부터 경제재적 가치로 물의 가치에 대한 인식이 전환되고 있다는 것도 상당히 도식적인 이해에 불과하다. 물은 애시당초 인간에게 없어서는 안되는 아니 지구의 생물권을 떠 받치는 나아가 지구환경 전체의 유지에 핵심이 되는 물질이라는 인식이 없이는 물산업을 제대로 이해하기 어렵다.

물의 경제적 가치가 증대되었다고 해서 경제적 강자가 물을 독점한다면 그리고 물에 대한 인간 개개인의 접근이 경제적 불평등과 동일한 구조로 이루어 진다면, 사회적으로 극심한 정치적 갈등과 폭력, 전쟁이 일어날 것이 뻔하다. 물이 없으면 생존이 불가능하기 때문에 생존을 위한 처절한 사회적 갈등이 빚어질 것이기 때문이다.

한편으로, 물이 공공재여서 누구나 사회적으로 경제적으로 부담없이 소비할 수 있다면, 그것은 아마도 상상에서나 가능할 것이다. 왜냐하면 지구환경에는 국지적으로 제한된 수자원, 질적으로 즉각 사용가능하지 않은 수질의 물이 존재하기 때문이다. 그래서 적절한 처리를 통해 수질을 개선하고 적절한 설비의 설치와 관리를 통해 수자원을 확보하는 것이 필수적이다.

물산업은 물을 공공재로 보거나 경제재로 보거나에 관계없이 인간사회의 중요한 기반 산업이다. 그리고 물산업도 고유한 산업적 구조를 갖기 때문에 여기에 일련의 공급, 소비 체계가 존재하며 타 주변 산업과 복잡한 관련성을 갖는다. 또한 많은 에너지와 자원을 필요로하기 때문에 경우에 따라 자원의 낭비가 상당히 발생될 수도 있다. 물을 자연환경에서 인간사회로 도입하는데, 그리고 이용하고 난 물을 수생태계의 심대한 손상없는 정도로 처리하여 자연환경으로 되돌리는데 엄청난 경제적 비용이 발생하기 때문이다. 이런 맥락에서, 자원 투입 대비 높은 생산성과 효율성을 얻기 위한 경쟁의 도입이 필요할 수 있다. 20세기 인류 역사는 이에 관련된 모든 자료를 갖고 있다.

 

3. 물산업의 전망

 

물은 생명활동에 없어서는 안되는 필수 무기물질로 대체재가 없다. 뿐만아니라, 지구상의 기권, 수권, 암석권, 생물권에 고루 존재하면서 지구환경의 기반을 이루고 있는 물질이다. 뭔가 지금의 분포 양태가 변화되는 일이 초래된다면 그 영향은 인류를 괴멸적 상황으로도 몰고 갈 수 있을 것이다. 기후변화는 이런 물의 분포 양태 변화와 밀접히 관련되는 것이 아닐까? 고체 액체 기체 형태의 물의 분포가 변화하는 것, 그리고 그 지리적 분포 양태가 변화하는 것, 이것이 지금 우리가 걱정스러워하는 지구온난화로 인한 물리화학적 귀결은 아닐까? (우리의 목숨이 왔다갔다하는 것을 망각한 냉정하고 간단한 해석...) 물산업은 어떻게든 물의 분포 양태와 관련되어 발전될 필요가 있다. 그것이 인간이 지구에서 일어나는 거대한 기후 변화에 적응하는 길이니까...그리고 물산업은 인류가 존재하는 한 늘 존재할 '지속가능 산업'이다. 후손들에게 이런 산업을 발전시켜 물려줄 책임이 우리에게 있다.

 

 

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