결정구조이론과 중합체 이론
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얼음이 녹아서 물이 된다. 물의 구조에 관해서 많은 연구가 있었지만 크게 다음의 두 가지 이론이 대표적이다.
첫 번째 이론은 물을 얼음과 비슷한 결정 구조로 바라보는 이론이다. 물은 얼음과 비슷한 결정구조를 이루고 있는데, 이러한 결정구조의 빈틈을 물분자가 메우기 때문에 물의 밀도는 오히려 증가하는 것이다. 다시 말하면 얼음의 경우 모든 물분자를 수소결합으로 연결하다 보니, 물분자들이 구조적으로 자유롭지 못하고 오히려 엉성한 틈이 많은 구조를 취하게 되는 것이다. 액체인 물의 경우 빈틈으로 물분자가 들어가서 결정 구조를 이루고 있는 물분자보다 운동이 더욱 활발하여 유동성 있는 물의 특성을 나타낸다는 것이다.
실제로 물은 30-40℃까지는 얼음과 같이 어느 정도 빈틈이 많은 결정구조를 보이는 것이 알려졌다. 모든 액체는 압력을 가하면 점성이 늘어난다. 하지만 물의 경우는 30℃이하의 낮은 온도에서는 압력을 증가시킬 때 오히려 점성이 떨어진다. 이것은 물분자들이 압력에 의해서 결정구조의 빈틈으로 잘 들어가게 되면서 원래의 수소결합들이 끊어짐에 따라 오히려 점성이 떨어지기 때문이다.
마찬가지로 수소결합에 의한 물속의 얼음과 같은 결정구조가 30-40℃까지 남아있기 때문에 물의 비열이 다른 액체와는 달리 37℃에서 최소가 되는 것이라고 해석할 수 있다. 37℃이후에는 물의 비열은 다른 액체와 같이 온도에 비례해서 커진다.
두 번째 이론은 물이 단독으로 존재하지 않고 물분자 간에 서로 적당한 크기의 중합체[(H2O)n]를 이루어 행동하고 있다고 생각하는 이론이다. 이 이론은 물을 얼음의 구조와 완전히 다른 별개의 구조로 보고 있다. 물이 단일 물분자로서 행동하는 것이 아니라 중합체로서 행동하고 있다는 견해는 최근 많이 받아들여지고 있다. 특히 5개 혹은 6개의 물분자가 수소결합에 의해 고리를 형성하고 있다는 6각수 이론은 우리나라에서는 모르는 사람이 없을 정도로 인기 있는 학설이다.
첫 번째 결정 구조 이론이 고체인 얼음의 구조를 바탕으로 액체인 물을 설명하려고 하는 반면에, 두 번째 중합체 이론은 물을 얼음의 구조와 완전히 다른 별개의 구조로 보고 있다.
잊지 않아야 할 점은 결정 구조와 같은 구조이든, 중합체로의 물의 구조이든, 물이 이루고 있는 구조는 단지 1조 분의 1초 존재할 뿐이라는 점이다. 이것은 얼음 속에서 물의 구조의 수명이 약 10만 분의 1초였던 것과 비교하면 매우 짧다.
물이 어떤 구조를 형성하고 있더라도, 그 구조는 매우 순간적으로만 존재한다. 물의 구조가 1조 분의 1초 간격으로 끊임없이 바뀌지만 전체적으로는 평형 상태가 이루어져 마치 일정한 구조를 형성하는 것으로 보여 지는 것일 뿐이다.
이것은 미국 메이저리그 야구에서 선수 각자의 타율은 끊임없이 변하지만 매년 전체 야구선수들의 평균 타율은 항상 일정한 것과 마찬가지라고 볼 수 있을 것이다.
김현원 저서 "생명의 물 우리몸을 살린다" 에서 발췌 | |||