물분자의 화학 1 - 물분자의 해리

물분자의 해리(dissociation)

물은 물리적으로 화학적으로 독특한 특성이 많은데, 물분자의 해리도 그 중 하나이다. 물은 수소원자 2개, 산소원자 1개로 이루어져 있으며, 이 물분자는 양성자 1개, 수산화이온 1개로 분리된다.

H2O <---> H+  +  OH-

이렇게 분리되는 것이 지구상에서 가장 독특한 물질인 물의 화학적 작용의 시작점이라 할 수 있다. 왜 이렇게 분리되는가는 일단 놔두자.

우선 이렇게 H+가 물속에서 혼자 존재할 수 없다는 것을 볼 필요가 있다.  수소이온은

H+   +  H2O <---> H3O+

의 형태로 물분자에 붙어서 존재하게 된다.

이렇게 분리되는 것과 붙어서 존재하는 것은 사실 같은 의미라고 볼 수 있다.

H2O  +  H2O  <---> H3O+  +  OH-

이렇게 정리하고 보면 왜 물분자가 양성자와 수산화이온으로 해리되는지도 이해된다.

모두 물분자의 특성 때문에 그렇다고 이해할 수 있다. 즉 물분자를 구성하는 산소원자가 수소를 양쪽에 잡고 있는데 전기음성도(electronegativity)가 큰 산소가 수소의 전자들을 자기 쪽으로 당기고 있고 그와 반대로 수소는 전자를 하나 내놓고 안정된 상태를 취하려고 하는 경향이 있다.
수소원자는 매우 작고 산소원자는 상대적으로 커서 산소원자에 수소원자가 양쪽에 하나씩 붙어있는 꼴이다. 이때 중요한 것은 산소원자에는 전자와 양성자가 각각 8개가 있는데 이에 비해 수소에는 양성자와 전자가 각각 하나씩 밖에 없다. 그래서 수소가 산소에 붙을 때 수소의 전자는 산소의 전자들과 척력이 작용하여 양성자가 산소쪽에 가까이 가고 전자는 반대쪽으로 치우치게 된다. 결과적으로 산소쪽에서 당기는 힘이 크면서 수소는 전자를 잃어버리고 양성자와 수산화이온으로 분리되는 형국이 된다. 이러한 결과 2개의 물분자가 H3O+와 OH-로 나뉘어지는 것이다.

여기서 물분자 화학에서 가장 중요한 것의 하나인 수소결합을 보자. 사실 이는 산소와 다른 물분자의 수소가 서로 끌어당겨서 물분자들이 서로 연결되어 존재하는 근본적 원인이다. 이로 인해 물분자 클러스터나 육각수 이론이나 각종 구조화된 물 이론이 나타나게 되었다.

수소결합의 발견, 그것은 물화학을 이해하는 첩경이었다. 1912년에 라이너스 폴링이 그의 책에서 Moore 와 Winmill이 암모늄화합물을 설명하면서 수소결합이란 용어를 처음 사용하였다고 했으며, 1920년에 Latimer와 Rodebush는 물에 관해 수소결합이란 용어를 처음 사용하였다. 수소결합은 원자 F, O, N이 만들어낸다. 이들은 전기음성도가 커서 전자를 자기쪽으로 당기기 때문에 음전하를 띠는 경향이 있다. 이 음전하와 수소이온(즉 양성자)가 전기적 인력으로 결합하는 것이 수소결합이다. 상대적으로 수소결합은 공유결합보다 꽤 약하기 때문에 이를 화학결합의 일반적인 이론에서는 다루지 않는다.