물의 특성

물의 특성

1. 극성 분자

물 분자는 수소결합을 형성하는 극성 분자로써

1개의 산소원자 2개의 수소 원자로 공유결합되어 있습니다.

산소 원자는 수소 원자에 비해 음전성을 가집니다.

그렇기 때문에 산소 분자 말단에 음전하, 수소에는 양전하가 존재합니다.

 

각각 두 개의 양극과 음극은 물 분자 사이의 정전기적 인력으로 수소 결합을 하고 있습니다.

 

2. 용매

물은 다른 용매에 비해 비교적 넓은 범위의 물질을 다량으로 녹일 수 있습니다.

왜냐하면, 물 분자 크기가 작기 때문입니다.

 

한 마디로 물 분자는 극성 구조이면서 수소결합을 하기 때문에

좋은 용매 역할을 할 수 있습니다.

 

물 분자와 이온 사이, 물 분자와 극성 용질 사이의

수소결합은 전하를 띠고 있는 물질들 또는 거대분자들 사이의

정전기적 상호작용을 감소시켜서 수소결합을 끊어버리는 역할을 하기 때문에 용해도를 증가시킵니다.

 

3. 뚜렷한 열 성질

물은 크기가 작지만 상대적으로 뚜렷한 열 성질을 가집니다.

 

비열

specific heat

어떤 물질의 온도를 일정량 올리는데 이용되는 열에너지

 

수소결합이 가해진 열에너지 일부를 흡수하는 작용을 하기 때문에

물이 온도를 올리기 위해서 많은 열에너지 투입이 필요하다

 

(열에너지를 흡수하는 이유 : 식물의 온도 변동을 완충하기 위함)

 

기화열

latent heat of vaporization

액체상으로부터 분자들을 분리시켜서 기체상으로 옮기는데 필요한 에너지

 

증발이 일어난 물 분자의 온도는 변화시키지 않고

물 분자가 증발한 잎의 표면을 냉각시키게 되는데

 

증상 중인 잎의 온도를 완화시키는 역할을 합니다.

 

4. 응집력

수소결합을 하고 있기 때문에 이웃한 분자들에게 끌리는 힘이 큽니다.

 

또한, 증산작용은 물이 수직 기둥을 만드는 방법으로

응집력, 부착력, 장력에 의해서 물기둥이 형성됩니다.

 

표면장력 역시 수소결합에 의해 만들어지는데

공기 - 물 - 계면의 표면적을 증가시키기 위한 에너지입니다.

부착력

adhesion

물의 응집력

 

물 분자 사이의 상호 인력으로 발생하면서

세포벽이나 유리 표면과 같은 고체상에 끌리는 힘

 

접촉각

contact angle

고체상에 끌리는 정도를 측정한 각

접촉각으로 액체 내의 압력에 미치는 표면장력의 영향을 알 수 있음

 

모세관 현상

capillarity

위에 말한 응집력, 부착력, 표면장력에 의해 발생

 

이는 토양으로부터 뿌리가 물을 흡수하기 위해서 필요한 현상

 

물 분자를 끌어올려서 관을 따라 상승시키게 되는데

위로 향하려는 힘이 물기둥의 무게와 균형을 이룰 때까지 끌어올리기에

토양 안에 물이 과해도 좋지 않고 적당해야 함

 

친수성 기질은 거의 0에 가까운 접촉각을 보이기 때문에

얇은 막을 형성하는 것처럼 보입니다.

이와 반대로 소수성 기질은 구슬 형태로 나타납니다.

 

 

수직으로 세운 모세관 현상 모식도를 보시면

 

왼쪽 모식도는

상부 방향에 따라서 위쪽으로 올라가게 되는데

올라가는 방향이 물기둥의 무게와 같아질 때까지 상승합니다.

또한 모세관 현상이 잘 이루어졌기 때문에 접촉각이 거의 0에 가깝습니다.

 

오른쪽 모식도는

알짜힘이 아래 방향으로 향해서

올라갈 수 없는 물기둥이며 표면장력을 갖지 않는 물기둥입니다.

그렇기 때문에 적시지 못해서 넓은 각을 가지게 됩니다.

 

5. 높은 인장강도

인장강도

tensile strength

연속적인 물기둥이 끊어지지 않고 견딜 수 있는 단위 면적 당 최대의 힘

 

주사기를 눌러서 압축 시키면 양의 정수압이 생기는데

이때, 표면장력과 동일한 방향으로 작용하게 되고

피스톤 안쪽 기포는 위축되게 됩니다.

 

주사기를 당기게 되면 음의 정수압이 생기는데

음의 정수압이 커지면 표면장력의 힘 차이에 의해서

피스톤 안쪽 기포는 팽창하게 됩니다.

 

이런 경우는 식물에서 종종 발생하게 되는데

이를 공동화 현상이라고 합니다.

 

공동화 현상 : 식물의 물기둥은 뿌리에서부터 증산작용에 의해서 잎까지 도달할 때 높은 인장강도에 의해서 물기둥을 형성하면서 올라가게 되는데 음의 정수압이 커다란 장력을 견딜 수 없어서 물기둥이 끊어지기도 하는 현상

(세포벽 포스팅에서 말씀드렸던 유연 벽공, 단순 벽공들이 공동화 현상을 방지하는 역할을 함)

 

 

 

물은 세포 중량의 약 70%를 차지한다. 즉 대부분의 세포내 반응은 물속에서 일어난다.

 

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** 물분자(H2O)는 2개의 H원자가 공유결합에 의해 O원자에 연결되어 있다.

** 두 결합은 높은 극성을 갖는다.

(O원자는 전자를 강하게 끌어당기는 반면 H원자는 아주 약하게 전자를 끌어당기기 때문)

H원자 가까이에는 양전하가 우세하고, O원자 가까이에는 음전하가 우세한 전자들의 불균등한 분포가 발생한다.

 

** 물 분자의 양전하 부분이 또 다른 물 분자의 음전하 부분과 근접하게 되면, 두 분자 사이에는 수소결합(약한결합)이 형성된다.

물이 상온에서 기체가 아닌, 높은 비등점과 큰 표면장력을 가진 액체인 까닭은 물 분자를 서로 연결하고 있는 수소결합 때문이다.

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** 알코올처럼 극성결합을 하고 있어서 물과 수소결합을 형성할 수 있는 분자는 물에 쉽게 녹는다. 이와 같이 양전하 혹은 음전하와 같은 것을 갖고 있는 분자들의 특성을 친수성(물과 친하다)이라 한다.

> 당류, DNA, RNA 그리고 대부분의 단백질은 친수성이다.

친수성과 반대로 물에 잘 녹지 않는 특성을 소수성(물과 친하지 않다)이라 한다.

 

참고문헌>

Newton Highlight

Garland, 필수세포생물학