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이 세상에서 물만큼 흔한 것도 없다. 물은 어느 곳에나 있으며 생물은 물 없이는 생명체를 지탱하지 못한다.

바다, 강, 호수, 그리고 빙산의 형태로 지구표면의 약4분의 3을 덮고 있고 또한 지구내부에도 흙이나 암석에 스며들어 있거나 지하수의 상태로, 그리고 대기중에는 수증기로 또는 구름으로 존재한다.
 

고대 그리스의 철학자 '탈레스'(Thales, BC 640~546)는 지구는 반구안의 물속에 떠있는 원반이며 그 반구는 끝없이 넓은 수면위에 놓여 있다고 생각하였다. 그리고 물은 우주의 근본물질로서 그것으로 부터 생성되고 마침내는 그것으로 돌아간다고 믿었다. 그리하여 일컬어 "물은 최상이다"라고까지 물의 신비에 대해 표현했다.
 

'아리스토텔레스'(Aristoteles, BC 384-322)도 또한 "물은 모든 것의 근원이며 언제나 물질의 첫번째 원인이다"라고 한것도 모든 음식물과 씨앗이 수분을 갖고 있다고 한 탈레스의 인식과 같이하며 이러한 생각은 물이 어디에서나 존재한다는 사실에서 비롯한 것이었다.
 

물은 지구가 태초에 탄생할때부터 존재하였고 수증기가 응축하여 바다를 이루며 이곳에서 생명의 싹이 텄을 것이라고 과학자들은 믿고 있다.

물은 생명을 지탱하여 온것이 사실이며 극히 단순한 생명체도 산소없이는 살수있어도 물없이는 살아갈 수가 없다.
 

물은 인류에게 위대한 문명을 가져다 주었다. 현재도 물을 사용하지 않는 사업은 없다. 그러나 물은 자연의 한 요소로서 인류와 생명체의 필요불가결의 것이나 홍수를 이루며 큰 재앙을 가져오기도 한다.
 

수십억년 동안 지구는 외관을 변화시켜왔다. 빙하가 이동하며 지표를 깎고, 광대한 땅을 움푹파내고 호수를 만들었다. 또 강의 흐름을 바꾸고 놀랄만한 양의 토사와 암석을 멀리까지 운반하여 새로운 지형을 끊임없이 이루어왔다.
 

물은 참으로 변덕스럽게 인류에게 작용하여 왔다. 생명의 근원이며 농작물을 기르는 문명을 이루는 반면에 큰 힘으로 생활을 파괴하고 자연을 변화시키며 또한 물을 통하여 질병을 전염시키기도 한다.
 

물은 너무 흔하게 그리고 늘 가까이 존재하므로 그 필요불가피성을 잊고 있어, 앞으로 인류의 생존과 번영을 위하여 잘 알고 현명하게 다루어져야 할 것이다.
 

위대한 수리학자 '피터 브리그스'(Peter Brigs)는 그의 저서 '물-생명의 기원'에서 "물을 학대하는 자는 자기 자신을 위험에 노출시키게 된다"라고 피력했다.

물의 신비한 성질
 

물은 무미·무취·무색의 물질로서 별로 아무런 색다른 것이 없는 성질을 가진 것처럼 느껴지는 물질이다. 그러나 이것은 우리가 늘 일상생활중에 접하고 있어 '흔히' 또는 '보통'으로 느끼고 있기 때문이며, 물은 참으로 유별나고 독특한 성질을 가진 물질이다.
 

화학적으로는 매우 안정된 화합물이고 훌륭한 용매이며 화학에너지의 강력한 원천이다.
 

다른 대부분의 물질은 얼어 고체가 되면 수축하나 물은 고체가 되면 팽창하여 가벼운 물체가 되어 무거운 액체위에 뜨게된다. 물은 보통의 물질에 비하여 열을 많이 흡수하기도 하고 방출하기도 하는 희한한 물질이다.
 

물은 구조에서도 색다른 점을 나타낸다. 수소원자 2개와 산소원자 1개의 결합으로 이루어지는 물(H₂O)은 놀랄만큼 강고한 분자구조를 갖는다. 물의 분자를 분해하는데는 엄청난 에너지가 필요하다. 과거 1800년쯤까지도 물은 화합물이 아니고 분해할 수 없는 원소라고 믿었다.
 

수소원자와 산소원자는 맞닿기만하면 바로 결합하여 물이 된다. 물이 형성될 때는 거대한 에너지를 방출하며 그만큼 강력한 결합을 한다.

