물화학의 아버지 Werner Stumm

오늘 부터 물화학의 역사에 대하여 정리하는 글을 쓰고자 한다.

과학분야를 보다 보면 이론으로 정리된 것, 실험이나 관찰로 밝혀진 사실 등을 주로 뼈대로 놓고 정리하게 된다. 그런데 그 내용만에 집중해서 보다 보면 어느 덧 재미가 없어지고 무미건조한 느낌이 들어 왠지 파 들어가고픈 열정이 생기지 않는다. 그에 비해 그 이론과 사실들을 찾아 헤매던 과학자들, 때로는 엄청난 반전의 이야기를 펼치기도 하지만 때로는 엉뚱한 이야기였던 것들로 밝혀진 내용을 주장한 사람들의 삶에 대해 알아가다 보면 어느덧 마음의 매듭이 풀리고 뜨끈한 무언가가 가슴속에 솟는다. 인문학과 과학이 같이 가야 하는 이유다.

물화학(water chemistry)의 역사는 Werner Stumm(1924-1999)을 빼놓고 얘기할 수 없다. 그는 흔히 '물화학의 아버지(the founding father of water chemistry)'라 일컫어진다. 그가 남긴 유산은 학술적 이론의 정립 뿐 아니라 많은 후학들의 양성, 그리고 이 분야의 바이블 격인 저작 등 다방면에 걸쳐 있다. 그의 첫번째 박사과정 학생이었던 James Morgan박사와 함께 1970년에 발간한 'Aquatic Chemistry'는 물화학분야의 내용을 망라하면서도 깊이가 있는 책으로 칭송을 받고 있다.

Werner Stumm박사는 스위스에서 태어나 1952년 쮜리히 대학에서 G. Schwarzenbach교수의 지도하에 무기화학 박사 학위를 취득하였다. 그 후 Stumm박사는 미국으로 건너가서 Havard 대학에서 교수로 15년(1956~1970)을 재직하였다. 그 재직기간 동안 물화학이라는 분야에 대한 교육 및 연구 프로그램의 개발, 많은 차세대 후학들의 양성에 힘썼다. 그 후 1970년에 그는 스위스로 돌아와 쮜리히 공대(스위스 연방공대)의 EAWAG(the Swiss Institute of Water Supply, Pollution Control, and Water Protection)를 이끌며 교수로 1992년까지 재직하였다. 그의 노력하에 EAWAG는 세계 최고의 물연구소가 되었다.

Stumm박사는 300여편의 연구논문과 16권의 책을 출판하였고 그의 연구내용은 물화학의 대부분의 영역에 걸쳐있었다. 그는 Tyler prize, Stockholm Water Prize, Godschmidt Medal 등 여러 상을 수상했고 여러 곳에서 명예 박사학위를 받았다. 가히 이 분야의 개척자이면서 동시에 이 분야의 지도자로 우뚝 서 있었다고 할 수 있다.

Stumm박사는 물화학이 지구 생태계에서 갖는 중요성을 인식하여 수계(aquatic systems)에서 일어나는 화학적, 지화학적, 생물학적, 물리학적 과정 등을 통합적으로 인식하는 데 강조점을 두고 연구를 수행하였다. 물리화학(physical chemistry) 지식에 기초한 분자수준 연구를 수행하면서 동시에 자연계에서 그리고 인공계에서 물화학의 일관된 이해를 위한 연구에 모두 큰 관심을 두었다.

Stumm박사는 미국화학회(American Society of Chemistyr) 물화학분과의 설립자 겸 개척자로, 전 세계 물화학 분야의 탁월했던 과학자로 길이 기억될 것이다.

(이상은 Patrick L. Brezonik이 쓴 'Water Chemistry'의 내용에 기초하여 정리한 것임을 밝혀둔다)

2017년 6월 가뭄과 기후변화

 2017년 6월 현재 한반도 남쪽에서의 가뭄이 심하다. 유난히 심하다는 표현이 적절할 만큼 사람들이 비를 고통스럽게 갈구하고 있다.

