옛날에는 한여름 뜨거운 햇빛이 내려 쪼이는 가운데, 집 마당이나 골목길에 물을 뿌리는 광경을 여기 저기에서 볼 수가 있었다. 물을 뿌리는 것은 먼지가 나는 것을 막기 위한 것뿐만 아니라, 선선해지는 것을 얻기 위한 조상들의 생활의 지혜였다.
그럼 왜, 마당에 물을 뿌리면 시원해질까?
물은 통상적으로는 물이지만 증발하면 기체인 수증기가 된다. 물은 물분자라고 하는 작은 입자가 모여서 생긴 것이다. 액체인 물과 기체인 수증기는 분자끼리 결합하는 상태가 다르다는데 그 차가 있는 것이다.
액체인 물은 분자끼리 약한 힘으로 결합되어있기 때문에, 그다지 자유롭게는 움직일 수는 없지만, 기체인 수증기는 분자 1개 1개가 따로따로 되어있기 때문에 자유롭게 움직일 수가 있다. 액체를 기체로 하기 위해서는 분자끼리의 인력을 차단할 필요가 있다. 이 인력을 차단하기 위해서는 열에너지를 흡수하지 않으면 안 된다.
액체가 증발하는데 필요한 열에너지를 기화열 또는 증발열이라고 한다. 즉, 물이 증발하여 수증기가 될 때에는 주위의 것들로부터 열을 빼앗는다. 뜨거운 여름에 마당에 물을 뿌리면 물은 곧바로 증발해 버린다. 이때, 지면으로부터 열을 빼앗고 가기 때문에 약간 기온이 떨어지고, 시원해지는 것이다. 이것이 바로 물을 뿌리면 시원해지는 이유다.
기화열에 대해서도 우리의 주변 생활에서도 생각해보자. 여러분들이 병원에 가서 주사를 맞은 경험이 있을 것이다. 주사를 놓기 위한 자리에 간호사가 소독 솜으로 소독을 한다. 그러면 소독된 부분은 차게 느껴진다. 실은, 여기에도 기화열이 관계하고 있는 것이다. 그 소독약은 알코올이다. 알코올은 물보다도 증발하기 쉽기 때문에, 바르면 바로 증발하여 기체가 되어 버린다. 이때, 알코올을 바른 부분에서 기화열이 빼앗기기 때문에 차갑게 느껴지는 것이다.
그러면, 주유소에서는 뜨거운 여름뿐만 아니라, 추운 겨울에도 콘크리트바닥에 물을 뿌린다. 이것은 시원하게 하는 것을 목적으로 하는 것이 아니라, 정전기를 방지하기 위한 것이다. 겨울철은 공기가 건조하기 때문에 정전기를 일으키기 쉽다. 정전기가 일어나면 급유 중에 휘발유에 불이 붙을 위험도 있다. 이러한 위험한 일을 사전에 예방하기 위해서 겨울에도 물을 뿌리는 것이다.
최근, 물 부족현상이 전국 각지에서 일어나고 있다. 물이 부족하면 댐을 만들면 되지 않느냐고 생각해 볼 수도 있겠지만 이 문제는 그리 간단한 문제가 아니다. 댐을 만드는 것보다는 빗물을 저장하고 재이용하는 것과, 중수도제의 도입, 내지는 기타 이용 할 수 있는 물은 다시 이용하는 환경을 조성해 나가는 것이 무엇보다 중요한 일이다.
물과 알코올
물은 직접 마시는 물뿐만 아니라, 요리를 할 때 그 요리의 맛이 제대로 날수 있게 하는 물, 식품의 원료수로서 맛있는 물, 차 맛을 제대로 나게 해주는 물, 양주를 희석해서 마실 때 그 술맛을 각별하게 해주는 물, 등등 물은 그 용도에 따라서 요구되는 맛이 각각 다르다.
물을 이야기하는데 있어서 술과 관련된 이야기를 빼놓고 그냥 지나쳐 버릴 수 없을 것이다. 이 책을 읽고있는 독자 중에는, 술을 좋아하는 독자도 있을 줄 믿는다. 잘 알다시피 술은 물과 알코올(정식으로는 Ethyl alcohol)을 혼합한 것이다. 그 물과 알코올은, 혼합하기전과 혼합한 후의 물의 체적이 각각 다르다.
