[일반화학실험]물의 성질 1부

실험 목적

평범하면서도 우리 생활의 많은 부분을 차지하고 있는 물의 여러가지 특이한 성질에 대해서 알아본다.

실험 이론 및 원리

1. 물의 구조

1) 구조식과 결합각, 물의 분자모형

두개의 수소원자가 하나의 산소원자에 공유결합을 이루고 있다. 물 분자 중 두개의 비공유 전자쌍 때문에 굽은형을 갖으며 결합각은 104.45˚이며 극성이다. 산소는 부분적으로 음전하, 수소는 양전하를 띈다.

그림 1

그림 1 우측 그림은 H2O가 사면체형을 띄는 것을 보여주지만 왼쪽 그림에서와 같이 실험적으로 측정된 값은 104.45˚→ 104.5˚로 사면체 구조를 적용시켜 예측가능한 109.5˚보다 작다. 그 이유는 비공유 전자쌍에 의한 반발력이 결합된 전자쌍보다 크기 때문이다.

 

2) 극성 공유결합

전기음성도 차이가 나는 원자가 전자쌍을 공유하여 형성된 결합을 할 때 전기음성도가 큰 쪽의 원자에 부분적인 음전하를 띄게 되어 극성이 나타나는 경우로 부분적으로 이온성을 띈다. H2O의 경우 수소원자는 2.1의 전기음성도, 산소원자는 3.5의 전기음성도로 수소원자가 부분적인 양전하, 산소원자가 부분적인 음전하를 띈다.

HF와 H2O와 같은 분자에서, 분자의 부분 양전하와 음전하에 대한 설명으로 결합에서 동등하게 전자들이 공유되지 않는다는 것이다. 일반적으로 전기음성도 차이가 1.7이상(결합의 이온성 50%이상)이면 이온 결합으로 분류되며 전기음성도 차이가 1.7미만(결합의 이온성 50% 미만)인 경우에는 극성 공유 결합으로 분류된다.

 

2. 수소 결합

N, O, F과 같이 전기음성도가 큰 원자를 포함하는 극성분자들은 수소 결합이라는 추가적인 분자 간 힘을 보이는데 N, O, F과 같은 원자들이 수소와 결합이 되어있으며 그 주위 N, O, F 원자가 위치하면 이 사이에는 강한 인력인 수소결합이 작용한다. 물 에서는 O-H결합으로 인하여 전기음성도가 차이가 나 전하 분포가 균일하지 못해 극성 분자가 된다. 

극성 분자들은 서로 끌어당기며 전기음성도가 높은 산소원자와 다른 분자의 전기음성도가 낮은 수소원자 사이의 분자 간 인력, 수소결합을 형성하며 거대한 집단을 만들고 상태 변화를 위해서는 분자 간 인력 중 수소 결합이 가장 강하기에 많은 에너지가 필요하다.

그림 2

수소 결합은 왜 수소 ‘결합’일까?

H2O를 나타낸 (그림 2)를 보면 알 듯이 산소원자는 수소 원자 쪽 전자 1개를 빼앗아 수소 원자 바깥쪽은 수소핵이 드러난다. 그 수소핵과 또 다른 물 분자의 산소원자가 갖고 있는 비공유 전자쌍과 상호작용하여 분자간 인력구조가 분자 내 화학 결합 구조와 비슷하게 되어 가장 강한 상호작용이 된다. 따라서 수소 ‘결합’이라고 불린다.

 

3. 물의 성질

1) 밀도(물의 부피변화)

물은 얼면서 밀도가 낮아진다. 온도가 높을 때 수소결합을 이길 에너지가 있어 부피가 크나 온도가 내려가면 수소 결합에 붙들려 부피가 감소한다. 계속 내려가다 보면 수소 결합에 의해 규칙적으로 육각구조로 배열되어 빈 공간이 생겨 부피는 다시 증가하는데 이 전환점이 4℃ 부근이다. 따라서 대부분의 물질과 달리 물은 얼 때 부피가 팽창하며 4℃에서 최소의 부피를 가진다. 따라서 0℃에서 0.99978g/㎖, 3.98℃에서 1g/㎖, 100℃에서 0.9583g/㎖의 밀도를 보인다.