가뭄은 지구에서의 물의 순환이 국지적으로 균형있게 이루어지지 않음을 의미한다.
가뭄이 들면 물의 증발산량은 더 많아진다. 하늘이 대개 맑아서 지표면에서의 증발산양이 증가하는 것이다. 사실 가뭄의 해결은 시간의 문제이다. 하늘로 더 많이 증발산된 물이 올라간 후 언젠가는 결국 땅으로 강하하기 마련이기 때문이다. 대기권에서 이상한 일이 발생하여 올라간 수증기가 강하하지 않는 경우가 아니라면, 가뭄은 국지적으로 시간의 문제일 수 있다. 언젠가 다시 땅으로 기체상태의 물이 액체상태의 물로 귀환한다는 것이다. 하지만, 한 지역에서 증발산되어 올라간 물이 그 지역으로 다시 내려오란 법이 없다. 지구에는 거대한 기권의 흐름이 있고, 또 국지적으로도 하늘에서 계속 수증기덩어리인 구름이 이동하기 때문이다.

다시 생각해 보면, 특정지역의 가뭄은 유난히 그 지역에 구름이 오지 않고, 구름으로부터 빗물의 강하가 발생되지 않는 것으로 이해된다. 이는 지역적 범위를 넓히자면, 어느 지역에서는 비가 많이 오고, 어느 지역에서는 유난히 비가 오지 않음을 의미한다. 만약 어느 지역에 계속 비가 오지 않아, 땅위의 생명체들이 거의 절멸하는 사태가 오면, 즉 그 지역 생물권이 사라지는 상태가 되면, 우리는 그 지역이 사막이 되었다고 말한다. 물론 사막에서 일부 생명체가 살고 있지만, 열대우림과 같은 그런 풍부한 종다양성과는 아주 거리가 먼 그런 환경이 되는 것이다.

생태계적으로 볼 때 인간은 3차 소비자에 속한다. 생태계가 구성되지 못하는 환경에서는 결코 살아남기 힘든 존재란 뜻이다. 가뭄이 들어 물이 없으면 사막으로 변하고 있는 셈이다. 반면에 어느 지역에서는 평소보다 더 많은 양의 물의 강하가 일어난다. 홍수가 날 위험이 증가하는 것이다. 이를 통칭하여 기후변화로 인한 수자원 재분배 상황이 오고 있다고 한다.

문제는 인간의 존재다. 먹을 것이 없이는 일주일을 버티지 못하는 것이 인간이다. 가뭄은 인간 존재의 가장 큰 위협요인이다. 홍수는 인간이 만들어 놓은 삶의 수단들을 쓸어가 버린다.

그래서다. 다시금 농업-물-에너지의 통합적 관점에서 지역을 살펴야 한다. 한반도 남쪽 정도의 지역에서는 전체적으로 이를 고려해야 한다. 기후변화와 관련해서 무엇이 진행되고 있는지... 잘 살펴야 한다. 물론 내일 비가 내려 지금의 고통이 해갈되기를 기대하기를 하늘을 보며 바랄 뿐이다. 우리가 아직 비가 내리게 할 능력이 없기 때문이다.

물분자의 화학 2

물과 pH

 * pH의 정의: -log[H+] = pH, pOH의 정의: -log[OH-] = pOH

 물의 특이한 성질 중 하나는 물분자가 적은 양이기는 하지만 일부 해리(dissociation)되어 수소이온과 수산화이온으로 전환된다. 이 성질로 인해 물은 아주 많은 물질을 품을 수 있게 되었다. 지구상에서 물은 기체, 액체, 고체 모두가 자연계에서 발견된다. 지구에 존재하는 무기성 물질 중 이러한 물질은 물이 유일하다. 이렇게 특별한 물이 가장 많이 존재하는 곳은 해양이다. 해양의 물은 지구 표면의 2/3를 차지하며, 그 특별함으로 인해 지구의 에너지 흐름과 기후에 결정적 영향을 준다. 이러한 해양의 물을 내부에서 살펴보면 참으로 많은 물질이 포함되어 있다. 물은 음이온 물질, 양이온 물질, 수용성 유기물 등을 광범위하게 포함하고 있다. 이러한 물의 높은 포용력은 어디서 오는 것일까? 이는 바로 물이 수소이온과 수산화이온으로 해리되는 성질에 기인한다.