여러분들이 평소에 아무런 생각 없이 마시는 물은, 현미경으로 보면 잘 보이지 않을 정도로 매우 작은 입자(물의분자)가 놀랄 만큼 많이 모여 있는 것이다.(물 컵에 물을 가득 채워 놓은 컵 속에는 대충해서 약 1억×1억×1억 개라는 엄청난 물분자가 들어있는 것입니다) 그리고 그 입자의 모양이 조금 다르게 되어있다. ‘<’와 같은 모양을 하고 있다. ‘<’모양의 양단 부분은, plus의 전기를 갖고 있으며, ‘<’모양의 구부러진 부분은 minus의 전기를 갖고있다.
plus의 전기와 minus의 전기의 관계는 자석의 N극, S극의 관계와 유사하다. plus와 plus등의 같은 부호의 전기끼리는 서로 반발하고, 반대로 다른 부호의 전기끼리는 서로 끌어당기는 것이다. 이것을 생각하면 컵 속에 들어 있는 물처럼 ‘<’모양의 물분자가 많이 모여 있을 때에 어떠한 일이 벌어질 것인지는 상상 할 수 있다. ‘<’모양의 양단은 어느 쪽 이든 전기를 갖고 있기 때문에, 서로 떨어져 나가기 위해서 반발 하고 있다. 반대로, minus를 갖고있는 ‘<’의 모양의 구부러진 부분과는 서로가 붙기 위해서 끌어당기고 있다.
그 결과, 물분자의 사이에는 커다란 틈이 많이 생기는 것을 알 수 있다. 즉, 우리들이 평소에 마시고있는 물은 틈새가 많은 물이라는 것이다.
알코올도 매우 작은 입자(Ethanol 분자)가 많이 모여있는 집단이다. 단지, 물과는 분자의 모양도 조금 다르고, plus나 minus에도 전기를 갖지 않는 부분(Ethyl기)과, 전기를 갖는 부분( Hydroxyl기)이 있다. Ethanol분자만이 모였을 때에는, Ethyl기의 영향 등으로 물의 경우처럼 커다란 틈새는 생기지 않는다. 그러나, 알코올을 물에 섞으면 Ethyl기가 물분자와 물분자들 사이에 있는 틈 사이에 스며들어가기 때문에 전체적으로 보면 틈새가 메워지는 것이다. 그 결과, 물과 알코올을 섞으면 체적이 감소된다. 예를 들면, 물 1L와 알코올 1L를 섞으면 합해서 1.96 L가 된다. 이와 같이 약간 감량이 된다.
몇 억 년전의 옛날부터 우리 생명에 커다란 영향을 미치게 한 물, 그 묘한 모양을 한 물의 성질과 물의 현상을 여기에 설명했다. 물의 불가사의에 대해서 더 조사하면 더욱 재미있는 것이 발견될지도 모를 일이다.
얼음의 결정
물이 얼어서 생긴 얼음을 ‘동결 빙(凍結 氷)’ 또는, 얼음(氷)이라고 부른다 이것에 비해서, 수증기가 동결(응결:凝結)해서 생긴 얼음을 ‘승화 빙 (昇華 氷)’또는 눈(雪)이라고 부른다. 눈이나, 얼음은 물의 분자가 모여서 덩어리가 된 것이며, 화학적 조성에는 하등의 변화는 없다.
얼음의 결정은 둥근 모양의 물분자가 규칙적으로 정확하게 육방 대칭으로 줄을 서 있는 것이다. 액체의 물이나 고체인 얼음이나 눈은, 1개의 산소원자와 2개의 수소원자가 결합하여 생긴 물의 분자 집단이다. 이들의 물분자는 주로 수소결합이라는 힘으로 붙어있다. 물론, 얼음 쪽이 더 강하게 붙어 있다.
우리들 주위에 있는 얼음의 몇 가지를 소개해 본다.
‘고드름’- 겨울에 눈이 오고 난 뒤에 눈이 녹을 때면 지붕아래 처마 끝에 틀림없이 매달린다. 전선이나, 나무 가지에도 매달린 고드름을 흔히 볼 수 있다. 최근에는, 단독주택의 모습이 사라지고 있어 큰 고드름은 잘 볼 수 없다. 고드름은 지붕 위에 있던 눈이 햇빛이나, 집안의 난방에 의해서 데워진 공기에 의해서 녹은 물이 지붕을 따라 내려오다가 0도 이하의 밖의 공기에 의해서 냉각되어 얼음으로 되어버린 것이다. 그리고, 그 위에 나중에 녹아 흘러 내려오던 물이 고드름 끝에서 얼어붙어 그것이 쌓이고 쌓여 큰 고드름으로 성장하게 되는 것이다.