그림 3

그림 3은 얼음의 구조와 물의 구조를 보여줌으로써 얼음은 수소 결합에 의해 규칙적인 육각구조를 배열하여 빈 공간이 남아 상온의 물 부피보다 더 많은 부피를 차지하는 것을 보여준다

 

2) 끓는점과 녹는점

물은 끓는점과 녹는점이 매우 높은 편인데 그 이유는 수소 결합의 영향 때문이다. 결정을 유지하는 퍼텐셜 에너지를 능가하는 열에너지를 공급하면 증발하거나 녹는데, 수소 결합은 분자간 힘 중 가장 강하기에 많은 에너지가 필요로 한다. 따라서 당연히 끓는점과 녹는점이 높다. 수소 결합은 여러가지 약한 상호작용 중에서 가장 강한 상호작용으로 약한 상호작용은 물질의 성질과 구조에 큰 영향을 주며 유사한 형태의 화합물간 물리적 성칠의 차이를 나타낸다.

 

3) 큰 증발열

증발열(ΔHvap)은 1g또는 물질을 액체에서 기체로 변환하는데 필요한 에너지 양으로 물은 수소결합으로 이루어져 있어 이를 끊기 위하여 많은 에너지, 즉 물의 끓는점인 100℃에서 1g당 540Cal을 얻어야 한다. 이 수치는 작은 분자에서는 매우 높은 편이며 운동에너지가 높은 일부 물 분자는 낮은 온도에서도 물 표면에서 증발할 수 있다. 물 분자가 증발함에 물 분자가 증발하는 표면은 더 차가워지는데 이를 증발 냉각이라 한다. 이는 운동에너지가 가장 높은 분자가 증발로 인해 손실되기 때문이다.

 

4) 용매로서의 역할

물은 극성 공유결합으로 이루어져 있어서 극성인 분자이다. 다른 극성분자와의 용해는 쉽다는 의미로 이는 곧 이온성 물질과 쉽게 용해된다는 것을 의미한다.

 

5) 탄성막

물은 수소 결합과 분자간의 상호 작용으로 물 표면에 표면장력이 형성된다. 이로 외부에 탄성막이 존재하는 것처럼 행동하며 이 탄성막은 물이 극성 분자로 극성 물질만 뚫을 수 있지만 계면 활성제(극성+비극성)를 첨가하면 극성부분이 물과 작용하여 표면 장력이 저하된다.

 

6) 계면 활성제

계면은 기체와 액체, 액체와 액체, 고체와 액체가 서로 맞닿은 경계면으로 이런 경계면을 허물어 표면장력을 약하게 하는 역할을 하는 것이 계면 활성제이다. 계면 활성제는 친수성(물을 좋아하는) 부분과 소수성 부분을 갖고 있는 화합물로 대표적인 예로 비누와, 세제가 있다. 계면활성제는 일정 농도 이상에서 미셀이라는 구조를 형성하는데 미셀이 물에서 형성된다면 친수성은 이름과 어울리게 물과 접촉하는 외곽을, 소수성은 중심부에 모여 핵을 형성한다.

 

7) 수화물

수화물은 결정격자 내 물 분자가 격자 위치에 위치해 구조를 이루는 화합물이다. 일반적으로 수화물 형성을 위해서는 저온 및 고압 조건이 필요하며 열역학적으로 안정적이다. 대부분은 실온 공기중에서 안정하나 어떤 것은 공기 중으로 물이 빠져나가기도 한다. 수화물에 있어 각 화학식은와 같은 형태로 점ㆍ을 이용하여 물 분자가 수화물에 결합에 있는 것을 알려준다.

