물의 특성-2탄

물이 얼면 액체일 때보다 밀도가 낮아진다

물이 얼면 액체일 때보다 밀도가 낮아지는데 물의 수소결합은 액체 상태 일 때보다 얼었을 때 매우 안정하며 각각의 물분자는 주위에 네 개의 물분자와 결합하여 삼차원적 결정 구조를 이룬다.
물분자가 널찍한 간격으로 고정되어 있는 얼음 결정의 구조와 빽빽한 간격으로 배열되어 있는 액체 상태의 물의 구조를 비교할 수 있다. 동일한 부피의 물보다 동일한 부피의 얼음에는 물준자 수가 더 적기 때문에 얼음은 액체인 물보다 밀도가 낮다.
그래서 얼음 조각은 연못이나 호수의 바닥으로 가라앉지 않고 뜨는 것이다.
이러한 물의 독특한 특성으로 인해 생명이 살아갈 수 있는 것이다. 만약 얼음이 가라앉는다면 연못이나 호수가 녹을 수 있는 기회는 좀처럼 없을 것이며 심지어 바다도 얼어서 고체 상태로 존재할지 모른다.

 

물은 다양한 용질을 녹일 수 있는 용매이다

물은 다양한 용질을 녹이는 용매로 사용된다. 용액이란 두가지 이상의 물질이 균일하게 섞여 있는 혼합물로 구성된 액체이다.
녹이는 물질을 용매, 녹는 물질을 용질이라 한다. 물이 용매일 때 이용액을 수용액이라 한다. 물은 모든 세포와 혈액, 실물 즙의 용매이며, 생명현상에 필수적인 매우 다양한 종류의 용질을 녹일 수 있다
다양한 용질을 녹일 수 있는 물의 특성은 물분자의 극성에 기인한다. 물에 소금이 어떻게 녹는지를 설명해준다. 결정체 표면의 나트륨이온과 염소이온은 물분자의 각기 다른 부분에 대해 친화성을 갖고 있다. 나트륨의 양이온은 물분자의 전기적 음성 부위에 끌리게 되며 염소의 음이온은 물분자의 전기적 양성 부위에 끌리게 된다 
결과적으로 물분자가 나트륨이온과 염소이온을 둘러싸서 분리시킴으로써 소금 결정을 녹이는 것이다.

 

 

생명현상에 관계된 화학반응은 산과 염기에 민감하다

생명체 내부에 있는 수용액 상태인 물분자는 대부분 분자 상태로 존재한다 그러나 실제로 일부 물분자는 이온으로 분리되어 수소이온과 수산화이온으로 존재한다. 
생명체 내의 화학적 대사가 적절하게 그 기능을 유지하기 위해서 수소이온과 수산화이온과 같은 이온이 정확하게 균형을 이루어야 한다.
용액 내에 수소이온을 제공하는 화합물을 산이라 한다. 강한 산의 한 예로 우리 위 속에 있는 염산을 들 수 있다. 용액 내에서 염산은 수소이온과 염소이온으로 완전히 분해된다. 용액의 산성도가 높을수록 수소이온의 농도가 높다
수소이온과 겨랍하는 화합물을 염기라 하는데 이는 용액에서 수소이온의 농도를 낮춘다. 수산화나트륨과 같은 염기는 수산화이온을 제공함으로써 이와 같은 일을 한다. 수산화이온과 수소이온이 합쳐져서 물분자를 형성한다.
용액의 염기성(알칼리성)이 강해질수록 수소이온의 농도가 낮아지고 수산화이온의 농도가 높아진다.
용액의 산성도를 표시하는 데에는 포텐셜하이드로젠을 사용한다. 포텐셜 하이드로젠의 척도는 0(가장산성)~14(가장 염기성)까지이며 한 단위는 수소이온의 농도 10배 차이를 의미한다.
순수한 물이나 산성도 염기성도 아닌 수용액을 중성이라 한다 약간의 수소이온과 수산화이온을 포함하고 있지만 두 이온의 농도는 동일하다. 
대부분 살아 있는 세포는 그 내부의 포텐셜하이드로젠이 7에 가깝다. 세포 내부의 분자들이 수소이온과 수산화이온에 매우 민감하기 때문에약간의 변화도 매우 위험하다.
그러나 생물체를 구성하고 있는 용액은 수소이온이 과다할 때는 제거하고 부족할 때는 수소이온을 제공함으로써 변화에 대응하는 완충제의 기능이 있다.
완충제는 어느 정도의 포텐셜하이드로젠의 변화를 조절할 수 있지만 지나치게 변화가 큰 경우는 완충작용이 어렵다.