‘살아있는 얼음’- 한겨울에 소양호에 가보면 호수의 물이 얼어서 일면이 얼음평야와 같은 느낌을 느낄 것이다. 이 지역은 눈도 많이 오지만, 한 냉의 차가 심한 곳이다. 그런데, 그 얼음 위를 자세히 보면, 얼음이 마치 서있는 것 같은 느낌을 갖게 될 것이다. 그 원인은, 한 냉의 차에 의한 얼음의 수축에 있는 것이다. 온도가 떨어지면 얼음이 오그라드는 얼음의 수축 현상 때문이다.
온도가 떨어지면 얼음은 오그라들면서 균열(龜裂)이 생기고, 그 사이에 물은 다시 얼기 시작하여 새로운 얇고 약한 얼음이 생긴다. 그리고, 낮이 되면 기온이 올라가 얼음은 팽창하기 시작하지만, 먼저 얼은 크고 단단한 얼음들이 팽창하면서, 약한 얼음을 밀어 부치기 때문에, 가장 저항이 약한 공중으로 신생 얼음이 솟아 올라오게 되는 것이다. 이 솟아오른 신생 얼음을 ‘살아있는 얼음’이라고 한다.
‘창문의 설이’- 이것은 정의하면 눈의 종류라고 할 수 있다. 밤이 되면 기온이 떨어지고, 방안의 공기중의 수증기가 액체로 변하고 이슬이 된다. 기온이 더 떨어지면 수증기는 고체로 변하여 ‘설이’가 된다. 그 현상이 창문의 유리에도 작용하는 것이다. 즉, 방안의 공기 중에 있던 수증기가 방안에서 가장 외기의 영향을 받기 쉬운 곳이 유리창이다.
따라서, 방안 공기 중에 있던 수증기가 유리창에 닫으면 냉각됨으로써 고체로 변하고 다시 ‘설이’로 변하는 것이다. 이 ‘설이’를 ‘창설이’라고 한다. 이 ‘창설이’는 참으로 아름다운 무늬를 만들어 낸다.
눈은 하늘에서 오는 편지
눈은 어떻게 해서 만들어지는 것일까. 공기 중에는 아주 작은 무수한 먼지나 미립자가 떠 있다. 하늘의 높은 곳에서는 공기가 차갑고, 대기 중에는 이 이상 공기 중에 수증기를 가질 수 없는 포화상태가 된다. 이때, 공기 중에 있을 수 없게 된 수증기의 일부는 아주 미세한 입자 등에 붙어서 작은 물방울이 되거나 빙정(氷晶)이라고 하는 아주 작은 얼음의 결정이 된다. 다시 말해서 수증기가 대기 중에서 포화상태가 되면 안개나 눈이 발생하기 쉬운 상태가 되는 것이다.
눈은 구름 속에서 생긴 얼음의 결정이다. 이 얼음의 결정이 생기는데 있어서는 대기중의 기온이 0도 이하가 되어야 한다. 그렇게 해서 과포화의 수증기 속에는 눈과 비슷한 초기의 ‘결정의 눈(芽)’이라고 하는 빙정(氷晶)이 생기게 된다. 구름 위에서 ‘빙 정화’하게 되면 빙정은 주위의 과포화의 수증기를 빨아들이고 성장하여 눈이 되어 지상으로 내리게 되는 것이다.
눈의 크기는 보통 크기가 0.1mm이상의 것을 눈의 결정이라고 하며, 그 보다도 작은 것을 빙정이라고 한다. 수증기가 많으면 나무 가지의 모양을 하게 되며, 결정의 모양으로 상공의 상황을 알 수가 있다. 즉, 결정의 중앙부는 상공의 상황을 눈이 내려오는 과정에서 대기권을 통과하면서 접촉해왔기 때문에 상공에서 지면까지의 대기중의 상황을 눈의 주위에서 알 수가 있다.