 

4. 표면장력

표면장력이란 액체 표면이 가장 적은 면적을 차지하기 위하여, 즉 구형을 가지려 스스로 수축하는 힘을 뜻한다. 액체 내부에 있는 원자나 분자들은 주위 같은 분자(원자)들에 의해 둘러싸여 있지만 위를 제외한 옆과 밑으로만 인력을 받고 있다. 이러한 불균등한 인력으로 표면 분자(원자)들은 액체 내부로 끌려 들어가는 경향을 가지게 된다. 

액체 내부에서 표면으로 이동해야 액체 표면적이 커지고 이는 분자간 힘을 극복하기 위하여 에너지가 필요한데 이를 막기위해서 표면장력이 작용하며 극성분자들로 이루어진 액체와 같이 비교적 큰 분자간 힘을 갖고 있는 액체는 상대적으로 높은 표면 장력을 갖는다. 

표면에서는 분자(원자)의 대부분 방향은 같은 분자들에 의하여 둘러싸여 있지만 한 방향은 싸여있지 않거나 다른 분자에 의해 둘러싸여 있어서 서로 다른 물질들 사이에 작용하는 힘은 내부와 다르다. 표면에 작용하는 힘들은 다르기에 표면적을 변화시키기 위해서 일이 필요하다.

액체	온도(℃)	표면장력,γ(dyne/㎝ = mN/m)
물	0	75.64
물	25	71.97
물	50	67.91
물	100	58.85
아세트산	20	27.6
아세트산(40.1%)+물	30	40.68
아세트산(10.0%)+물	30	54.56

표를 보면 알 수 있듯이 물은 25℃에 71.97로20℃인 아세트산보다 44.37이나 크며 아세트산에 물을 혼합해 물의 비율이 높아질수록 표면장력이 크다. 그 이유로는 물 분자에는 수소결합으로 분자 간의 인력이 크기 떄문에 그렇다. 표면장력은 수식 1과 같다. 표면장력은 dyne/㎝=mN/m(밀리 뉴턴 퍼 미터)의 단위로 나타낸다.

T=PD/4 (수식 1)

T=표면장력, P=물방울 내부와 외부의 압력차, D=물방울 직경

 

5. 풍해성, 조해성과 탈수현상

1) 풍해성은 결정을 함유하는 결정 또는 수화물이 공기 중에서 수분을 상실해 분말로 되는 현상이다. 수화물을 계속 방치하면 스스로 부서지는 것을 목격할 수 있다. 예로는Na2SO4ㆍ10H2O, H2SO4ㆍH2O 등이 있다.

2) 조해성은 고체가 대기중에 방치되어 있을 때 대기중의 수분을 흡수해 스스로 수용액을 만드는 현상으로 대표적인 예로는 염화칼슘(CaCl2)가 있다.

3) 탈수현상은 물이 부족할 때 발생하는 것으로 수분이 탈수되어 함수물이 무수물로 변화하는 것을 의미한다. 인체는 약 70%가량 물로 구성되어 있어 신진대사를 원활히 작용하게 하는데 중요한 역할을 하지만 탈수현상은 이러한 작용을 방해한다.

 

6. 결정수

결정성 화합물에 일정한 비율로 존재하는 물로 다양한 방식으로 결정에 유지될 수 있으며 물 분자는 격자 위치를 차지하거나 존재하는 음이온 또는 양이온과 결합하여 형성할 수 있다. 예로 CuSO4ㆍ5H2O에서 각 구리 이온은 산소의 비공유 전자를 통해 4개의 물 분자와 배위되어 [Cu(H2O)4]2+를 형성한다.

 

7. 경수와 연수

경수는 칼슘과 마그네슘 같은 광물질이 비교적 많이 용해되어 있는 천연수를, 연수는 비교적 적게 용해되어 있는 천연수를 의미한다.

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