지구의 물은 총 몇 리터일까?

‘돈을 물 쓰듯이 한다’라는 말은 낭비 벽이 심한 사람의 소비 형태를 표현하는 것이며, 동시에 물은 매우 흔한 재원이라는 뜻도 포함하고 있다. 그렇지만 요즈음 같이 물이 소중한 시대에 살고 있는 우리는 물을 돈 쓰듯이 아껴가며 절약을 해서 사용을 하는 것이 좋다.  현재 우리나라 국민 1인당 하루 물 소비량은 약 400 리터 정도로 알려져 있고, 우리나라는 미래에 물 부족 국가 중 하나가 될 것이라는 예측은 벌써 오랜 전부터 있어 왔다.

격렬한 운동 후 갈증을 느낄 때 마시는 한 잔의 물, 몸을 청결하기 위해서 사용하는 물, 불을 끄기 위한 물, 매우 유용하고 다양하게 이용되는 우리 주변에 있는 물은 물의 소중함을 다시 한번 느끼게 해준다. 화학자의 입장에서 보면 물 분자는 산소원자 1개와 수소원자 2개가 결합해서 단순히 H₂O라고 표현되며, 물 분자들의 집합체인 물은 인류와 생명체를 지배하는 물질이라고 해도 과언이 아닐 정도로 매우 신기한 물질이다.  

아마 물이 없었다면 지구도 존재하지 않았을 것이며, 아름다운 호수나 바다가 없는 지구는 상상조차 힘들다. 인간도 자기 몸무게의 대략 70 퍼센트 정도가 물이다. 60킬로그램인 성인의 몸무게에서 물이 약 40 킬로그램이나 차지하며, 몸에서 물이 약 15 퍼센트 정도 빠지면 인간은 치명적인 위험 상태에 빠지게 된다. 

지구상에 존재하는 물은 대략 1.36 x 10²¹ 리터로 알려져 있다. 그 중에 약 97 퍼센트는 바다 물이며, 만년설이나 빙하로 약 1.8 퍼센트, 지하수 약 0.9 퍼센트, 호수, 강, 내륙에 있는 바다(대양과 직접 연결이 되어 있지 않은 바다)에 약 0.02 퍼센트, 대기 중 구름이나 수증기로 약 0.001 퍼센트가 존재한다. 대기압에서 물은 100℃에서 끓지만, 에베레스트 산에서는 압력이 낮아서 약 70℃에서도 끓는다. 액체 상태의 물은 끓어서 혹은 증발을 해서 물 분자 기체 혹은 물 분자 덩어리들의 집합체인 증기로 변한다. 그렇지만 해저의 해수구 근처에는 높은 압력으로 인해 400℃까지도 액체로 존재할 수 있다고 한다. 

지구의 물 = 1,360,000,000,000,000,000,000 리터

물질은 세가지 종류의 물리적 형태, 즉, 기체, 액체, 고체로 존재하며, 일반적으로 많은 물질들은 액체에서 고체가 되면서 밀도가 높아지는 특징이 있다. 밀도는 물질의 단위 부피당 무게(g/㎤)를 나타내는 물질의 중요한 특성 중 하나다. 자연에 존재하는 원소 중에서는 오스뮴(Os)의 밀도(22.61 g/㎤ = 22.61 ㎏/ℓ가 가장 크다. 실온에서 물(밀도: 1 g/㎤ = 1 ㎏/ℓ)은 약 1리터가 1 킬로그램인데 비해 오스뮴의 경우에는 가로 세로 높이 10센티미터 크기의 오스뮴 뭉치는 22.61 킬로그램이나 된다는 뜻이다. 만약에 가로 세로 높이가 20센티미터 크기의 오스뮴이라면 무게가 약 181 킬로그램이나 되니 사람이 들고 운반하기는 불가능해 보인다.

아름다운 호수나 바다가 없는 지구는 상상조차 힘들다.

 

겨울철 수도관이 얼어 터지는 이유

물은 고체가 되면 오히려 밀도가 낮아진다. 이것은 물이 고체가 되면서 부피가 늘어나기 때문이다. 부피가 늘어나는 것은 물 분자들 사이에 형성되는 수소결합이 원인이다. 수소결합은 질소(N), 산소(O), 플루오르(F)와 같이 전자를 잘 끌어당기는 성질이 강한 원자들이 수소원자와 결합하여 생기는 독특한 결합의 한 형태를 말한다. 질소, 산소, 플루오르 원자들과 결합되어 분자를 구성하고 있는 수소 원자들은 상대적으로 전자가 빈곤한 상태가 되어 이웃에 자리하고 있는 다른 분자의 질소, 산소 플루오르가 가지고 있는 고립 전자쌍과 결합을 한다. 이러한 결합을 수소결합이라고 한다. 

