물(H2O)

 

화학(化學)은 물질의 변화 및 그에 수반되는 에너지의 변화를 연구하는 자연과학의 한 분야이다. 물질의 성분을 분석하여 그 구성 물질을 확인하고, 그 물질의 특성과 물질의 구조의 상관 관계를 연구하고, 이러한 지식을 바탕으로 원하는 특성을 지닌 신물질을 합성하는 것이 화학 연구의 주된 목표이다. 근접 학문인 물리학, 생물학, 지질학, 의학, 약학 등과 밀접한 관계를 가지고 있다.   화합물 산소는 원자가 2이며, 다양한 공유결합 화합물을 만든다. 예를 들면 물(H2O)·이산화황(SO2)·이산화탄소(CO2) 등의 비금속 산화물, 알코올·알데히드·카르복시산 등의 유기화합물, 황산(H2SO4)·탄산(H2CO3)·질산(HNO3) 등의 보통 산들과 황산나트륨(Na2SO4)·탄산나트륨(Na2CO3)·질산나트륨(NaNO3) 등의 염 등을 만든다. 산화칼슘(CaO) 같은 고체 금속산화물의 결정구조에서 산소는 O2－로 존재하고, 과산화칼륨(KO2)과 같은 금속 과산화물에는 O이온을 포함하며, 반면에 과산화바륨(BaO2)과 같은 금속의 과산화물에는 O이온이 포함되어 있다. 그밖의 산소화합물에 대해서는 '과산화물', '산화물' 항목참조. 모든 원소(자연계의 모든 물질)는 같은 모양과 같은 무게를 가진 원자라는, 매우 작고 더 이상 쪼개지지 않는 입자들로 구성되어 있다는 원자가설을 세웠다.(→ 원자량)  -돌턴   ====================================================================================  물의 구성 성분=> 과학에서의 물은 증류수이다.   1. 순물질: 다른 물질을 포함하지 않고 한 종류의 물질만으로 이루어진 물질    예) 증류수, 산소, 철, 에탄, 소금, 금, 구리 ** 순물질은 녹는점, 끓는점, 밀도 등의 값이 일정하다. ** 각 순물질은 제각기 고유한 물질의 특성을 가진다. 1. 혼합물: 두 종류 이상의 순물질이 본래의 성질을 그대로 가지고 섞여있는 물질    예) 공기, 소금물, 땜납, 사이다, 흙탕물, 우유, 암석, 아이스크림 등 ** 성분 물질의 성질을 그대로 가지고 있다. ** 녹는점, 끊는점, 밀도 등이 일정하지 않고, 혼합 비율에 따라 달라진다. ** 가열, 냉각, 곡선에서 수평한 부분이 나타나지 않거나 2개 이상 나타난다.   ※균일 혼합물: 성분 물질이 고르게 섞여있는 혼합물    예) 공기(산소+수소+이산화탄소), 소금물(소금+물)/염화나트륨(NaCl), 탄산음료, 에탄올 수용액, 식초,          합금, 세라믹스 염화나트륨(NaCl)은 염소와 나트륨의 화합물로 식용 소금의 주성분이다. 해수의 염류중 차지하는 비율이 가장 많다.   ※불균일 혼합물: 성분물질이 구르지 않게 섞여있는 혼합물    예) 흙탕물, 과일주스, 우유, 커피믹스, 콘크리트 물의 전기분해     ** 순수한 증류수는 전류가 흐르지 않으므로 약간의 전해질을 넣어줌      물을 전기 분해할 때 넣을 수 있는 전해질은 황산나트륨, 수산화나트륨 등,      구리 이온이나 염화 이온은 물보다 전자를 잃거나 얻기가 쉬워서 물의 전기 분해에는 사용하지 않음.  ** 전체 반응: 2H2O( )---->2H2(g)    ** (+)극에서 발생하는 기체: O2(g) => 공기의 20%를 차지한다(상온).       =>불꽃을 대면 불의 크기가 커지는 조연성이다(호흡에 필수)(산소).  ** (-)극에서 발생하는 기체: H2(g)=> 세상에서 제일 가볍다(수소).       => 불꽃을 대면 ‘펑’ 소리와 함께 연소되는 가연성이다(관측용 기구나 연료 전지에 이용).     물의 전기 분해에서 생성되는 기체의 부피 사이의 관계        기체 반응에서 반응에 관여하는 모든 기체의 부피 사이에 간단한 정수비가 성립하는 것을        ‘기체 반응의 법칙’이라고 한다.  예)2H2O --->2H2 +O2         -->물의 전기분해 반응에서 수소와 산소는 항상 2(수소):1(산소)의 부피비로 발생한다.   ========================================================  물의 물리적 성질   물의 화학 결합   1)공유 결합    비금속 원자들이 각각 원자를 내놓고 전자쌍을 만들어, 이 전자쌍을 서로 공유하여 이루어진 결합. 2) 수소 결합   F(플루오르), O(산소), N(질소)과 공유 결합하고 있는 H 원자가 다른 분자 또는 같은 분자 중에 있는 또   다른 F, O, N에 끌리어 이루어지는 결합(수소 원자가 다른 분자 중에 있는 F, O, N에 끌려서 이루어지는).   수소 결합(水素結合)은 질소, 산소, 플루오르 등 전기음성도가 강한 원자를 갖는 분자와 사이에 수소를 갖는 분자   사이에서 생기는 약한 화학 결합이며, 분자간 결합이다. 분자 내에서 일어나는 결합이 아니라, 분자 사이에서 일   어나는 결합이기 때문에, 그 힘이 다른 원자간 결합보다는 약하다. 화학 결합. 증발열, 유전 상수, 적외선이나 자   외선 흡수 따위에 영향을 준다. 물 분자의 결합, 폴리펩티드 사이의 결합, 디엔에이의 염기쌍의 형성 따위가 있다. 3) 수소 결합을 하는 물질     **  전기 음성도가 큰 F, O, N의 수소 화합물  예: HF(하프늄), H2O(물), NH3(암모니아). ** COOH를 가지는 화합물  예: 아세트산(CH3COOH) ** OH를 가지는 화합물  예: 에탄올(C2H5OH).   아세트산( CH3COOH) 또는 초산(醋酸)은 대표적인 카복실산 중 하나이다. 식초의 원료가 되는 신맛을 가진 화합물이다. 무색이며, 어는점은 16.7°C (62°F)이다. 약산이며, 증기는 눈이나 코에 자극을 준다. 공업용은 물론 실험실에서 매우 중요한 화합물이다. 에탄올(ethanol) 또는 에틸알코올(ethyl alcohol)은 무색의 가연성 화합물로 알코올의 한 종류이다. 술의 주성분이다. 화학식은 C2H5OH이다.   4) 이합체: 두 분자가 한 분자처럼 수소 결합으로 연결되어 있는 상태 5) 분자 사이의 인력과 끓는점 ** 일반적으로 분자 사이의 힘이 강할수록 분자 사이를 끊어주기 위해 더 많은 열에너지를 흡수해야 되므로      끓는점이 높아짐   6) 물의 녹는점과 끓는점 ** 물은 수소 결합으로 인해 분자의 크기나 분자량이 비슷한 다른 물질에 비해 끓는점이 높음.      화합물      화학식      분자량      녹는점      끓는점      메탄      CH4        16       -183      -161.5      암모니아       NH3        17       -77.7      -33.5       물      H2O        18         0       100 암모니아ammonia NH3 질소 화합물 중 가장 간단한 안정한 화합물로 상업적으로 중요한 여러 질소 화합물을 만드는 출발물질로 쓰인다. 1774년에 조지프 프리스틀리가 순수한 암모니아를 최초로 만들었으며, 1785년 클로드 루이 베르톨레가 암모니아의 정확한 조성을 밝혔다. 암모니아는 물에 매우 잘 녹아 수산화암모늄이라는 알칼리성 용액이 된다. 또한 물에 녹을 때 반응성이 매우 커서 많은 화학물질과 쉽게 결합한다. 압축시키거나 약 -33℃로 냉각시키면 쉽게 액화되며, 다시 기화할 때 주위로부터 상당히 많은 열을 흡수한다(1g의 암모니아는 327㎈의 열을 흡수함). 이 성질 때문에 냉장고와 공기조절장치 등의 냉각제로 쓰인다. 메탄methane CH4 메탄계 탄화수소 가운데 구조가 가장 간단한 물질. 무색무취의 가연성 기체로 물에 녹지 않으며 공기 속에서 불을 붙이면 파란 불꽃을 내면서 탄다. 천연적으로는 늪이나 습지의 흙 속에서 유기물의 부패와 발효에암모니아ammonia NH3 의하여 생기며, 공업적으로는 일산화탄소와 수소를 화합하여 200~250℃로 가열하여 얻는다.   물(H2O) 물리적 성질 물의 분자식(H2O)은 간단하게 보이지만 아직도 완전히 규명해내지 못한 아주 복잡한 화학적·물리적 성질을 갖고 있다. 예를 들어 물이 녹는 온도인 0℃(32°F)와 끓는 온도인 100℃(212°F)는 비슷한 구조의 화합물인 황화수소나 암모니아와 비교해 볼 때 높은 편이다. 