물은 물성은 수소 결합 네트워크 구조와 어떤 관련이 있는지 설명할 수 있을까요?

Question

안녕하세요. 물은 분자량이 작은데도 끓는점이 매우 높고, 고체 상태에서 밀도가 감소하는 특성을 보이는데 이러한 현상이 수소 결합 네트워크 구조와 어떤 관련이 있는지 설명할 수 있을까요? 또한 이러한 물의 특성이 생명체 유지에 어떤 화학적 의미를 가지는지도 궁금합니다.

Answer 1

안녕하세요.

산소 하나와 수소 2개로 이루어져 있는 물 분자는 분자량이 18로 매우 작음에도 불구하고, 상온에서 액체로 존재하고 끓는점이 100 °C로 비정상적으로 높습니다. 또한 대부분의 물질과 달리 고체가 액체보다 밀도가 작아 물에 뜨는 특성을 보이는데요 이러한 모든 특성은 개별 물 분자의 성질만으로는 설명되지 않으며, 다수의 물 분자가 형성하는 집단적 구조, 즉 질문해주신 수소 결합 네트워크에서 비롯됩니다. 우선 물 분자는 산소 원자에 두 개의 수소 원자가 결합된 굽은 구조를 가지며, 산소는 전기음성도가 매우 커서 분자 전체가 강한 극성을 띱니다. 이로 인해 한 물 분자의 수소 원자는 인접한 다른 물 분자의 산소 원자와 방향성을 가진 정전기적 인력, 즉 수소 결합을 형성할 수 있는데요 중요한 점은 물 분자 하나가 최대 네 개의 수소 결합을 형성할 수 있다는 점입니다. 이로 인해 물은 단순한 분자 집합이 아니라, 3차원적으로 연결된 네트워크 구조를 이루게 됩니다.

이때 끓는점이 높은 이유를 살펴보면, 물을 기체로 만들기 위해서는 단순히 개별 분자 사이의 약한 반데르발스 힘만 끊는 것이 아니라, 수많은 수소 결합으로 얽힌 네트워크를 동시에 붕괴시켜야 하기 때문입니다. 즉 수소 결합 하나하나는 공유 결합에 비해 약하지만, 액체 상태의 물에서는 순간적으로 매우 많은 수소 결합이 형성되었다가 해리되며 집단적으로 작용합니다. 이로 인해 물 분자를 기화시키는 데 필요한 에너지, 즉 기화 엔탈피가 매우 커지고, 결과적으로 끓는점이 비정상적으로 높아집니다.

또한 고체 상태에서 밀도가 감소하는 현상 역시 수소 결합 네트워크의 기하학적 특성으로 설명할 수 있습니다. 액체 상태의 물에서는 수소 결합이 끊어졌다가 다시 형성되면서 네트워크가 끊임없이 재배열되어 비교적 조밀한 구조를 취할 수 있습니다. 반면 얼음에서는 수소 결합이 보다 안정적인 사면체 배열을 이루며 고정되며 이 배열은 각 물 분자를 최대한 수소 결합시키는 데 유리하지만, 분자 사이에 빈 공간이 생기는 구조이기도 합니다. 그 결과 얼음은 액체 물보다 분자들이 더 멀리 떨어져 배열되고, 밀도가 감소하여 물에 뜨게 됩니다. 감사합니다.