그 결합은 수소(H)와 산소(O)의 각 원자궤도의 바깥쪽을 구성하는 전자들 사이에서 이루어지는데, 공유결합 이라는 강력한 결합작용이다.

물의 구조와 안정성
 

수소원자는 그 핵 둘레에 1개의 궤도(각)을 지니고 그 각에 1개의 전자를 갖고 있다. 이 자체는 불안전하며 실제로는 2개의 전자를 갖추어야 안정하게 된다. 또 산소원자 바깥쪽의 각은 6개의 전자를 갖고 있으나 2개의 전자를 더 가질 여유가 있으며 8개의 전자를 채워야 안정된다.

즉 불안정한 수소와 산소는 곧 반응하여 서로 전자를 공유하고 각을 채워 안정한 형태를 이루게 되며, 이렇게 이룬 결합은 손쉽게 분열되지 않는다. 이 두 수소원자와 한 산소원자가 결합하여 물을 만드는 반응을 단순화하여 화학자들은 다음과 같이 기록한다.
 

H₂＋O→H₂O

수소원자와 산소원자사이의 길이는 각기 0.95Å이며 이들 사이의 결합 각도는 105˚이다.(1Å는 ${10}^{－8}$cm).
 

이 토끼귀처럼 산소원자의 측면에 붙은 수소분자들로 이루어진 불균형한 구조는 전하의 분포를 불균등하게 만든다. 물의 분자의 수소쪽은 '＋'이고 산소쪽은 '－'가 된다. 이와같은 분자는 전기적으로 막대자석과 같은 쌍극자가 된다. 즉 자석의 양끝처럼 분자 양측의 전하는 반대가 된다. 이것을 쌍극자 모멘트(dipole moment)라 부른다.
 

쌍극자는 막대자석의 자기에 대한 것과 같이 전하에 대하여 반응한다. 즉 그 '＋'쪽은 '－'전하에, '－'쪽은 '＋'전하에 끌어당겨진다. 그래서 이들 전하는 상호 소멸한다. 이러한 식으로 물의 전기장을 중성화하려 한다. 이 효과는 물이 어떤 종류의 화합물과 접촉하여 손쉽게 용해시키는 효과를 나타낸다.
 

이것은 물이 여러물질들 특히 이온결합으로 이루어진 물질들을 잘녹이는 성질을 설명하여 준다. 즉 소금의 경우 Na(나트륨)의 '＋'이온과 Cl(염소)의 '－'이온이 서로 정전기적으로 끌어당겨 소금의 결정을 이루는데 이 결합은 비교적 약한 결합이며 쌍극자를 가진 물분자가 쉽게 끼어들어 손쉽게 용해시킨다.

물이 구성되는 구조
 

그러나 각 물분자가 두드러진 용매작용을 하는 것은 쌍극자모멘트에 의한 것 이외에 수소결합의 이론을 도입하여 설명하여야 한다. 물분자간에는 수소결합에 의하여 흔치않은 매우 촘촘한 구조를 이룬다. 물의 수소결합의 본질은 정전기적인 것으로 두 수소원자들이 산소와 공유함으로서 그들의 핵을 노출한다. 이때 노출된 양전하들은 각기 비결합전자쌍에 인력을 미친다. 물분자중의 산소원자는 두쌍의 비결합전자쌍을 갖고 있으므로 각 물분자는 4개의 수소 결합을 형성할 수 있다.
 

물의 수소결합(그림 a b)은 매우 희한한 4면체 구조를 이루고 온도가 내려가서 물분자운동이 감소되면 6각형구조를 이루게된다. 이것은 6개의 4면체 밑면들로 형성된 구조이다.
 

이 얼음구조(눈의 구조도 같음)는 물이 고체가 되었을 때 물위로 뜨는 성질을 설명하여 준다.

물의 종류
 

물은 H₂O의 화학식을 갖고 분자량이 18.016인 단순하고 변하지 않는 단일물질로 설명되어 왔다. 이것이 50년 전까지만 하여도 지배적인 견해였으나 1934년 미국의 물리학자 '유리'(Harold Urey)가 순수하게 만든 물 중에서 보통 물과 화학식은 같으나 분자량이 20인 이상한 물질을 발견하고 이를 중수(重水·heavy water)라고 명명한후 부터 물의 종류가 밝혀지게 되었다.
 

이 중수는 보통의 수소보다 원자량이 배가되는 수소들로 구성되어 있기 때문인 것으로 밝혀졌다. 이 무거운 수소는 그 원자핵중에 양성자 이외에 한개의 중성자가 들어있다. 이 무거운 수소의 성질은 보통 수소의 성질과 매우 다른 것임이 발견되어 특별히 중수소(重水素·deuterium)라고 부른다. 이것의 산화물인 중수는 화학식으로 D₂O로 표기한다.
 

