1. 물 (내용 정리)

[류명한]

1. 물

[1] 물의 성질

(1) 물의 구성 물질

① 물의 전기 분해 : 물을 전기 분해하면 (－)극에서는 수소 기체가, (＋)극에서는 산소 기체가 2 : 1의 부피비로 발생한다.

2H₂O(l) → 2H₂(g)＋O₂(g)

․물에 전류를 흐르게 하기 위해 전해질을 넣어 준다.

․A에 모인 기체에 성냥불을 대어 보면 ꡐ펑ꡑ하는 소리가 난다.

․B에 모인 기체에 꺼져 가는 성냥 불씨를 넣어 보면 불이 다시

붙는다.

* 순수한 물은 전류가 흐르지 않으므로, 수산화나트륨은 증류수에 전류가 흐르게 하기 위해서 전해질로 넣었다. (물을 전기 분해하기 위해서 넣을 수 있는 전해질은 황산, 황산나트륨, 수산화나트륨 등이다. - 염화나트륨, 황산구리 등은 넣어선 안됨)

② 수소의 성질

㉠ 모든 기체 중에서 가장 가벼운 기체로 색깔과 냄새가 없으며 잘 타는 성질이 있다.

㉡ 금속(이온화경향이 수소보다 큰)을 산과 반응시켜서 얻는다.

㉢ 연소할 때 많은 열이 발생하고 오염 물질을 배출하지 않는다.

㉣ 폭발의 위험성이 크고 저장과 운반이 어려워 널리 사용되지 못하고 있다.

③ 산소의 성질

㉠ 물질의 연소와 생물의 호흡에 필요한 기체이다.

㉡ 반응성이 매우 커서 대부분의 원소와 반응하여 산화물을 만든다.

(2) 물의 분자 구조와 수소 결합

① 물 분자의 구조 : 수소 원자 2개와 산소 원자 1개가 공유 결합에 의하여 결합하여 굽은형(104.5°) 구조를 이룬다.

② 물분자의 극성 : 산소 원자는 수소 원자보다 전자를 끌어당기는 힘(전기 음성도)이 더 크므로 공유 전자쌍은 산소 원자 쪽으로 치우치게 되어 산소 원자는 부분적으로 (－)전하를, 수소 원자는 부분적으로 (＋)전하를 띠게 된다. 이와 같이 부분적으로 전하를 띠는 분자를 극성 분자라고 한다.

③ 수소 결합 : 전기 음성도가 큰 F, O, N 원자와 공유 결합을 하고 있는 H원자가 다른 분자의 F, O, N 원자에 끌리어 이루어지는 분자간의 강한 인력

㉠ 수소 결합은 다른 분자 사이에 작용하는 인력보다 매우 강하다.

㉡ HF, H₂O, NH₃, C₂H₅OH, CH₃COOH

㉢ 이합체 : 수소 결합을 하는 물질 중 아세트산이나 플루오르화수소와 같이 두 분자가 수소 결합을 이루어 한 분자처럼 행동하는 것

(3) 수소 결합으로 인한 물의 특성

① 물의 녹는점과 끓는점

㉠ 분자 사이의 인력을 끊기 위해서는 에너지가 필요하므로 분자 사이의 인력이 강할수록 녹는점과 끓는점은 높아진다.

㉡ 물은 수소 결합에 의해 분자 사이의 인력이 매우 강하므로 분자량이 비슷한 다른 물질에 비해 녹는점과 끓는점이 높고, 융해열과 기화열이 크다.

② 물의 비열

㉠ 비열 : 물질 1g의 온도를 1℃ 높이는 데 필요한 열량으로 비열이 클수록 온도 변화가 작다.

㉡ 물은 다른 액체에 비해 비열이 크다. (물에 열을 가할 때 수소 결합이 조금씩 끊어지면서 열을 저장할 수 있기 때문)

㉢ 물의 비열이 크기 때문에 나타나는 현상

․바닷가에서 낮에는 해풍이, 밤에는 육풍이 분다.

․해양성 기후는 대륙성 기후보다 연교차가 작다.

