사진: Damir Mijailovic / Pexels
거의 다 녹이고, 열을 품고, 자석에 밀리고, 100m 나무 꼭대기까지 — 그 비밀은 분자 하나에 있다
물은 거의 모든 면에서 ‘예외’인 물질입니다. 그 비밀은 분자 하나에 있어요 — 산소와 수소가 104.5도로 꺾인 ‘쌍극자’ 모양이 약한 수소결합을 만들고, 이 결합 하나가 ‘거의 다 녹이고(용매), 열을 품고(비열), 표면을 팽팽하게 하고(표면장력), 자석에 밀리고(반자성), 100m 나무 꼭대기까지 오르는’ 다섯 가지 마법을 전부 만듭니다.
우리는 물을 너무 자주 봐서, 물이 얼마나 이상한 물질인지 잊고 삽니다. 그런데 물은 거의 모든 면에서 ‘예외’예요. 얼면 가벼워지고, 거의 다 녹이고, 좀처럼 데워지지 않고, 심지어 자석에 밀립니다. 오늘은 그 마법의 비밀을, 분자 하나에서부터 풀어볼게요.
먼저, 모든 마법의 ‘뿌리’를 봅시다
물(H₂O)은 그냥 산소 하나에 수소 둘이 붙은, 세상에서 제일 단순한 분자 중 하나예요. 그런데 왜 이렇게 특별할까요?
답은 ‘모양’에 있어요. 물 분자는 일직선이 아니라, 산소를 꼭짓점으로 수소 둘이 104.5°로 살짝 벌어진 ‘부메랑’ 모양이에요. 그런데 산소가 전자를 더 세게 잡아당기는 욕심쟁이라, 산소 쪽은 약한 음(−)전기, 수소 쪽은 약한 양(+)전기를 띱니다. 이렇게 한 분자 안에서 전기가 한쪽으로 치우친 걸 ‘쌍극자(雙極子)’라고 해요. 작은 자석 같은 거죠.
그러면 어떻게 될까요? 한 분자의 (−)산소가 옆 분자의 (+)수소를 끌어당겨 손을 잡습니다. 이게 그 유명한 수소결합이에요. 물 한 분자는 이 손을 최대 네 개까지 뻗을 수 있어요. 재미있는 건, 이 결합이 ‘약하다’는 거예요. 분자를 묶는 진짜 결합(공유결합)의 약 1/20밖에 안 되고, 상온에서는 약 1~2조 분의 1초마다 끊어졌다 다시 붙기를 반복합니다.[1]
“약한 결합이라서, 물은 ‘살아 있는 액체’가 되었습니다.”
만약 이 손아귀 힘이 조금만 더 셌다면 물은 유리처럼 굳어 버렸을 거고, 조금만 약했다면 상온에서 기체로 날아가 버렸을 거예요. 작은 분자치고 끓는점이 무려 100℃나 되는 것도 이 결합 덕분이에요(사촌뻘인 황화수소는 약 −60℃에서 끓어요). 자, 이 ‘쌍극자 + 약한 손잡기’가 앞으로 나올 다섯 가지 마법을 전부 설명합니다.
마법 1 · 거의 다 녹인다
소금을 물에 넣으면 사라지죠. 어디로 갔을까요? 물 분자의 (−)산소가 소금의 나트륨(+)을, (+)수소가 염소(−)를 각각 감싸 안아 결정에서 하나씩 떼어 냅니다. 물은 전기를 띤 것들을 떼어 놓는 능력(유전상수)이 약 80으로 어마어마하게 커서, 이온끼리 붙들던 힘을 80분의 1로 약화시켜요. 그래서 ‘만능 용매’라 불립니다.
단, ‘만능’은 살짝 과장이에요 — 기름·지방 같은 건 못 녹이거든요. 그런데 바로 이 ‘안 녹임’이 기름막(세포막)을 만들고, 단백질의 모양까지 잡아 줍니다. 못 녹이는 것도 능력인 셈이죠.