물은 고체상태인 얼음일 때 액체 상태에서보다 밀도가 작아지는데 이것도 물의 독특한 성질이다. 이 변칙적인 현상들은 물분자의 전자적 구조에 기인한다. 산소원자는 모두 8개의 전자를 가질 수 있는 최외각에 6개의 전자가 차 있다. 산소원자는 단일화학결합을 이룰 때, 자신의 전자 가운데 1개를 다른 원자의 원자핵과 공유하게 하고 대신 그 원자의 1전자를 공유한다. 2개의 수소원자와 결합을 하면 산소의 최외각은 채워진다. 물분자를 이루는 3원자는 직선형 구조가 아니라 이등변삼각형 모양을 하고 있고, 이등변이 이루는 각은 105°이다. 그 3차원 구조는 비대칭적이며 결과적으로 분자의 일부분은 음전하를 띠게 되고 다른 부분은 양전하를 띠게 된다. 기체분자의 쌍극자 모멘트는 1.83×10-18esu이며, 산소원자는 음으로, 수소원자는 양으로 하전 되어 있다. 따라서 물분자는 극성이 매우 큰 분자가 된다. 물분자 내에 있는 수소원자들은 높은 전자밀도 영역으로 끌리며, 그 영역에서 수소결합이라고 부르는 약한 결합을 형성한다. 이것은 물분자 내의 수소원자가 이웃하는 물분자에 있는 산소원자의 비공유 전자쌍에 끌린다는 것을 말한다. 이 결과 물분자들은 강하게 뭉친다. 얼음결정에서는 배열이 보다 규칙적이 되지만 구조는 느슨해진다. 얼음이 녹으면 이 규칙적인 배열이 부분적으로 풀어지면서 분자들이 서로 가까워진다. 이것이 바로 고체일 때보다 액체일 때 밀도가 더 높으며, 얼음이 액체상태의 물에 뜨는 이유이다. 그리고 그 결합력은 상온(常溫)에서도 물분자들이 완전히 분리되는 것을 막을 만큼 크고 액체 상태에서도 지속되기 때문에 물은 분자량이 작은데도 녹는점과 끓는점이 높으며, 임계온도와 임계압력 역시 높고 열용량도 크다. 물분자의 극성(極性)은 수용액을 만드는 데도 주된 역할을 한다. 염화나트륨과 같은 이온 화합물이 물속에 있다면 극성을 가진 물분자는 양전하를 가진 나트륨 이온과 음전하를 가진 염소 이온 사이에 작용하는 정전인력(靜電引力)을 감소시키고, 두 이온이 분리되는 것을 돕는 것이다. 물은각 성질에서 이상성(異常性)을 보이고 있다. 예를 들면 물은 유전율(誘電率)이 높은데, 이 현상으로 물의 용매작용과 이온화힘 등이 설명된다. 또 얼음은 온도와 압력의 변화에 따라 여러 가지 형태로 달라진다. ====================================================================================  물의 상태 변화       물의 세 가지 상태          상태   성질       고  체            액 체         기 체   모양       일정    담는 그릇에 따라 모양도 변함    어떠한 그릇도 채울 수 없음   압축성       일정       압축되지 않음      쉽게 압축됨    흐름     흐르지 않음         흐름      사방으로 퍼짐 섭씨 온도(攝氏溫度)는 1 atm에서의 물의 어는점을 0°C, 끓는점을 100°C로 정한 온도 체계이다. 1742년 스웨덴의 천문학자 안데르스 셀시우스가 처음으로 제안하였으며, 영어 등에선 제안자의 이름을 따 셀시어스로 부른고 있다. ‘섭씨(攝氏)’라는 이름은 셀시우스의 중국어 표기가 攝爾修인 것에서 유래한다. 밀도 (密度, Density, 기호: 그리스어 ρ)는 부피의 단위 당 질량을 나타내는 값이다. 한 물체의 밀도가 클수록 그 물체의 부피는 크다. 한 물체의 평균 밀도는 그 전체 질량을 그 전체 부피로 나눈 것과 같다. 더 조밀한 물체(철과 같은)는 같은 질량의 덜 조밀한 물질(물과 같은)보다 부피가 적을 것이다. 밀도의 SI단위는 킬로그램 매 세제곱미터 (kg/m3) 여기서 ρ는 물체의 밀도 (킬로그램 매 세제곱미터) m는 물체의 전체 질량 (킬로그램) V는 물체의 전체 부피 (세제곱미터) 얼음과 물의 부피 변화 1) 물이 얼음으로 변화 하면 부피가 증가하여 밀도가 감소(가벼워)하므로 물위에 뜬다. 2) 0°C 얼음의 온도가 올라가서 4°C 물이 될 때. 