․지구는 다른 행성에 비해 표면의 기온 차이가 작다.

․외부 기온이 급격하게 변화되어도 생물의 체온은 일정하게 유지된다.

③ 물의 표면 장력

㉠ 액체 표면에 있는 분자는 위쪽 방향으로는 인력이 작용하지 않기 때문에 아래쪽으로 끌어당겨진다. 따라서 액체는 표면에 있는 분자 수를 적게 하여 표면적을 줄이려는 성질을 갖게 되는데 이러한 성질을 표면 장력이라고 한다.

㉡ 분자간의 인력이 클수록 표면 장력이 커진다.

㉢ 물은 수소 결합을 하고 있어서 분자간 인력이 크므로 다른 액체에 비해 표면 장력이 크다.

㉣ 표면 장력으로 설명되는 물의 성질

․소금쟁이가 물 위에 떠 있다.

․풀잎에 맺힌 물방울이 둥근 모양이다.

  ․물 표면과 나란하게 돌멩이를 던지면 수면 위로 돌이 통통 튀어나간다.

④ 얼음과 물의 밀도

㉠ 물이 얼 때에는 모든 물 분자들 사이에 수소 결합(얼음은 4개, 물은 평균 3.4개))이 형성되어 육각형의 구조를 이루므로 빈 공간이 많아져 부피는 증가하고 밀도는 작아진다.

㉡ 물은 4℃에서 부피가 가장 작고 밀도가 가장 크다.

㉢ 물과 얼음의 밀도 차로 인해 생기는 현상

․빙하가 바닷물 위에 떠 있다.

․겨울철에 호수나 강의 물은 표면부터 언다.

․겨울철 유리병에 보관한 물이 얼면 병이 깨진다.

* 0～4℃ 사이에서는 수소 결합이 깨지는 것의 영향을 더 많이 받기 때문에 물의 부피가 점점 감소한다. 하지만 4℃ 이상에서는 분자 운동의 영향을 더 많이 받기 때문에 물의 부피가 점점 증가하게 된다.

(4) 물의 용해성(극성으로 인한 물의 특성)

① 물은 극성 용매이므로 이온성 물질이나 극성 물질을 잘 녹인다.

② 대전체에 끌리고 전기장에서 일정한 방향으로 배열된다.

③ 극성으로 설명되는 물의 성질

․세탁할 때 물을 사용한다.

․공기 중에 있는 오염 물질을 씻어 내려 환경을 깨끗하게 보존하는 역할을 한다.

․생물이 필요로 하는 여러 가지 이온을 섭취하거나 흡수할 때 좋은 용매로 작용한다.

(5) 물의 특성과 생명의 유지

① 끓는점이 높다 : 휘발성이 작아 생명체가 일정량의 수분을 유지토록 한다.

② 비열이 크다 : 외부 온도에 의해 쉽게 영향을 받지 않아 일정한 체온을 유지

③ 용해성이 크다 : 생명체의 영양 흡수와 독성 물질을 용해시켜 체외로 배출함

④ 얼 때 부피가 증가한다 : 지구의 과도한 냉각을 방지(얼음의 밀도가 물보다 작으므로 표면이 얼면 보온 덮게 구실을 함)

[2] 수용액에서의 반응

(1) 물질의 용해

① 용해 : 한 물질이 다른 물질에 녹아 균일하게 섞이는 현상

② 용매(녹이는 물질)＋용질(녹는 물질) → 용액

③ 구조나 성질이 비슷한 물질은 서로 잘 섞인다.

④ 극성 물질은 극성 용매에, 무극성 물질은 무극성 용매에 잘 녹는다.

㉠ 용질-용매간 인력이 용질 분자들 사이의 인력이나 용매 분자들 사이의 인력보다 강해야 한다.

㉡ 용매 분자와 용질 분자 사이의 인력이 비슷한 경우에는 용해 과정에 에너지의 변화가 거의 없으나 용해 과정이 무질서도를 증가시키므로 용해가 잘 된다.

