수질 화학 1 - 경수와 연수

오늘부터는 수질 화학에 대해 정리합니다.

지구상에서 물은 중요한 역할을 하고 있으며, 특히 인간의 관점에서 물은 생존에 없어서는 안되는 필수적 자원이라고 할 수 있다. 이런 맥락에서 인간은 질(quality)과 양(quantity)의 측면에서 물이라는 자원을 취급한다. 즉 필수 자원인 물이 적정 수준의 수질을 갖지 않으면 인간의 생존을 위해 사용하기 어려우며, 또한 적당한 양이 보장되지 않으면 인간의 생존에 큰 위협이 될 수 있다.

여기서는, 수질(water quality)에 대해 살펴보자. 수질이란 물속에 포함되는 여러 가지 물질로 인해 물이 질적으로 어떤 특성을 갖는지를 표현하는 말이다. 수질이라는 용어를 사용할 때, 우리는 인간의 관점에서 어떤 용도에서 사용할 수 있는 물인지를 판단하려는 의도 속에 있는 경우가 많다. 예를 들어, 흔히 환경부에서 정한 3급수라는 용어를 사용할 때, 이는 물이 포함하고 있는 여러가지 물질로 인해 그 물이 상당히 오염되어 있어 특정 용도의 물로는 적합하지 않을 수 있다는 의미를 전제하고 있다. 물의 수질을 나타내는 항목에는 여러가지가 있는데, 대표적으로 탁도(turbidity), 색도(color), 수소이온농도(pH), 산도(acidity), 알칼리도(alkalinity), 경도(hardness), 용존산소농도(dissolved oxygen), 생물학적 산소 요구량(BOD), 화학적산소요구량(COD), 총유기탄소농도(TOC), 그 외 질소 농도, 인 농도, 부유 고형물 농도(SS), 불소이온, 염소이온, 황산이온, 칼슘이온, 마그네슘이온, 철이온, 망간이온 등 음이온 및 양이온 농도 등이 있다.

본 글에서는 생활에서 그리고 산업분야에서 널리 쓰이고 있는 경수(hard water)와 연수(soft water)에 대해 살펴보자. 경수란 말 그대로 '강한 물'이라는 의미라고 할 수 있다. 자연계의 물 속에 흔히 존재하는 칼슘이온과 마그네슘이온, 기타 양이온의 농도가 높으면 이는 경수 쪽에 가까운 물이된다. 반대로 이들 이온의 농도가 낮으면 이는 '부드러운 물'이라는 의미에서 연수에 가까운 물이다. 이 용어가 의미하는 바를 생활과 연관지어 살펴보면, 물에 칼슘과 마그네슘 농도가 높으면 그 물에는 비누가 잘 풀리지 않는 특징이 있다. 이들 이온의 농도가 낮은 물에서 비누가 쉽게 풀리고 세척력이 양호한 경향이 있다. 이런 점에서 생활에서 사용하는 물로 경수보다는 연수가 바람직하다. 그 의미를 산업현장과 연관지어 살펴보면, 경수는 온수 파이프 배관 속에 스케일(scale)을 형성하여 배관 효율을 저하시키고 열교환 효율을 떨어뜨리는 특징을 갖는 물이다.

경수인지 연수인지를 구분하는 정량적 기준은 사회마다 조금씩 다를 수 있다. 이를 구분하는 양적 지표가 경도(hardness)이다. 경도는 보통 물속에 존재하는 2가 양이온(Ca, Mg, Sr, Fe, Mn)의 양을 CaCO3로 환산, 계산하여 표현한다. 경도에 따른 물 분류는 다음과 같다.