마법 2 · 열을 어마어마하게 품는다
한여름, 모래사장은 발이 데일 듯 뜨거운데 바닷물은 아직 시원하죠. 둘 다 똑같이 햇볕을 받았는데, 왜 그럴까요?
물은 데우기가 정말 어렵기 때문이에요. 같은 무게를 1도 올리는 데 드는 열(비열)이 구리의 약 11배나 됩니다(4,184 J/㎏·K).[2] 수많은 수소결합이 열을 잘게 나눠 삼켜 버리거든요. 그래서 바다는 낮의 열을 천천히 품었다 밤에 조금씩 내놓아요 — 지구의 거대한 에어컨인 셈이죠. 바닷가 도시가 내륙보다 온화한 이유예요.
증발할 때 빼앗아 가는 열(기화열)도 엄청나서(약 2,260 kJ/㎏), 우리 몸은 이걸 ‘냉각 장치’로 씁니다. 더우면 땀이 나죠? 그 땀이 증발하면서 몸의 열을 왕창 들고 달아나 체온을 지켜 줘요. 물 한 분자의 성질이, 곧 우리 체온계인 거예요.
마법 3 · 그 위를 ‘걷게’ 한다
연못 위를 소금쟁이가 미끄러지듯 걷는 걸 본 적 있나요? 물 표면의 분자들은 옆과 아래로만 손을 잡을 수 있어서 안쪽으로 서로 끌어당깁니다. 그 결과 표면이 마치 팽팽한 고무막처럼 변하는데, 이게 표면장력이에요. 소금쟁이는 이 막을 살짝 누르며 떠 있는 거죠. 물방울이 또르르 둥근 공 모양이 되는 것도 같은 이유예요 — 표면을 가장 적게 쓰려는 ‘게으름’의 결과랍니다.
마법 4 · 자석에 ‘밀린다’
물은 자석에 끌릴까요, 밀릴까요, 아무 반응이 없을까요?
정답은 ‘밀린다’예요. 좀 의외죠? 물은 자기장과 반대 방향으로 약하게 밀려나는 반자성 물질이거든요. 평소엔 너무 약해서 못 느끼지만, 충분히 센 자석을 쓰면 이야기가 달라집니다. 1997년 과학자들은 약 16테슬라의 강력한 자석으로 물방울을, 나아가 살아 있는 개구리까지 공중에 둥실 띄웠어요.[3] 개구리 몸도 대부분 물이니까요.
이 ‘떠오른 개구리’ 실험은 그해의 연구로 이그노벨상(2000)을 받았고, 실험을 이끈 안드레 가임은 훗날 그래핀 연구로 노벨물리학상(2010)까지 받았어요. 같은 사람이 ‘웃긴 상’과 ‘최고의 상’을 다 받은 거죠.[3]
“모든 생물은 결국 물이다 — 그 사실이, 떠오른 개구리로 증명되었습니다.”
마법 5 · 100m 나무 꼭대기까지 오른다
아무리 좋은 펌프로 빨아올려도 물은 이론상 약 10m까지밖에 못 올라갑니다(대기압의 한계; 실제로는 마찰 등으로 더 낮아요). 그런데 세쿼이아는 키가 100m가 넘어요. 꼭대기 잎까지 물은 어떻게 갈까요?
비밀은 ‘아래에서 미는 펌프’가 아니라 ‘위에서 당기는 증발’이에요. 잎 끝에서 물이 증발하면(증산), 그 자리에 빈틈이 생기면서 물기둥 전체를 위로 잡아당기는 힘이 생깁니다. 이때 물 분자끼리의 수소결합(응집력)이 물기둥을 한 줄로 끊기지 않게 붙들어 줘요. 그래서 뿌리부터 꼭대기까지 물이 ‘한 가닥 실’처럼 끌려 올라갑니다. 이걸 응집-장력설이라고 해요.[4]
꼭대기 잎이 물을 당기는 힘은 무려 마이너스 압력(약 −1.5 MPa)에 이릅니다. 이론상 이 방식으로 올릴 수 있는 최대 높이는 약 122~130m로 추정되는데, 실제 지구에서 가장 큰 나무 ‘하이페리온’이 115.55m(2006년 최초 공인 측정)예요.[5] 물의 응집력이, 곧 나무가 자랄 수 있는 키의 한계를 정하는 셈이죠.
