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물에 대해 몰랐던 놀라운 5가지




물은 생물이 살아가는 데 필요한 필수 조건 중 하나다. 물은 늘 가까이 있는 존재지만 의외로 물에 대해 생각해볼 기회는 많지 않다. 당연한 듯 존재하는 물에 대해 일반인이 잘 모르는 5가지를 정리하면 이렇다.

첫째 얼음은 여러 종류가 있다는 것이다. 물을 얼리면 얼음이 된다는 건 누구나 아는 상식이다. 이런 고체 상태 물인 얼음은 액체 상태보다 부피가 증가하는 것으로 알려져 있다. 이는 수소결합(hydrogen bond)이라고 불리는 원자끼리 특별한 결합을 한 것에서 기인한다. 물은 4도일 때 가장 부피가 작다.

하지만 고체 상태가 된 물, 그러니까 얼음은 한두 종류가 아니다. 지금까지 알려진 것만 해도 얼음은 17종이나 된다. 보통 얼음이라고 부리는 Ih 외에도 자연 상태에서 극히 미량인 Ic가 존재하며 고압인 우주에만 존재할 수 있는 15종 얼음이 발견된 바 있다.

수소결합을 통해 밀도가 낮아진 일반적인 얼음 상태에서 압력을 가해 최밀충전구조 한계에 도달하기까지 얼음은 다양한 형태를 취할 것으로 보이는 만큼 지금까지 알려진 17종 외에도 더 많은 상태의 얼음이 발견될 가능성이 있다.





다음은 물의 증발 구조, 메커니즘이다. 물질이 액체에서 기체로 변화하는 걸 기화라고 부른다. 물이 증발해 수증기가 되는 것도 기화에 의한 것이다. 물이 증발하는 비율은 대기 속 구름 발생에 크게 영향을 주는 만큼 기상을 예측하는 데에도 중요한 요소다.

하지만 물이 증발하는 이런 구조는 아직도 완전히 파악되지 않았다. 물에 소금을 첨가하면 표면장력이 올라 표면장력파가 억제되는 만큼 이론적으론 증발 속도는 떨어져야 한다. 하지만 실험을 해보면 증발 속도에는 거의 변화가 보이지 않는다. 여전히 증발 구조는 밝혀지지 않았다.

다음은 물의 표면은 산성 아니면 염기성 중 어떤 것일까. 미국에 위치한 나이아가라폭포가 만들어내는 안개에는 음이온이 포함되어 있는 것으로 알려져 있다. 나이아가라폭포 뿐 아니라 수많은 폭포가 음이온을 내뿜는데 이는 물의 표면에 수산화 이온이 축적되어 있기 때문에 액면에 있는 PH는 7보다 큰 염기성인 것으로 간주되어 왔다.





하지만 최근 실험이나 시뮬레이션 결과를 보면 실제로는 액체 상태 물 표면에 수산화 이온보다 수소 이온이 많아 실제로는 PH가 7 이하 그러니까 산성이라는 걸 알 수 있다.

다음은 비정질 얼음. 물은 온도가 내려가면 0도 이하가 되면 고체 얼음이 된다. 하지만 천천히 냉각하면 0도 이하에서도 얼지 않는 과냉각 현상(super cooling phenomenon)이 발생한다. 물론 아무리 천천히 냉각해도 영하 38도에서 응고해버린다.

하지만 물을 천천히 냉각하면 영하 38도보다 낮은 저온 영역에선 분자 결합에 규칙성이 없는 비정질 상태인 비정질 얼음이라는 결정을 취할 수 있는 것으로 알려져 있다.

고체는 분자 구조에 규칙성이 있고 액체는 분자 구조에 규칙성이 없는 게 일반적이다. 하지만 물의 경우에는 고체이면서도 분자 구조에 규칙성이 없는 상태가 될 수 있는 특수성을 갖고 있다. 다시 말해 고체에서 유동성이 없기 때문에 비정질 얼음은 고체지만 분자 구조에 규칙성이 없으니 액체와 같다. 극저온 상태에서 유리처럼 굳기는 하지만 액체라고 할 수 있는 것이다. 물론 실제로 비정질 얼음을 고체 혹은 액체 어떤 것이라고 말하는지에 대해서는 의견이 나뉠 수 있다.

마지막은 양자 크기 물. 탄소나노튜브와 양자교환막을 만들 수 있게 되면서 물 분자를 양자 크기에 가두려는 도전이 이뤄지고 있다. 실험상이나 계산상으론 물 분자 수백 개를 좁은 공간에 가두는 양자 효과를 낼 수 있다.

이 양자 효과를 나타내는 물의 특성은 생물학에서 지질학에 이르기까지 모든 영역에 영향을 미칠 것으로 보여 진다. 예를 들어 더 효과적으로 바닷물에서 순수한 물을 만드는 담수 장치 설계에도 영향을 줄 수 있다. 하지만 아직까지는 물을 잘 가두는 것조차 잘 되지 않고 있는 만큼 해당 분야 연구는 해결해야 할 과제가 많은 상태다. 관련 내용은 이곳에서 확인할 수 있다.

이상우 기자  oowoo73@techholic.co.kr

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