밀도가 증가한다. 3) 물의 온도가 4°C 이상이 되면 분자 운동이 활발해지므로 부피가 커져 밀도가 감소한다.  얼음이 물에 뜨는 이유 물이 온도가 낮아져서 얼음으로 변할 때 수소 결합은 분자들은 더욱 단단히 붙잡아 고체를 형성하다. V자형 꼭짓점에 있는 산소 원자는 원래 2개의 수소 결합을 만들 수 있다. 그렇기 때문에 다른 물 분자들의 수소를 끌어당겨 산소 원자 1개에 4개의 수소 분자가 달라붙는 형태가 된다. 물 분자들이 이런 식으로 얽히어 물은 액체로 있을 때보다 얼음이 될 때 부피는 더욱 커지고 밀도는 낮아진다. 물은 4°C도일 때 부피가 가장 작고, 이보다 온도가 낮아지면 오히려 부피가 커진다. 얼음이 되면 액체 상태일 때보다 약 1/10쯤 부피가 더 커지기 때문에 빙산이 바다 위로 1/10만 그 모습을 내보이고 있는 것이다. 따라서, 빙산이 있는 곳을 항해하는 배들은 물속에 숨어 있는 나머지 9/10에 주의를 기울여야만 한다. 액체 상태의 물에서는 온도가 올라감에 따라 수소 결합이 끊겨져 액체의 부피가 줄어드는 현상과 물 분자의 운동이 활발해져 부피가 늘어나는 현상이 동시에 일어난다. 이때 4°C에서 물의 부피가 최소가 되는 것은 0~4°C 사이에서는 수소 결합이 깨지는 것의 영향을 더 많이 받기 때문이다. 하지만, 4°C 이상에서는 분자 운동의 영향을 더 많이 받기 때문에 물의 부피가 점점 증가하게 된다. 물이 얼 때 부피 증가 원인 물은 분자들이 무질서하지만 얼음은 분자들이 육각형 구조를 이루게 되어 공간적 배열이 달라진다. 만약, 얼음의 밀도가 물보다 크면 기온이 영하로 떨어질 때 얼음이 얼자마자 바닥으로 가라앉아, 순식간에 호수 전체가 꽁꽁 얼어버리고 말 것이다. 다행이 얼음은 밀도가 낮아 물에 뜬다. 그리고 얼음이 물을 덮어 찬 공기를 물과 차단시켜 얼음 아래의 물이 더 이상 얼지 않게 해 준다. 이 때문에 겨울에도 호수의 물고기들이 죽지 않고 생활 할 수 있으며 남극과 북극의 얼음 아래서도 바다 생물들이 살아갈 수 있는 것이다.   ====================================================================================  물의 표면 장력과 비열   표면 장력 1) 액체 표면을 최소화 하려는 힘 2) 분자의 단위 질량당 인력이 클수록 표면 장력이 커짐 3) 식물의 잎사귀 이슬방울이 둥글다. 4) 소금쟁이가 물위에 떠서 돌아다닌다. 표면 장력의 원인 액체 내부의 원자는 이웃한 분자에 의해 상하좌우 대칭적인 방향으로 인력이 작용하여 힘의 균형을 이루지만, 표면의 분자는 아래 방향으로만 작용하기 때문에 내부로 끌려 들어가는 힘을 받게 되어 표면적을 가능한 한 작게 가지려는 경향을 가지게 되기 때문이다. 물의 비열 ** 비열: 단위 질량 (1g 또는 1Kg)의 물질을 1°C 높이는데 필요한 열량 ** 단위는 일반적으로 J/g･℃, 또는 cal/g･℃를 사용한다. ** 비열이 클수록 같은 열량을 주었을 때 온도 변화가 적다. 물의 용해성 ** 용매 분자 사이의 힘<용매와 용질 분자 사이의 힘일 때 용해가 일어난다. ** 극성 물질은 극성 용매에 잘 녹는다.    물의 특성과 자연현상     물의 특성            현상        자연 현상이나 생활에 미치는 영향     융해성이 큼   여러 물질을 잘 녹임    * 세탁할 때 물 사용    * 물에 산소가 녹아 생물 생존    * 많은 물질이 수용액 상태로 존재    * 영양분의 섭취 및 노폐물 배출     비열이 큼  바다 온도 변화가 적음    * 해안 지방의 해륙풍    * 계절풍     증발열이 큼  증발할 때 많은 열 흡수    * 더울 때 물 뿌림   표면 장력이 큼  표면적 가능한 한 작게    * 잎사귀에 이슬방울    * 소금쟁이의 운동    얼면 부피 큼   얼음이 물위에 뜸    *얼음이 뜨므로 수중 생태계 유지                                                 영어사전홈                          Write It Down Make It Happen