마치며 · 이 모든 마법은, 지금 당신 몸속에서도
지금까지의 마법은 멀리 있는 이야기가 아니에요. 우리 몸 안에서 물은 영양소를 녹여 나르고(마법 1), 체온을 지키고(마법 2), 세포를 팽팽하게 채우고, 단백질이 제 모양을 잡도록 돕습니다. 분자를 잇고 끊는 화학 반응(소화)도 물이 끼었다 빠졌다 하며 일어나죠. 우리는 그저 물을 ‘마시는’ 게 아니라, 물이라는 마법으로 ‘만들어진’ 존재예요.
그런데 물의 마법은 여기서 끝이 아닙니다. 다음 편에서는 가장 유명한 마법 — ‘얼음이 물에 뜨는’ 이상한 일을 들여다볼게요. 왜 호수는 위에서부터 얼까요? 그리고 그 덕분에 누가 겨울을 살아남을까요?
자주 묻는 질문 (FAQ)
Q. 물이 ‘특별한 물질’인 진짜 이유가 뭔가요?
A. 분자 모양 때문이에요. 산소·수소가 104.5도로 꺾여 한쪽으로 전기가 치우친 ‘쌍극자’가 되고, 이웃 분자끼리 ‘수소결합’으로 손을 잡습니다. 이 약한 결합 하나가 물의 거의 모든 특이한 성질(용해·비열·표면장력 등)을 만듭니다.
Q. 왜 바닷가가 내륙보다 덜 덥고 덜 추운가요?
A. 물의 비열이 매우 크기 때문이에요. 같은 무게를 1도 올리는 데 드는 열이 구리의 약 11배라, 바다는 낮의 열을 천천히 품었다 밤에 조금씩 내놓습니다. 바다가 ‘지구의 거대한 에어컨’ 역할을 하는 거죠.
Q. 100m가 넘는 나무는 어떻게 꼭대기까지 물을 올리나요?
A. 펌프로 미는 게 아니라, 잎에서 물이 증발하며 위에서 당기는 힘(증산)으로 끌어올립니다. 물 분자끼리의 수소결합(응집력)이 물기둥을 끊기지 않게 붙들어 줘서 가능해요(응집-장력설). 이 방식의 이론적 한계 높이가 곧 나무 키의 한계입니다.
결론 — 우리는 물로 ‘만들어진’ 존재
물의 다섯 가지 마법은 모두 분자 하나의 ‘쌍극자 + 약한 수소결합’에서 나옵니다. 그리고 그 마법은 지금 당신 몸속에서도 작동하고 있죠. 다음 편 「4도의 비밀」에서는, 그 마법 중 가장 유명한 ‘얼음이 뜨는’ 변칙이 어떻게 지구의 생명을 구했는지 만나요.
▶ 함께 읽기
– [물의 경이 ②] 4도의 비밀 — 호수가 ‘거꾸로’ 어는 이유
– [물의 경이 ③] 우주에서 온 물 — 별의 유언이 된 한 모금
– [물이야기] 시리즈 — 물의 자원·위기·정의(짝 시리즈)
참고 자료
– [1] Chaplin, M. — Water’s Hydrogen Bond Strength (수소결합 세기·동역학), arXiv:0706.1355
– [2] USGS Water Science School — Specific Heat Capacity and Water (물의 비열)
– [3] Berry, M. V. & Geim, A. K. — Of Flying Frogs and Levitrons, European Journal of Physics 18 (1997); 가임 이그노벨상(2000)·노벨물리학상(2010)
– [4] Water ascent in trees: cohesion-tension theory revisited (응집-장력설), PMC
– [5] Koch, G. W. et al. — The limit to tree height, Nature 428 (2004)
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