눈의 결정은 크게 6개 그룹으로 나누어진다. 침상결정(針狀結晶), 각주상결정(角柱狀結晶), 각판결정(角板結晶), 선상육화결정 (扇狀六花結晶), 광폭육화결정(廣幅六花結晶), 수지상육화결정(樹枝狀六花結晶)으로 나눌 수 있다.
내리고 있는 눈의 결정은 중심에서 6방향으로 대칭적(對稱的)으로 발달한 형태를 하고있다. 그 세부에 이르기까지 대칭이 계속되고 아름다운 자연의 조형을 만들어 가는 것이다. 옛날 조상들은 눈을 ‘눈꽃(설화-雪華)’라고 불렀으며, ‘설화’라고 이름을 붙인 것은 그 아름다움을 표현하기 위해서라고 한다. 특히, 눈의 결정은 천차만별이어서 똑같은 모양을 한 눈은 볼 수가 없다고 한다.
눈을 굳게 하는 物質(Snow Cement)
눈이 많이 오면 올수록 좋아하는 것은 어린이들뿐이 아니라 어른들도 마찬가지다. 어린이들은 눈사람을 만든다든지, 눈싸움을 한다든지, 썰매를 탄다든지, 즐겁기가 한이 없다. 반면에 어른들은 스키를 타기 위해서 스키용품의 준비에서부터 자동차의 정비, 그리고 스키장까지 가는데 몇 시간이 걸리든, 스키를 타는 재미 때문에 고통스럽게 생각하지 않고 마냥 즐거운 마음으로 들떠있는 어른들을 보면 때가 왔구나 하는 생각이 든다. 이처럼 눈은 우리의 마음을 사로잡는 신비스러운 자연의 현상임을 새삼 깨닫게 한다.
스키장에 도착하여 무릎까지 빠지는 푹신푹신한 눈, 그 눈 위를 설연(雪煙)을 내면서 활주하는 사람들, 도중에서 넘어지는 사람들, 참으로 아름다운 자연과 인간의 조화를, 그리고, 욕망과 재물, 또한 명예를 저버리고 눈이라고 하는 자연과 어울려 놀고있는 광경, 인간 본래의 자세로 돌아와 있는 그 모습은 평화라고 하는 것이 이런 것이구나 하는 느낌을 새삼 느끼게 하며, 한 눈에 보는 듯한 평화스러운 광경이야말로 눈이라고 하는 자연의 힘이 만들어 주었기 때문에 이루어지는 것이라고 생각한다.
스키장에서는 스키가 잘 미끄러지게 하기 위하여 소금을 대량으로 뿌려 눈을 단단하게 해주고 있다. 이것을 snow cement라고 한다. 그러면, 소금을 뿌리면 눈이 왜 단단해질까? 2개 이상의 물질을 혼합해서 얻어지는 냉각제를 ‘한제(寒劑)’라고 한다. 이 경우에는 얼음과 소금이 된다.
물 이외의 불순물이 섞인 물질의 액체가 고체가 되는 ‘온도’, ‘응고점’은 순수한 물질의 응고점보다 낮다. 이것을 ‘응고점 강하’라고 한다. 혼합물의 응고점은 순수한 물질보다도 낮아지는 것이다. 이것은 2개의 물질이 서로 녹을 때 주위의 열을 뺏어오기 때문에 온도가 떨어지기 때문이다.
얼음이 액체의 물로 변하기 시작하면 소금이 물에 녹을 때 열을 뺏는 격이 되는 것이다. 얼음의 표면에서 얼음이 조금 녹은 액체인 물에 소금이 녹는다. 이 때, 이 고농도의 소금물을 더 희석시키기 위해서 얼음은 액체로 변하고, 그 용액에 또 소금이 용해된다. 이 반응은 어느 쪽이나 흡열성(吸熱性)이며, 외부로부터 에너지가 공급되지 않기 때문에, 주위의 얼음으로부터 뺏은 열로 보급한다. 즉, 온도가 떨어지는 결과로 나타난다. 얼음과 소금을 3대1의 비율로 혼합하면 -21도 까지 내려간다.
또, 얼음과 염화칼슘을 4대1로 혼합하면 -55도까지 내려간다. 얼음대신에 dry-ice를 써서 ethanol하고 혼합하면 약 -70도 라고 하는 극히 낮은 온도까지도 얻을 수가 있다.