(2) 앙금 생성 반응

① 염 : 산의 음이온과 염기의 양이온이 정전기적 인력으로 결합한 물질로 대부분 물에 잘 녹는다.

㉠ 물에 잘 녹는 염 : Na^＋, K^＋, NH₄^＋, NO₃^－을 포함하는 염

㉡ 물에 잘 녹지 않는 염 : Ca^2＋, Ba^2＋, Ag^＋, SO₄^2－, CO₃^2－을 포함하는 일부 염

② 앙금 생성 반응 : 수용액 중의 이온들이 반응하여 물에 녹지 않는 염을 생성하는 반응

NaCl(aq)＋AgNO₃(aq) → NaNO₃(aq)＋AgCl(s)

③ 알짜 이온 반응식  : 화학 반응에서 반응에 실제로 참여하는 이온만으로 나타낸 반응식

㉠ 알짜 이온 : 반응에 실제로 참여한 이온

㉡ 구경꾼 이온: 반응에 참여하지 않은 이온

ex) CaCl₂＋Na₂CO₃ → 2NaCl＋CaCO₃

    알짜 이온 반응식 : Ca^2＋＋CO₃^2－ → CaCO₃

④ 이온의 검출 : 앙금 생성 반응을 이용하여 용액 중에 녹아 있는 이온을 검출할 수 있다.

㉠ 염화 이온(Cl^－)의 검출 

   Ag^＋＋Cl^－ → AgCl↓(흰색)

㉡ 탄산 이온(CO₃^2－)의 검출

   2Ag^＋＋CO₃^2－ → Ag₂CO₃↓(흰색)

   Ca^2＋＋CO₃^2－ → CaCO₃↓(흰색)

   Ba^2＋＋CO₃^2－ → BaCO₃↓(흰색)

㉢ 황산 이온(SO₄^2－)의 검출

   2Ag^＋＋SO₄^2－ → Ag₂SO₄↓(흰색)

   Ca^2＋＋SO₄^2－ → CaSO₄↓(흰색)

     Ba^2＋＋SO₄^2－ → BaSO₄↓(흰색)

(3) 산과 염기의 반응

① 중화 반응

㉠ 산＋염기 → 염＋물

㉡ 산의 수소 이온(H^＋)과 염기의 수산화 이온(OH^－)이 1 : 1로 반응하여 물을 생성하는 반응

② 중화점의 확인

㉠ 지시약을 이용하는 방법 : 용액의 액성이 달라지면 지시약의 색깔이 변하므로 중화점에서 지시약의 색깔이 변한다.

㉡ 혼합 용액의 온도를 측정하는 방법 : 중화 반응에서 발생하는 중화열에 의해 용액의 온도가 올라가므로 중화점에서 온도가 가장 높다.

* 중화점을 넘어가게 되면 더 이상 반응이 일어나지 않아 발생하는 열은 없고 실온의 수용액이 가해지는 것이므로 온도가 다시 낮아진다.

㉢ 전기 전도도를 측정하는 방법 : 중화 반응에 의해 이온의 수나 농도가 변하므로 중화점에서 전류의 세기가 가장 약하다.

* 이온의 수는 일정한데 용액의 부피가 증가(중화 반응으로 물이 생성)하기 때문에 상대적으로 전해질로 작용하는 이온의 농도가 작아져 전류의 세기는 점점 약해지게 된다.

③ 중화 반응의 예

㉠ 생선의 비린내는 레몬즙을 뿌려 없앤다.

㉡ 벌에 쏘였을 때 암모니아수를 바른다.

㉢ 김치가 시어졌을 때 소다를 약간 넣어준다.

㉣ 산성화된 토양에 석회석을 뿌려준다.

㉤ 비누로 머리를 감아 머리가 뻣뻣할 때에는 식초물에 헹군다.

㉥ 위액이 과다하게 분비되면 제산제를 먹어 위산을 중화한다.

(4) 화학 반응식

① 화학 반응식 : 화학 반응을 화학식과 기호를 사용하여 나타낸 식

㉠ 반응 물질의 화학식을 왼쪽에, 생성 물질의 화학식을 오른쪽에 쓰고 화살표(→)로 연결한다.