지구상의 가장 흔한 물질인 물. 그 흔한 물에 포함된 독특한 특성때문에 지구상에 생명체가 존재하고, 생명의 신비함이 시작되었다. 생명체내의 수소이온과 수산화이온의 농도는 생명현상에 바로 영향을 줄만큼 매우 중요하다. 물속에 존재하는 음이온들은 (-)전하를 띠기 때문에 물의 해리로부터 발생된 (+)전하의 수소이온과 쉽게 결합한다. 마찬가지로 물속의 (+)전하를 띤 이온들은 물의 해리로부터 발생된 수산화기(OH-)와 결합하여 존재하게 된다. 이렇게 물속에 유입되는 많은 이온들은 물속에 늘 존재하는 수소이온 또는 수산화이온과 상호작용하며 이로 인해 물에 들어오는 많은 물질들과의 화학적 상호 작용이 나타난다. 이러한 중요성을 반영하여 물속의 수소이온농도와 수산화이온농도를 특별히 표시하는 방법이 생겨났다 . 물속에서 수소이온 농도와 수산화이온 농도는 특정한 표현으로 정의된다. pH로 표기하여 나타내는 것은 수소이온의 농도를 반영하며, pOH로 표기하여 나타내는 것은 수산화이온의 농도를 반영한다.

빠른 반응을 하는 수소이온의 농도를 주로 하여 pH로 표현하는 경우, pOH = 14= pH로 구할 수 있다.

염소 소독한 수영장 물과 관련된 사실들

 전 세계적으로 가장 널리 사용하고 있는 먹는 물 소독제는 염소라고 할 수 있다.
 값이 싸면서도 물에서 잔류성이 큰 효과적인 소독제로서의 염소를 대체할 물질은 거의 없다. 오존은 염소보다 월등히 살균력이 큰 소독제이지만 잔류성이 없어 장거리 공급라인을 통한 수돗물 공급에서 사용할 소독제로는 최적의 물질이 아니다.
 그런데,  이 염소는 사실 인류가 먹는 물의 소독제로 120여년 정도 밖에 사용하고 있지 않은 물질로, 먹는 물에 잔류하는 염소가 인체 건강에 미치는 영향이 충분히 검증되었다고 할 수는 없다.
 국내에도 번역된 책에서, 이 염소의 인체 영향을 연구해 온 미국의 어떤 의사는 자기 부친의 유지를 받들어 염소의 위험성을 크게 경고해 왔다. 우리가 흔히 알고 있는 심혈관내의 콜레스테롤이 사실은 먹는 것 때문이 아니라 염소 때문에 심각하게 형성되는 것임을 닭을 통한 실험 결과로 경고해 왔다.
 사실 염소는 정수장 소독제로 사용하여 트리할로메탄(THMs)과 같은 발암물질을 형성할 수 있다는 것이 이미 잘 밝혀져 있다. 이런 맥락에서 염소의 영향에 대하여 앞으로도 더욱 철저히 그 인체에 대한 영향이 검증되어야 할 것이다.
 최근 영국의 신문 데일리메일에서는 염소로 소독된 수영장 물과 관련한 흥미로운 사실들을 다음과 같이 정리하였다.
 1. 수영장에서 물 색깔이 약간 노랗게 되는 것은 '염소' 때문이 아니라, 사람들의 땀, 때, 오줌 때문이다.(2015년 6월 24일) 사람들의 눈을 빨갛게 만드는 것도 염소 때문이 아니라 오줌이 그렇게 만드는 것이다. 아이들이 수영장 물에 오줌을 누지 않도록 하는 캠페인이 필요하다.
 2. 염소 소독된 수영장 물은 아이들 천식을 악화시킬 수 있다(2015년 7월 19일)
    2008년 European Respiratory Journal에 실린 벨기에 연구자들의 연구 결과, 일주일에 한번씩 염소 소독된 수영장에 갔던 아이들은 수영장에 전혀 가지 않은 아이들에 비해 천식에 걸릴 확률이 5배나 높았다.
 3. 염소 소독된 수영장 물은 치아를 누렇게 만드는 원인이 될 수 있다(2015년 7월 19일)
   New York College of Dentistry의 부교수인 Dr Leila Jahangiri에 따르면 집안에 수영장을 갖고 있는 사람들은 수영장 물의 염소 농도와 pH값을 잘 관찰하고 관리해야 한다고 경고한다. 염소가 너무 많이 투입되면 물은 산성이 되고 이는 치아 손상의 원인이 될 수 있다.
 4. 염소 소독된 수영장 물은 머리카락 변색의 원인이 될 수 있다(2015년 7월 19일).
    금발 염색된 머리는 이 경우 녹색으로 변화하게 된다.
 5. 염소 농도가 높은(5ppm 이상) 수영장 물은 눈에 자극을 주게 되고 불편함을 야기한다. 거꾸로 염소 농도가 너무 낮은 물은 미생물이 쉽게 번식되고, 따라서 눈병을 야기하는 원인이 될 수 있다.