이와 같이 녹기 시작한 눈에 소금을 뿌리면 얼음의 온도가 떨어져서 단단하게 굳은 눈이 되는 것이다. 그 덕택으로 스키장의 표면은 단단하게 굳어지기 때문에 잘 미끄러지게 되어 스키 경기를 하는 데에도 매우 큰 도움을 주는 것이다.
그러나 자연환경의 보호적인 측면에서 보면 자연의 신비를 만끽하는 것은 좋으나, 소금을 뿌리는 것은 염해를 유발할 수 있어 동식물에 대한 영향도 고려해야 할 것이다. 물론, 아직도 외국에서는 소금을 사용하고 있는 나라도 많지만 소금을 쓰는 것보다는 소금대신에 황산암모늄도 거의 같은 효과를 갖고 있다. 특히, 황산암모늄은 질소비료로서 사용하고있는 농약이기 때문에 황산암모늄을 사용하는 것은 환경에의 영향이 그 만큼 작아질 것이다.
물의 표면은 왜 불거져 나오는가
유리컵에다 물을 부어 보자. 물이 넘치기 직전까지 물을 부으면, 그 수면은 어떻게 될까? 마치, 물이 컵 밖으로 나오기 싫은 것처럼, 컵 위로 물이 부풀어 오른 모양을 하고 있을 것이다. 왜, 이러한 모양을 하게될까? 이것은 ‘표면장력’때문이다.
물은 일반적으로 항상 뭉쳐 있을 수 있게 언제나 분자끼리 끌어당기고 있다. 그러므로, 공기와의 경계에 있는 물분자가 어디론가 가버리지 않게 밑에 있는 물분자가 언제나 끌어당기고 있다. 그렇기 때문에 컵에다 넘쳐흐르지 않을 정도로 물을 부었을 때에는 수면의 중앙부분이 우그러진 모양을 볼 수 있을 것이다. 시험관이나 메스실린더에 물을 넣고 눈금을 읽을 때를 생각해보면 아마 이해가 빠를 것이다. 중앙이 우그러졌기 때문에 읽을 수가 없었을 것이다.
그러면 왜, 컵에서 물이 넘쳐흐르기 직전에서 부풀어오르는 것일까? 지금까지 접촉하고 있던 컵이라는 물질이 없어지면 표면에 있던 물의 분자는 공기하고만 접촉하게 되는 것이다. 물은, 컵보다는 공기를 더 싫어한다. 될 수 있는 한 큰 컵 속에 물분자끼리 모여서 머물고 싶어하는 것이다. 컵 속에 있는 물분자는 역시, 표면의 물분자를 끌어당기고, 될 수 있는 한 표면적을 작게 하여 흐트러지지 않게 하고 있다.
같은 체적을 갖고 있을 때, 표면적이 가장 작아지는 모양은 ‘구형’이다. 컵에서 나온 부분은 될 수 있는 한 ‘구형’으로 되기 위해서 노력하기 때문에, 이와 같이 수면이 부풀어오르는 것이다. 이때의 작용이 바로 ‘표면장력’이라고 하는 성질인 것이다. 비가 좋은 예가 되겠다. 주위에 공기밖에 없을 때에는 이 힘이 작용하여 물은 ‘구형’이 되어버린다. 빗방울이 떨어지는 속도에 따라서 다르지만 큰 빗방울은 아주 둥글지는 않지만 이것은 공기 저항으로 조금 편평(扁平)하게 되기 때문이다.
이 성질은 우리들의 생활용품에도 이용되고 있다. 예를 들면, 불소가공(弗素加工)한 것이다. 불소는 물을 퉁기는 성질이 있다. 이것은 이제 우리들의 상식이 되고 있다. 불소 제품에는 우산, 비옷, 식탁보 등이 있지만 이들은 모든 물이 표면장력에 의해서 뭉쳐있기 때문에, 불소의 방해를 받아 섬유의 틈 사이에 들어갈 수가 없게 된다. 따라서 물은 부풀어 오른‘구(球)’에 가까운 모양으로 되어있기 때문에 가공된 것의 표면을 미끄러지기 마련이다.
수은이 들어있는 체온계를 깨뜨렸을 때, 그 속에 있던 수은이 땡글땡글 굴러가는 것을 보았을 것이다. 이것도 수은의 표면 장력으로 ‘구’가 되는 것이다.
☞ 다음호에 계속
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