㉡ 반응 물질에 있는 원자수와 생성 물질에 있는 원자수가 같아지도록 화학식 앞에 계수를 붙인다. 이 때 계수는 가장 간단한 정수로 나타낸다.

㉢ 각 물질의 상태를 나타낸다.

ex) C₃H₈(g)＋ 5O₂(g) → 3CO₂(g)＋ 4H₂O(l)

     C₂H₅OH(l)＋ 3O₂(g) → 2CO₂(g)＋ 3H₂O(l)

② 화학 반응식의 의미 : 반응에 참여하는 물질의 분자수의 비와, 기체인 경우 부피의 비를 알 수 있다.

ex) N₂(g)＋ 3H₂(g) →  2NH₃(g) (계수비＝분자수비＝부피비(기체))

[3] 물과 우리 생활

(1) 물의 정수와 소독

① 물의 정수 과정

㉠ 취수탑 : 상수원으로부터 취수 펌프로 물을 끌어들인다.

㉡ 침사지 : 물 속의 흙이나 모래 등을 가라앉힌다.

㉢ 약품 투입실 : 미세한 부유 물질을 가라앉히기 위해 백반이나 수산화칼슘을 넣는다.

㉣ 침전지 : 응집된 물질을 가라앉힌다.

㉤ 여과지 : 침전지에서 가라앉지 않는 아주 작은 불순물까지도 모래와 자갈 또는 숯을 이용하여 제거한다.

㉥ 염소 살균실 : 염소 기체를 투입하여 물 속의 미생물을 제거한다.

㉦ 배수지 : 물의 양을 조절하여 각 가정으로 공급한다.

② 물의 소독

㉠ 염소 소독법

․염소 기체가 물에 녹을 때 생성되는 하이포아염소산이 살균 및 소독 작용을 한다.

   Cl₂＋H₂O → HCl＋HClO

   HClO → HCl＋[O]

․염소는 물에 오래 잔류하기 때문에 지속적으로 세균을 죽이는 효과가 있다.

․염소가 물 속의 유기물과 반응하여 발암 물질인 트리염화메탄(CHCl₃)이 생길 위험성이 있다.

㉡ 오존 살균 처리법

․오존은 강한 산화력을 가지고 있으므로 소량으로도 강력한 소독 작용을 하여 미생물의 제거 효과가 매우 우수하다.

․오존은 물에 오래 잔류하지 않기 때문에 세균에 다시 오염될 가능성이 있다.

㉢ 자외선 살균 처리법

․파장이 400nm보다 짧은 자외선의 큰 에너지를 이용하여 미생물의 세포벽을 손상시킴으로써 물을 소독하는 방법이다.

③ 하수 처리 과정

㉠ 침사지 : 흙, 모래, 각종 찌꺼기를 거른다.

㉡ 1차 침전지 : 비중이 작은 부유성 물질을 가라앉힌다.

㉢ 폭기조 : 하수에 공기를 불어넣어 호기성 미생물이 유기물을 분해하도록 한다.

㉣ 최종 침전지 : 유기물 덩어리를 가라앉힌다.

㉤ 염소 소독실 : 염소 기체를 투입하여 미생물을 죽인 후 방류한다.

㉥ 물리적 처리→생물학적 처리→화학적 처리

(2) 센물과 단물

① 센물

㉠ Ca^2＋이나 Mg^2＋이 비교적 많이 녹아 있는 물로, 비누 거품이 잘 생기지 않는다.

㉡ 센물에 녹아 있는 Ca^2＋과 Mg^2＋ 등은 물맛을 좋게 하기도 하고, 뼈나 이를 튼튼하게 하는 데 도움이 될 수도 있다.

② 단물 : Ca^2＋이나 Mg^2＋이 비교적 적게 포함된 물로, 비누가 잘 풀린다.

③ 일시적 센물과 영구적 센물

㉠ 일시적 센물 : Ca^2＋이나 Mg^2＋이 탄산수소염의 형태로 존재하므로 물을 끓이면 탄산염의 앙금이 가라앉아 단물로 된다.