과학분야(보건분야 포함)의 과열현상은 보도자료에서 비롯된다

  하루 이틀 된 이야기는 아니지만, 많은 과학자들은 이제 더이상 자신의 관심사를 꾸준히 연구하여 연구결과를 내놓음으로써 세상을 놀라게 하기 어렵다. 이유는 연구자금이 없이는 연구 진행이 어렵기 때문이다. 이러한 문제때문에 연구 주제 자체나 방향이 자본에 종속되기 쉽게 된다. 뿐만 아니라, 정부와 같은 공공부분의 연구자금을 받기 위해서 마찬가지로 보도자료를 매우 '핫'하게 만드는데 신경쓰게 되고, 사회적 주목을 받기 위한 과장된 표현이 은연 중에 드러나게 된다. 심지어 이를 이용하여 과도한 주장까지 진행하여 많은 사람들을 현혹시키는 일도 발생한다. 실제 많은 언론의 발표 내용들을 읽어보면 이러한 과장된 내용 덕분에 현실과는 동떨어진 기사가 매우 많다. 기업의 경우에는 더 심각하기도 하다. 농담삼아 하는 이야기로, 언론에 많이 나오는 기업의 주식은 사지 말라는 이야기가 있다.

  최근 Nature에 이를 공식적으로 다룬 기사가 있다.

 http://www.nature.com/news/study-points-to-press-releases-as-sources-of-hype-1.16551

Study points to press releases as sources of hype

Scientists, press officers and journalists online are pointing fingers in light of a paper that traces the origins of exaggerated claims in health news.

  과학자의 동의 없이 기관의 언론담당자의 손질만으로 과학(보건)분야 보도자료는 최종 승인되지 않는다. 따라서 과학자들 역시 책임이 있을 수 밖에 없다는 내용이다.

 최근 많은 나라들에서 소위 '순수' 연구를 하겠다는 것은 한가한 소리로 들리게 되었다. 산업적 성과, 경제적 성과로 방향성을 갖지 않는 경우, 최소한 사회적 영향에 대한 어필이라도 제대로 하지 않는 경우에는 아예 연구자금을 얻기 어렵다. 이러한 현실은 과학자 몇 몇이 어찌하여 바꾸기 어려운 것이 현실이다.

 이럴 때 명확한 것은 과학자들간 활발한 논의와 네트워크로 이를 공론화하고 조직화하는 노력이 필요하다는 것이다. 그렇지 않으면 어느 날 검은 돈의 유혹에서 벗어나지 못하는 상황이 초래되기도 한다. 내가 왜 연구하는지 그 이유를 매일 매일 스스로 묻고, 옆의 동료에게 물어야 할 것이다.

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. 

물 관련 인류적 관심의 이유 및 과학기술 갈래 단상

1. 지구를 4개의 권역, 즉 기권, 수권, 암석권, 생물권으로 구분할 때 수권은 나머지 3개를 연결하는 역할도 한다.