이 D₂O의 끓는점은 H₂O의 끓는점보다 약간 높은 101.4℃ 이며, 어는 점은 H₂O보다 상당히 높은 3.8℃이다. 또한 생명에 중요한 물질인 H₂O와는 달리, D₂O는 생리적으로 비활성이다. 씨앗에 D₂O만 주면 싹이 트지 않고 동물에게 D₂O만 마시게 하면 목이 말라 죽는다.
 

이 중수소 이외에 3중수소(三重水素·tritium)라고 불리우는 수소의 세번째 동위원소가 발견되었다. 그러므로 현재까지 수소의 종류는 H¹(보통수소) H₂(중수소) H³(3중수소)의 3가지가, 그리고 산소도 원자량이 16(보통산소), 17 및 18의 세가지가 발견되었다(H의 어깨위 숫자는 원자량을 표시한것).
 

물 중에 존재할 수 있는 종류는 각기 다른 수소와 산소 종류에 따라 18가지의 물의 화합물 종류와 15가지 이온들, 합쳐서 약 33가지의 물질로 구성된다고 볼 수 있다(그림 참조).

기이한 열적성질(잠열·潛熱)
 

18세기 후반 스코틀랜드의 화학자 '조셉 블랙'은 사후 출판된 저서 6 화학 요소에 대한 강의'(Lectures on the elements of chemistry)에서 물의 열 흡수력을 설명하고 있다. "갠 겨울날 태양이 내리쬐어도 산의 눈은 녹지 않고, 밤서리가 내려도 연못이 얼음으로 뒤덮이는 일이 없다"
 

'블랙'박사는 이러한 사실에서 눈이 서서히 녹기 시작하는 물속에 많은 열이 흡수되고 저장되며, 한편 물이 서서히 얼음으로 바뀔때는 많은 열을 방출하고 있다고 생각했다. 왜냐하면 눈이 녹을때 공기중의 온도계를 눈속에 넣어보면 온도는 항상 저하하나, 심한 서리가 내릴때 어는 물에 넣으면 반대로 상승하기 때문이다. 따라서 앞의 경우 눈은 열을 흡수하고, 뒤의 경우 물이 열을 방출시키고 있다.
 

이와같은 관찰에서 블랙은 물의 중요한 두가지 성질을 발견하였다. 그 하나는 큰 열용량(熱容量), 즉 열을 흡수하는 능력을 알아낸 것이다. 열용량은 어떤 물질의 일정량을 일정한 온도까지 올리는데 필요한 열량으로 표시된다. 물을 데우는데는 대단한 열량이 필요하다.
 

블랙의 제2의 발견은 보통 잠열(潛熱)이라고 불리우는 이상한 현상이다. 잠열이라고 불리우는 이유는 온도상으로는 아무 변화를 보이지 않고 물질의 모양(形)을 바꾸기 때문다다. 예를 들면 고체가 녹을 때는 물질에 따라 차는 있으나 일정량의 열을 흡수한다. 그런데 얼음이 완전히 녹을때까지 온도는 절대 오르는 일이 없다. 이 과정이 거꾸로 되면 반대의 반응이 생긴다.
 

액체가 동결할때 에는 온도는 전혀 내려가지 않은채 열을 방출한다. 그열의 총량은 녹을 때에 온도를 상승시키지 않고 흡수한 열의 양과 같다.

기체 액체 고체로 변할때의 열량
 

물의 잠열은 이상할 만큼 높다. 얼음을 온도변화없이 완전히 액체의 물로 바꾸는 데에는 같은 양의 미온의 물을 덥히는데 필요한 것과 같은 열량이 있어야 한다. 이것은 다른 많은 물질을 녹이는데 필요한 열량에 비하여 매우 크다. 예컨대 쇠의 융해온도는 1,536℃이다. 만약 이 온도하에 있는 쇠에 1kg의 얼음을 녹이는데 필요한 열을 가하면 8kg의 쇠를 녹일수 있다.
 

그래서 한번 물을 동결시켜 얼음으로 만들때는, 녹이는데 쓰인 것과 같은 양의 열을 방출하며 이 열 때문에 주위는 따뜻해 진다.
 