 

산성비에 의해 환경이 위협받고 있다

지난 25년 동안 북아메리카, 유럽, 아시아 등지에 있는 수천개의 호수가 비 또는 눈 같은 산성강수에 의해 오염되었고, 도시에서는 공기 중에 있는 산성성분이 건물의 표면을 부식시키며 스모그의 원인이 되고 있다.
산성비의 주 원인은 황이나 질소가 산소와 결합하여 공해물질인 산화황과 산화질소가 공기 중에 형성되는 것으로, 이 산화물들은 공기중의 수증기와 반응하여 황산과 질산을 형성하고 이들이 비나 눈에 녹아 지표로 떨어진다. 그 결과 식초보다 더 강한 산성인 pH2와 pH인 비가 내린 적도 있으며 로스앤젤레스에서는 사람의 위에 있는 소화액의  pH에 가까운 pH1.7의 안개가 끼었다고 보고된 적도 있다.
황과 질소의 산화물은 대부분 공장이나 자동차에서 연료(석탄, 석유, 가스)가 연소될 때 생긴다.
특히 화력발전소가 이러한 공해물질을 많이 방출하며 바람이 공해물질을 멀리까지 보내기 때문에 산성비는 공장지역에서 수천마일 떨어진 곳에도 내릴 수 있다.
봄철에는 눈이 녹기 때문에 호수와 개천의 산성화가 더욱 심해진다. 쌓였던 눈이 녹으면서 흘러내리기 시작하면 겨울 내내 눈으로 축적되어 있던 산성 물이 호수나 개천에 동시에 방출된다.
초기에 눈이 녹아서 생긴 물은 종종  pH가 3에 달한다. 이때쭘이면 물고기나 다른 수중생물이 알이나 새끼를 낳게 되는데 이들은 산성에 대단히 민감하며 특히 강한 산에 의해 생명체 내의 분자가 파괴될 수 있고, 또 분자가 분해되지 않았다 해도 아주 낮은  pH에서는 생명에 필수적인 화학반응을 할 수 없다

산성비가 호수나 강에 해를 입히는것은 확실하지 않아 그 영향으로 숲이나 육상생물도 해를 입게 되는지에 대해서는 아직 논쟁의 여지가 있다.
그러나 산성의 안개나 산성비로 숲이 최소한 간접적으로는 해를 입을 수 있다. 즉 토양이 산성으로 변하여 무기물의 평형이 깨지고 저온에 견디는 힘이 약해지는 등 일반적으로 숲 속의 나무들이 견디는 힘이 약해진다.
그러나 지난 10여년간 연구한 결과 북미 숲의 대부분은 실질적으로 산성비로 손상을 입지 않았으나 도시에서는 공기가 산성화됨으로 인해 건물벽의 조각상 표면이 손상되고 공기의 산성화로 안개현상이 생기는 등 피해가 나타났다.
그러나 아직은 의문점은 많이 남아 있으며 산성비가 장기간 계속될 경우 식물과 토양에 끼치는 영향에 대해서는 아무런 확신이 없다. 공기의 산성화가 사람을 포함하여 육식동물에게 끼치는 영향도 아직 모른다 
가장 큰 문제는 더 이상의 손상을 막기 위해 화석연료의 발산을 얼마나 줄여야 하는지를 모른다는 것이다.
다른 환경문제들 처럼 산성비의 경우도 쉬운 해결책은 없다 
화석연료 사용을 규제하는 법률 등을 통해 이 문제를 해결하려는 장기간의 노력이 필요하다. 그러나 중요한 것은 에너지 자원의 보존이다 만약 우리 모두가 전기와 가솔린 엔진이 장착된 자동차의 사용을 줄이지 않는다면 우리는 계속해서 산성비의 원인을 제공하게 될 것이며 환경을 위협하게 될 것이다.