2. 물은 물리화학적으로 주기율표에 기반한 분자 특성의 규칙성에서 크게 벗어나는 특성을 갖고 있다.

3. 지구상에서 물은 독특한 특성을 갖는 물질로 생명의 원천이라 불리운다.

   물은 생물권의 유지에 결정적인 존재다.  물의 독특한 특성이 실은 지구상의 생물권을 지탱하는 중요한 이유인 것으로 이해된다.

4. 물은 지구상에 존재하는 물질 중 기체, 액체, 고체의 3가지 상이 모두 발견되는 유일한 무기성 용매다.

   인간이 생존하기에 적합한 온도 조건(15~25'C)에서 물은 액체상태로 존재한다.  지구의 극지방에서는 낮은 온도 조건이 유지되어 물은 고체상태로 존재하며, 이를 제외한 곳에서는 거의 액체 상태로 존재한다.

5. 지구상에서 물은 국지적으로 보면 매우 편중된 분포를 보이는 자원으로, 어떤 지역에서는 지극히 제한된 양으로 존재하여 생물들의 존재를 어렵게 하거나 종다양성을 매우 미약하게 하며, 어떤 지역에서는 아주 풍부하게 존재하여 풍부한 종다양성의 기반이 된다.

   인류는 생물권의 일부로 생태계 구성 중 3차 소비자에 해당된다. 따라서 종다양성이 부족하면 그 존재 자체가 위태로워진다.

   결과적으로 인류는 자기 생존를 위하여, 또 그 기반이 되는 생물학적 종다양성을 유지하기 위하여 액체로서의 물을 충분한 정도로 필요로 한다.

6. 물의 양적 존재는 생물권의 유지에 필수불가결한 전제 조건이다. 또한 동시에 물의 질적 특성이 고려되어야 한다.

    어떤 이유로 물의 질적 특성이 생물권의 유지를 어렵게 할 수 있다.

    인류가 지구상에서 지배적인 생물학적 존재가 된 19세기 이후로 물의 질적 특성 변화는 주로 인류의 경제활동에 기인하여 발생되었다.

    21세기 초 현재까지 인류의 경제활동은 물의 질적 향상보다는 질적 저하가 일어나는 방향으로 진행되고 있다.

7. 인류의 역사에서 물의 이용, 관리는 주요 문명의 흥망성쇠에 결정적 역할을 해 왔다.

   물의 이용, 관리를 위해서는 물을 움직일 수 있어야 하며, 이를 위해서는 물의 움직임을 지배하는 물리학적 원리를 이해해야 한다.

   물에 적용되는 물리학적 원리인 유체역학에 따르자면, 물은 대표적인 비압축성 유체(incompressible fluid)의 하나이며 뉴톤 유체(Newtonian fluid)의 하나이다.

8. 물의 이송과 관련하여 여러 구조물과 설비, 장치가 필요하다.

   물의 이송을 위해 관 및 관로 설치, 지하 구조물 설치, 이송 기계 설비 및 장치, 동력 장치 등의 과학기술이 필요하다.

   오늘날 물의 이송에 전세계 에너지 소비의 상당 부분이 할애되고 있어, 에너지 효율적인 물의 이송 체계 구현이 요구되고 있다.

9. 이송된 물을 목적에 적합한 수질의 물로 처리하는데 여러 구조물과 설비, 장치가 필요하다.

   물의 처리를 위해 물리적, 화학적, 생물학적 방법에 관한 과학기술이 지난 20세기에 크게 발전하였다.

10.  물관련 산업이 21세기에 가장 각광받는 이유는 그것이 에너지와 먹거리와 뗄레야 뗄 수 없이 연결되어 있기 때문이다.

   에너지 연구와 물 연구, 물 연구와 먹거리 연구, 먹거리연구와 에너지연구가 함께 일관된 관점으로 전개되면서 지속가능한 발전에 대한 현실적 방안이 찾아질 수 있을 것이다.