얼어붙을 듯이 추운밤, 온실 속에 놓인 한 통속의 물은 열의 예비공급원이 되는데 바로 이러한 잠열이 작용한 것이다. 물의 일부는 아침까지 얼어 있다고 할지라도 어는 과정에서 방출되는 열이 실내의 공기를 바깥 공기보다 따뜻하게 보존하는 것이다. 해변에 살고 있는 사람들은 같은 조건의 바람을 맞고 있음에도 불구하고 내륙에 살고있는 사람들보다 따스한 겨울을 보낼수 있다.
 

물의 증기때의 잠열 또는 응결때의 잠열은 다른 물질에 비하여 매우 크다.
 

물이 이러한 잠열을 갖고 있기 때문에, 대기중의 수증기의 분자와 구름 속의 근소한 물방울이 공기중에 운반되는 열에너지다발을 만들수가 있는 것이다. 지구상의 기후와 세계각지의 천후(天候)상태를 만드는 근원이 되는 것이야 말로 이 대기중의 수증기의 유동적 흐름인 것이다.
 

구름속의 수증기가 식어갈 때 응결하면서 내는 막대한 열량으로 구름내부의 공기는 격심한 대류가 생겨 광란을 한다. 여름 하늘에 용솟음쳐 오르는 적운(積雲)이 큰 적란운(積亂雲)으로 발전하고 적란운 내부에서의 격심한 바람의 선회운동은 허리케인의 힘을 방불케한다. 여름에 뇌우(雷雨)가 방출하는 에너지 총량은 대형원자폭탄의 위력과 거의 같다.
 

사실로 이러한 물의 잠열의 원리가 지구상의 기후를 조정하는 것이다. 많은 지구상의 물과 공기중의 수증기는 더운날에는 열을 흡수하고 추운날에는 열을 방출함으로서 기온의 격심한 변화를 조절한다. 만일 물이 유사한 다른 화합물과 같이 열을 흡수하지 못한다면 물은 북극과 같은 낮은 온도에서도 비등하여 온세계의 물은 순식간에 증발하게 되고 기온의 변화가 극심한 세상이 될 것이다.

신기한 비등점과 빙점
 

생물이 다른 액체속에서는 생명을 견디지 못하나 물속에서는 생명을 영위할 수 있을뿐 아니라 물은 생물의 주요 구성성분으로 각종 영양분을 전달하고 노폐물 배설을 돕는다.
 

만일 일반적인 물리화학적인 물(H₂O)의 성질대로 작용한다면 생물체는 큰 재앙을 당할 것이 분명하다. 즉 체내의 혈액은 상온에서 끓을 것이고, 풀과 수목은 수분이 증발되어 말라 죽을 것이다.
 

물이 동결 또는 비등하는 온도는 다른 물질에서 그 실례를 찾아볼 수 없는 것이다. 물은 0℃에서 동결하고 100℃에서 비등한다. 이 성질은 같은 형의 화합물질의 비등점과 응고점의 예와는 전혀 다르다. 일반적으로 같은 종류의 화합물의 비등점과 응고점의 규칙은 분자량의 증대에 따라 빠르게 높아진다.
 

물의 구조인 H₂O와 비슷한 다른 화합물들의 빙점과 비등점을 비교하면 손쉽게 알 수 있다. 즉 그림에서 보는 바와 같이 물과 비슷한 구조의 H₂S (황화수소·분자량 34)는 빙점이 －115℉, 그리고 비등점이 －76℉이며 H₂Se (수소화세렌·분자량80)는 빙점이 －82℉, 그리고 비등점이 －42℉이다.
 

이러한 성질을 감안한다면 당연히 빙점이 －148℉(－100℃)가 될것이며 비등점이 －132℉(－91℃)가 될 것이다.

이러한 이론대로라면 지구상의 온도하에서는 액체로는 존재치 않고 약간의 수증기 상태로 밖에 존재할 수 없게 된다.
 

다행히도 모든 생물의 근원인 물은 같은 종류의 화합물중에서 유별나게도 그 비등점과 빙점이 최저가 아니라 최고이다. 실제로 물은 빙점이 32℉(0℃), 그리고 비등점이 212℉(100℃)이다.

동물의 혈액순환을 가능케하는 힘
 

물 분자 간의 액체의 격자(格子)를 갖는 독특한 수소결합 즉 수소결합수(手)는 극히 이상한 힘을 갖고 있다. 물은 인력(引力)을 무시하고 유리관 안 쪽을 기어오르는 이상한 능력을 나타낸다.
 