겨울철에 온도가 급강하 하면 수도관이 얼어 터지는 것은 얼음이 형성되면서 부피가 증가하여 관을 파괴하기 때문이다. 고체가 되면서 액체일 때 보다 부피가 늘어나는 물질은 물 이외에도 갈륨(Ga), 비스므쓰(Bi), 실리콘(Si), 안티모니(Sb)등이 있다. 따라서 이들 물질을 보관하려면 깨지지 쉬운 용기에 보관하는 것을 피해야 한다.

물의 밀도는 4℃에서 최대이다. 즉 물의 밀도는 4℃ 이상의 온도에서는 온도가 증가할수록 밀도가 낮아지고, 4℃ 이하의 온도에서는 온도가 감소할수록 밀도가 낮아지는 셈이다. 이것도 정말 대단하고 놀라운 일이 아닐 수 없다. 상온에서 온도가 내려가면 물의 밀도가 증가하기 때문에 표면에 있는 차가워진 물은 밑으로 내려가고, 상대적으로 밀도가 낮은 바닥의 물은 위로 올라와 자연적인 물의 대류가 이루어진다. 

그러나 물의 온도가 더 낮아져 4℃ 이하로 내려가면 물의 밀도는 다시 감소하기 때문에 표면에 있는 물이 더 이상 밑으로 내려가기가 어렵다. 따라서 표면에 있는 물들은 온도가 더 내려가 점점 냉각이 되어 드디어 0℃에 도달하면 얼기 시작한다. 표면에서 얼음이 형성되기 시작하는 것이다. 만약에 물이 얼음이 되면서 지금처럼 밀도가 작아지지 않고 반대로 커졌다면 얼음이 형성되면서 호수나 강의 밑바닥으로 가라 앉았을 것이며, 온도가 영하로 내려간 후에는 모든 호수나 강은 전부가 얼음 덩어리로 채워졌을 것이고, 그 안에 존재하는 모든 생명체들은 살아 남기가 어려웠을 것이다.

물의 또 다른 중요한 역할은 열을 조절하는 기능이다. 얼음을 녹여 물로 만들기 위해서는 얼음에 열(에너지)을 가해야 하며, 반대로 물을 얼려서 얼음을 만들기 위해서는 물이 가지고 있는 열(에너지)를 제거해야 한다. 

이렇게 상 변화에 따라 수반되는 열을 잠열(latent heat)이라고 한다.  얼음이 형성되고(액체->고체:응고), 녹는(고체->액체:용융) 온도인 0℃ 에서 상 변화에 따른 물의 잠열은 335 J/g(약 80 ㎈/g), 물이 증기가 되고(액체->기체:기화), 응축되는(기체->액체:액화) 온도인 100℃ 에서 상 변화에 따른 물의 잠열은 2272 J/g(약 544 ㎈/g) 이다. 겨울철 형성된 얼음이 녹는 과정에서는 대기중에 포함된 열이 얼음으로 이동되며, 얼음이 어는 과정에서는 물에서 대기중으로 열이 방출이 된다. 

지구가 햇볕에 의해 뜨거워 져도 갑자기 온도가 올라가지 않는 것은 얼음이 녹는 과정이나 물이 가열이 되어 증기가 되는 과정에 대기의 열이 흡수되기 때문이다. 반대로 겨울철에 온도가 내려가면 증기가 물로, 물이 다시 얼음으로 변화하는 과정에서 빠져 나온 열이 대기중으로 흘러 들어 가기 때문에 급격한 온도의 하강이 이루어지지 않는다.  즉 대기의 온도에 대한 완충작용을 훌륭히 해내고 있은 것도 물이다.  만약에 물이 없다면 계절변화에 따른 온도의 변화가 더욱 심해 질 것이 분명하다.  주변에 물이 거의 없는 사막에서는 낮과 밤의 온도의 변화가 큰 것도 이러한 물의 완충작용이 없기 때문이다.

 한국과학창의재단  사이언스올 

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