표 1. 경도와 경수 판정 기준
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     Hardness                   Degree of
 mg/L as CaCO3                hardness
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0~75                              soft
75~150                   moderately hard
150~300                         hard
300 이상                      very hard
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* 개별 이온의 경도(Hardness) 계산
  hardness (in mg/L) as CaCO3 = (2가 금속이온 농도)(mg/L)x50/(2가 양이온 질량 당량(원자량의 1/2))

* 계산의 예
  - 조건
    물에 포함된 양이온: Na+ 20mg/L, Ca2+ 15mg/L, Mg2+ 10mg/L, Sr2+ 2mg/L
  - 총 경도계산
    1) 2가 금속이온인 Ca, Mg, Sr의 농도만 고려한다.
        (Ca의 원자량: 40.0, Mg의 원자량: 24.30, Sr의 원자량: 87.6)
    2) Ca2+에 의한 경도 : 15x50/20=37.5
        Mg2+에 의한 경도: 10x50/12.2=41.0
        Sr2+에 의한경도: 2x50/43.8=2.3
    3) 물의 총 경도
        물의 총 경도 = 37.5+41.0+2.3=80.8mg/L as CaCO3
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위와 같은 계산방법에 의해 국내 수돗물의 일반적인 이온 농도를 고려하여 경도를 계산해 보면 다음과 같다.

  * 국내 서울시 수돗물내 일반적인 2가 이온 농도: Ca2+ 20mg/L, Mg 5mg/L, 나머지                                                                        1mg/L 이하로 무시
  * 경도 계산: 20x50/20 + 5x50/12.2 = 70.5 mg/L as CaCO3
    ---> 위 표 1에 의하면 이 수돗물은 soft water라고 할 수 있다!!!
  * 위의 계산에 따라 서울시 수돗물은 이미 연수(soft water)라고 할 수 있고, 별도의
    연수화  장치가 대개의 경우 필요하지 않음.

물분자의 화학 4 - 극성용매로서의 물

극성용매로서의 물

물분자는 극성(polarity)을 띤 용매의 대표격이다. 극성 또는 비극성(non-polarity)이란 공유결합(covalent bonding)을 하는 다원자 분자의 전기적 특성을 지칭하는 것이다. 분자에 존재하는 전자가 분자를 구성하는 일부 전자에 쏠려 있어서 전기적으로 (+)전하나 (-)전하가 분자에 뚜렷히 나타날 때 이를 극성을 띤다고 하며, 전기적으로 (+)나 (-)가 뚜렷하지 않을 때 이를 비극성을 띤다고 말한다. 다른 말로, 어떤 분자에 양전하 중심과 음전하 중심이 일치하지 않고 분리되어 나타날 때 이 분자는 극성을 띤다고 한다. 

물분자는 전기음성도(electronegativity)가 큰 산소원자의 양 쪽에 수소원자가 결합되어 있는 공유결합 분자로, 전자가 산소쪽으로 이동해 있어 산소원자는 부분적으로 (-)전하를 띠고 있고 이에 비해 두 수소원자는 부분적으로 (+)전하를  띠고 있다. 이렇게 하여 물분자는 뚜렷하게 극성을 갖는 극성분자라고 할 수 있다.

이렇게 극성을 갖는 물은 극성을 띤 여러 물질, 그리고 전하를 띤 다양한 종류의 이온성 물질을 녹일 수 있는 특징을 갖는다. 이러한 특성은 바닷물에 여러 물질과 다양한 종류의 이온들이 녹아 있는 것을 생각하면 쉽게 이해할 수 있다. 한편 물에 석유나 기름과 같은 물질은 섞이지 않고 분리되어 존재한다. 이것은 이들 석유나 기름이 비극성 물질이어서 극성을 띤 물에 쉽게 섞이지 않기 때문으로 생각할 수 있다.

물이 극성 용매라는 것은 지구상에서 물이 독특한 역할을 하는 것과 밀접하게 연관된다. 물은 수권에 머물다가 기권, 지권, 생물권 모두에 영향을 주며, 결과적으로 지구 기후에 지대한 영향을 준다.