유리컵에 마실 물을 넣고 옆에서 보면 액체의 표면은 커브를 그리며 가쪽으로 약간 들어 올려져 있는 현상을 누구나 유심히 보면 발견할 수 있다. 액체가 단단한 물질의 표면을 타고 올라가는 성질을 모세관현상(毛細管現象)이라 한다. 몹시 가는 관의 경우는 인력의 작용을 거슬러 때로는 상당한 높이까지 물이 올라간다. 바로 이 모세관 현상이라는 특성때문에 식물이 양분을 흡수하여 높은 나무꼭대기까지 전달하며, 동물의 체내에 혈액이 순환할 수 있다.
 

물은 또한 생명과정중에 중요한 성질인 영양물질을 녹이고 운반하는 일을 한다. 영양물질을 우선 녹인 후 필요한 각 조직 또는 세포에 전달하여 준다. 또 인간이 청결을 유지하는데 가장 값싸게 얻는 세숫물, 목욕물, 또는 세탁물로서 모든 더러운 것을 씻어주는 역할도 한다.
 

물만큼 훌륭한 용매는 없다. 지구상에 자연발생된 물질가운데 가장 흔하면서 가장 많은 물질을 녹일 수 있는 용매가 곧 물이다.
 

일반 자연수인 하천이나 호수물에는 몇몇 원소들이 녹아있다. 실로 모든 강과 호수는 용액이며 해양은 이온, 금속, 비금속 유기화합물 무기화합물이 수 천종이나 녹아있는 상당히 농후한 수용액이며 이곳에서 각종 생물이 서식한다.
 

물의 용제역할은 이온결합된 화합물질을 쉽게 녹인다. 대부분의 무기화합물질은 이온결합되어 있다. 이온결합된 고체물질을 물에 넣으면 곧 물 분자가 이온결합사이를 헤치고 들어가서 이온결합을 떼어내고 만다. 이 분리시키는 힘은 막대하며 1ℓ의 물은 약 8.3kg의 암모니아질산염(NH₄NO₃)을 녹일 정도이다.
 

고체물질이 물속에서 녹을 때 물분자의 격자속에 이온화하여 사이에 끼게 되므로 그 부피가 커지지 않는다. 즉 물1ℓ에 100g의 소금을 녹이면 그 부피는 그대로여서 소금용액은 1ℓ가 된다.

얼음의 성질
 

얼음은 자연의 법칙을 따르지 않는다.
 

대부분의 자연화합물은 고체상태일때 액체보다 무겁다. 그러나 얼음은 액체보다 가볍고, 그때문에 물위에 뜬다.
 

물이 얼 때 체적이 증대되는 성질은 지구상의 모든 생물에 참으로 이롭게 작용한다. 만약 물이 얼 때 다른 액체와 같이 체적이 감소하면 지구상의 모든 생물은 순식간에 멸절해 버릴 것이다.
 

얼음의 체적이 물보다 크므로 얼음이 물위에 뜨게 되며, 수면 이하를 더이상 얼지 못하도록 절연피막작용을 하게 된다.
 

얼음이 물보다 무겁다면 겨울이 있는 지방의 모든 강과 바다는 밑바닥부터 얼음이 가라앉기 시작하여 순식간에 온천지가 얼음바다가 될 것이며, 모든 생물체는 얼음속에 박혀버려 사멸될 것이다. 더우기 세계의 물의 공급처가 얼어버리면 대부분의 동물과 식물은 물을 사용치 못하게 되어 또한 생명력을 잃을 것이다. 이와같은 사태가 발생하면 지구상의 기후도 완전히 변할 것임에 틀림없다. 얼음속에 갇힌 세계는 매일 온도의 변화가 수백도에 미치고 계절의 변화가 극심해지고 무서운 바람이 몰아칠 것이다.
 

일반적으로 모든 물질은 온도가 저하되면 용적이 차차 축소되므로 그 밀도는 점점 커진다. 따라서 온도가 높으면 기체인 상태가 온도가 낮아지면서 액체로, 그리고 고체로 된다. 이 때 무게는 기체가 가장 가볍고 액체 그리고 고체순으로 무거워진다. 물은 기체와 액체일 경우는 일반적인 법칙에 정확히 따르나 4℃이하가 되면 일반법칙과는 다른 상태를 보인다. 4℃에서 물은 최대로 무거우며 4℃ 이하가 되면 차차로 팽창하고 가벼워진다. 0℃가 되면 고체로 변하면서 한층 가벼워지고 결국 약 9%정도의 체적이 증대하게 된다.
 

이러한 물의 성질은 겨울에 수도관을 파열시키기도 하지만 모든 생물체를 보전하는 데는 큰 역할을 하는 것이다.