   Ca(HCO₃)₂ → CaCO₃↓＋H₂O＋CO₂↑

   Mg(HCO₃)₂ → MgCO₃↓＋H₂O＋CO₂↑

㉡ 영구적 센물 : Ca^2＋이나 Mg^2＋이 염화물이나 황산염의 형태로 존재하므로 끓여도 단물로 바뀌지 않는다. Na₂CO₃을 넣거나 이온 교환 수지에 통과시켜 단물로 만든다.

   CaCl₂＋Na₂CO₃ → CaCO₃↓＋2NaCl

   MgSO₄＋Na₂CO₃ → MgCO₃↓＋Na₂SO₄

  

④ 관석 : 보일러에 센물을 사용하면 탄산칼슘이 관의 내벽에 쌓여서 관석 형성

㉠ Ca^2＋＋2HCO₃^－ → CaCO₃↓＋H₂O＋CO₂

㉡ 관석의 제거

   CaCO₃＋2H^＋ → Ca^2＋＋H₂O＋CO₂

(3) 수질 오염

① 수질 오염의 원인

㉠ 생활 하수 : 수질 오염원 중 가장 큰 비중을 차지하며, 유기물이 많이 포함되어 있어 물의 부영양화를 초래하고 바다의 적조 현상이 나타나는 원인이 된다.

㉡ 산업 폐수 : 생활 하수보다 오염 물질의 농도가 높고 중금속 등 여러 가지 유해 물질이 많다.

㉢ 축산 폐수 : 전체적인 양은 많지 않으나 동물의 배설물 등 유기물이 많이 포함되어 있으므로 수질 오염에 큰 영향을 미친다.

② 수질 오염 측정

㉠ 용존 산소량(DO) : 물 속에 녹아 있는 산소의 양으로 DO가 클수록 깨끗한 물이다.

㉡ 생물학적 산소 요구량(BOD) : 유기물이 미생물에 의해 분해될 때 소비되는 산소의 양으로 물의 오염이 심할수록 BOD는 커진다.

㉢ 화학적 산소 요구량(COD) : 유기물이 산화제에 의해 산화될 때 소비되는 산소의 양으로 오염이 심할수록 COD는 커진다.

③ 수질 오염의 형태

㉠ 부영양화 : 오염원이 유입되어 하천에 인산염, 질산염 등의 무기 염류가 증가하는 현상으로, 조류와 식물성 플랑크톤이 번식하여 물 속의 산소를 모두 소모하므로 수중 생물이 죽게 된다.

㉡ 적조 현상 : 부영양화된 물이 높은 수온의 바닷물과 만나면 붉은색을 띠는 조류가 급격히 증가하여 바닷물이 붉게 보이는 현상으로, 물 속의 산소가 부족하게 되어 물고기의 집단 폐사가 일어난다.

④ 수질 오염의 대책

㉠ 자정 작용 : 하천에 유입된 오염 물질이 침전되거나 희석되고, 호기성 세균에 의해 분해되어 물이 다시 깨끗해지는 현상

․물 속의 미생물 : 산소를 이용하여 유기물을 이산화탄소와 물로 분해시킨다.

․수중식물의 광합성 : 산소를 생성하여 용존 산소량을 증가시킨다.

․물의 유동 : 공기와의 접촉 면적이 증가하므로 용존 산소량이 증가한다.

⑤ 수질 오염 방지 대책

㉠ 음식물 쓰레기의 배출을 줄여 물의 부영양화를 막아야 한다.

㉡ 합성 세제를 되도록 적게 사용한다.

㉢ 중금속이 들어 있는 형광등이나 전지 등은 분리 수거하여 처리한다.

㉣ 공장이나 산업 시설에서는 폐수의 배출을 줄이고 배출되는 폐수는 정화 후 방류한다.

㉤ 국가에서는 폐수 처리 시설을 확충하고, 수질 오염을 감시하는 체계와 오염 물질의 배출을 억제할 법령을 정비한다.