물분자의 화학-3

물과 산,염기

 물화학 교과서에서(또한 많은 일반화학 교과서에서) 앞부분에 나오는 것이 수용액이 갖는 산성과 염기성에 대한 내용이다. 우리 위에서 음식물이 처리되는 과정은 중고등 과학교과서에 잘 설명되어 있는데, 그 중에서 인상적인 것은 우리 위 속에 강산(pH 1 부근)이 존재한다는 것이다. 이런 내용을 처음 접했던 중학 시절, 이렇게 강한 산이 위 속에 있는데 어떻게 우리 몸이 신기하게도 멀쩡하네? 이렇게 쎈 산의 역할이 뭘까? 등등 머리속에 여러 의문이 떠올랐던 기억이 있다. 우리 몸에 염소이온이 많으니, 당연하게도 위 속의 산은 HCl이다.

 물 속에서 수소이온농도가 곧 pH로 환산되는 것이므로 산도(acidity)는 수소이온농도에 달려 있는 것이다. 물속에서 pH의 범위는 0~14이다. 가장 극단적인 경우의 하나인 pH 0는 수소이온농도가 1M(몰농도)이고, pH 14는 10^(-14)M인 경우다. 물속에서 수소이온은 이 범위 안에 있다는 뜻이다. 물의 신비함은 여기서 다시 나타난다. 이 농도를 벗어나면 물속에 수소이온과 항상 짝으로 움직이는 수산화이온이 수소이온농도를 조절해 준다. 만약 신비한 물이라면 이렇게 양 극단 가까이 있는 수소이온농도를 갖는 것일게다. 그래야 일상생활에서 보기 힘든 어떤 현상을 일으킬 것이기 때문이다. 이렇게 물속의 수소이온농도와 수산화이온농도가 서로 영향을 주고 받는 것을 탐구하는 것은 바로 화학이란 과학 분야를 잘 보여준다. 화학은 어떤 현상에 대한 질문 "왜(why)?"를 근본적인 영역까지 갖고 가지 않는 분야다. 그러기 보다는 화학은 새롭게 나타난 물질을 찾고 그 물질의 특성과 성질, 응용분야를 탐구하는 분야라고 할 수 있다.
 산과 염기가 물화학, 일반화학의 앞부분에 나오는 것은 그것이 역사적으로 먼저 다루어져 왔던 연유도 있고 생활 및 산업에서 밀접한 연관이 있는 것이기도 하지만 동시에 화학의 탐구 내용을 쉽게 보여주는 것에도 연유한다.
 산과 염기의 정의는 몇 가지로 구분된다. 고교과정까지 다루는 것은 Arrhenius의 산, 염기 이론, 그리고 Bronsted-Lowry의 산, 염기 이론이다. Lewis의 산, 염기 이론은 과거에는 고교과정에서도 다루었지만, 지금은 대학에서 다룬다. 앞서 pH로 표현되는 산, 염기는 첫번째 Arrhenius 의 산/염기 이론과 밀접히 관계된다. 화학 역시 일관된 이론으로 자연 현상을 정리하고자 하기 때문에 여러 가지 화학 현상을 일관되게 산, 염기 이론으로 정리하려다 보니 이렇게 몇 가지의 이론이 존재하게 되었다고 볼 수 있다. Arrhenius의 산, 염기이론에 따르면 수소이온을 내놓는 물질이 산이고, 수산화이온을 내놓는 물질이 염기이다. 물분자는 스스로 수소이온과 수산화이온으로 해리되는데 이 해리 반응은 가역반응이다. 즉 물 속에 수소이온을 내놓는 물질이 들어와서 수소이온농도가 커지면 물 속에 수산화이온의 농도가 줄어드는 결과가 발생하고 결과적으로 수소이온이 많은 상태가 된다. 만약에 수소이온농도를 줄이는 방향으로 작용하는 다른 물질들, 예를 들어 흔히 버퍼링 물질(buffering material)이라 불리는 물질이 많이 존재한다면 수산화이온농도가 줄어들지 않고 유지될 수 있어 pH는 변화가 없을 것이다. 자연의 물(natural waters)은 버퍼링 물질이 많아 비교적 안정된 pH를 유지하는 경향이 있다. 물속의 생명체가 비교적 안정한 진화단계를 거쳐 오늘의 지구 생태계를 구성한 것은 이런데 연유했다고 볼 수 있겠다.