물 분자에서 나타나는 수소결합의 형성과정을 설명하고, 수소결합이 물의 물리적 성질(예: 끓는점, 얼음의 구조)에 어떤 영향을 미치는지 궁금합니다.

Question

물 분자에서 나타나는 수소결합의 형성과정을 설명하고, 수소결합이 물의 물리적 성질(예: 끓는점, 얼음의 구조)에 어떤 영향을 미치는지 궁금합니다.

Answer 1

안녕하세요.

물 분자 간의 수소결합은 극성을 가진 물 분자의 수소와 다른 물 분자의 산소 사이에 형성되는 분자간 인력을 말하는데요, 이 결합은 높은 끓는점, 큰 비열, 높은 표면장력, 그리고 액체보다 밀도가 낮은 얼음이라는 성질을 갖게 만들어줍니다. 물 분자 하나를 보면, 산소 원자에 수소 원자 두 개가 공유결합으로 연결되어 있습니다. 이때 산소는 수소보다 전기음성도가 훨씬 크므로, 공유 전자를 자기 쪽으로 더 강하게 끌어당기기 때문에, O-H 결합에서 전자밀도는 산소 쪽으로 치우치고, 산소는 부분 음전하를, 수소는 부분 양전하를 띱니다. 게다가 물 분자는 104.5°의 굽은 구조를 가지므로 두 결합의 극성이 상쇄되지 않고, 분자 전체가 강한 극성을 갖습니다.

즉 한 물 분자의 부분 양전하를 띤 수소가, 옆에 있는 다른 물 분자의 부분 음전하를 띤 산소에 정전기적으로 끌리는 수소결합이 형성되는데요, 이는 반데르발스 힘보다 강하고 매우 중요한 상호작용입니다. 물 한 분자는 이론적으로 최대 네 개의 수소결합 네트워크에 참여할 수 있는데요, 산소의 비공유 전자쌍 두 개로 두 번 받을 수 있고, 수소 두 개로 두 번 줄 수 있기 때문입니다. 수소결합 때문에 물의 끓는점이 비정상적으로 높은데요, 같은 족의 작은 수소화합물인 황화수소는 훨씬 낮은 온도에서 기체가 됩니다. 분자량만 보면 물도 상온에서 기체여야 할 것처럼 보입니다. 하지만 분자들 사이 수소결합 네트워크를 끊어야 기체로 날아갈 수 있으므로 더 많은 에너지가 필요하기 때문에 상온에서 액체이고, 끓는점도 100℃로 높습니다. 또한 비열과 기화열이 큰 이유도 수소결합 때문인데요, 물을 데우면 온도 상승 전에 분자 운동 증가뿐 아니라 수소결합 재배열과 일부 파괴에 에너지가 필요하기 때문에 물은 온도 변화가 느리고, 지구 기후 완충 능력과 생명체 체온 안정성에 큰 역할을 합니다. 말씀하신 것처럼 액체 상태에서는 수소결합이 계속 재편되며 분자들이 비교적 촘촘하게 움직일 수 있지만, 물이 고체 상태로 얼게 되면 분자들이 규칙적으로 배열되며 각 물 분자가 네 방향으로 수소결합하는 육각형 격자 구조를 형성합니다. 이 구조는 내부에 빈 공간이 많아 액체 물보다 덜 촘촘하기 때문에 얼음의 밀도가 물보다 낮아 물에 뜨는 것입니다. 감사합니다.

Answer 2

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

물 분자 사이의 수소 결합은 원자들 간의 전자를 끌어당기는 힘의 차이에서 시작됩니다. 물 분자 내부에서 산소는 수소보다 전자를 당기는 힘이 강해 전자가 산소 쪽으로 치우치게 됩니다. 이로 인해 산소는 부분적으로 음전하를, 수소는 양전하를 띠는 극성을 갖게 됩니다. 이때 한 분자의 수소가 인접한 다른 분자의 산소와 자석처럼 강하게 끌어당기며 결합하는데, 이것이 바로 수소 결합입니다.

​이 결합은 물의 물리적 성질을 아주 독특하게 만듭니다. 우선 물의 끓는점이 분자량에 비해 비정상적으로 높습니다. 수소 결합이라는 끈끈한 힘이 분자들을 붙잡고 있어, 이를 끊고 기체로 변화시키려면 매우 큰 열에너지가 필요하기 때문입니다. 덕분에 물은 지구 환경에서 안정적인 액체 상태를 유지합니다.

​얼음의 구조 또한 수소 결합의 영향입니다. 액체 상태에서는 분자들이 자유롭게 움직이다가, 온도가 내려가 고체인 얼음이 되면 수소 결합은 분자들을 가장 안정적인 육각형 격자 모양으로 고정시킵니다. 이 과정에서 분자 사이에 빈 공간이 생겨 부피가 늘어나고 밀도는 낮아집니다. 결과적으로 얼음이 물 위로 뜨게 되는데, 이러한 성질은 겨울철 강물 아래의 생태계를 보존하는 결정적인 역할을 합니다. 결국 수소 결합은 생명체가 살기에 적합한 지구의 수환경을 조성하는 핵심 원리라고 할 수 있습니다.