물이 끓는다는 것은 무엇일까?

《 물이 끓는다는 것은 무엇일까? 》

우리들은 물이 섭씨 100도씨에서 끓고, 이때 물이라는 액체(Liquid)에서 수증기라는 기체(Gas)로 변한다라는 것은 상식으로 알고 있을것이다. 그리고 추가적으로 섭씨 100도씨가 물의 끓는점(Boiling Point)이라는 것도 알고 있다.

상식적인 내용에 살을 붙이고, 물이 끓는 다는 것이 원론적으로 무엇인지 구체적으로 알아보자.

물이 끓는다는 것은 무엇일까?

물이라는 액체는 소위 말하는 수소 결합이란 형태로 하나의 물분자와 다른 물분자가 강한 물리적인 결합을 형성하고 있다. 물은 수소2개와 산소1개로 이뤄진 분자인데, 산소의 강한 전기음성도로 인하여 수소-산소의 공유결합에서 산소쪽으로 전자의 끌림이 강하여 산소는 부분적으로 음의 전하(partial negative charge)를 가지고 있고 2개의 수소는 부분적으로 양의 전하(partial positive charge)를 띠고 있다.

따라서 하나의 A라는 물분자내의 산소는 부분적인 음의 전하를 B라는 물분자내의 수소는 부분적인 양의 전하를 가지고 있기 때문에 A와 B의 물분자는 전기적인 비교적 강한 물리적인 결합을 할수가 있는 것이다.
그렇기 때문에 수소 결합으로 연결된 물분자와 물분자는 상당히 떼어내기가 어렵고 이런 수소 결합으로 액체 상태인 물의 형태로 존재를 하게 된다.

그러나 이런 물에 에너지를 가하게 되면 어떨까? 다시 말하면 물에 온도를 올려 열 에너지를 가하게 되면 어떨까? 물에 강제적으로 열에너지를 가하게 되면 열에너지는 물분자내의 산소-수소의 결합을 매우 강하게 "진동"시킨다. 그리고 급기야 물분자-물분자의 결합인 수소결합을 이기고 물분자 혼자만의 자유의 몸이 되려고 할것이다. 

물분자의 다양한 진동 모드

이때 이 자유의 몸이 바로 기체 상태인 수증기인것이다. 기체란 바로 다른 액체와의 간섭을 받지 않는 상태를 말하며 기체 상태가 되면 물분자와 물분자간의 거리는 액체 상태와의 거리에 비해 훨씬 길어진다.
그런데 여기서 물이 자유의 몸인 수증기가 되기 위해서 한가지 더 고려해야할 사항이 있다. 그것은 바로 대기압이다.

대기압이란 무엇일까? 
대기압은 기체가 누르는 힘인데, 좀더 쉽게 말을 하자면 기체의 무게를 대기압으로 이해를 하여도 좋다.
지구상에는 우리 눈에 보이지 않는 수많은 기체들이 존재를 하고 있는데 이 눈에 보이지 않는 기체들이 겹겹이 쌓여 지표면에 있는 사람을 포함한 수많은 것들을 누르고 있다. 해발 0m의 지표면에 적용하는 대기압을 우리는 1기압으로 정의를 하고 있다. 

앞서 물의 경우와 같이 열에너지를 공급해주면 물분자-물분자의 수소결합을 이겨내고 물분자 혼자 존재하여 위로 튀어 올라갈 자유의 몸이 될수 있다고 설명을 하였는데 누르는 공기의 무게(대기압)가 크면 클 수록 물분자가 튀어 오르기 위해서는 더 큰 열에너지가 필요하게 된다.

정리를 하자면 물분자(액체)가 기체가 되려면 물분자-물분자의 수소결합+대기압을 이겨낼수 있는 열에너지가 필요하며 해발 0m의 1기압에서는 100도의 열이 필요하다. (참고로 알콜의 경우는 1기압에서 더낮은 온도에서 끓는다. 물에 비해 수소결합이 약하기 때문이다.) 그런데 에베레스트 정상의 경우는 높이가 해발 8천m가 넘기 때문에 쌓여있는 공기의 무게가 해발 0m보다 적어 공기의 무게도 상대적으로 가볍기때문에 기압이 작이지기 때문에 물이 끓기 위해서는 70도의 열만 필요하게 된다. 따라서 높은 산에서는 낮은 온도에서 물이 끓기 때문에 밥을 짓게 되면 밥이 설익어 맛이 없게 된다는 것이다.

정리를 해보자면...
1) 액체인 물은 물분자-물분자가 수소 결합이란 강한 물리적 결합으로 이뤄진 상태이고, 기체인 물은 물분자와 물분자가 서로 떨어져 멀리 존재한 상태를 의미한다.
2) 물분자-물분자의 수소결합을 깨기 위해서는 물분자에 열에너지를 공급하면 된다. 물분자에 열에너지를 공급하면 수소-산소 결합이 늘어났다 줄어들었다식의 왕성한 진동이 발생이 되고 이런 진동으로 인해서 수소결합이 깨지게 된다.
3) 물분자가 수소 결합을 깨트린다고 해도 공기의 무게를 이겨내지 못하면 기체가 되지 못한다. 공기의 무게를 이겨낼 수 있는 추가적인 열에너지가 필요하다.
4) 해발0m일때의 공기 무게가 가장 무겁기 때문에 물이 수증기가 되려면 100도씨의 열을 공급해줘야 하고, 해발 9천m 가량에서는 공기 무게가 더 가볍기 때문에 70도 정도의 열에너지만 가해줘도 물이 끓는다. 보다 더 높은 우주 공간에서는 공기가 더 희박하여 압력이 더 낮기 때문에 50도 이하에서도 물이 끓을수가 있다.
5) 물보다 수소결합이 약한 알콜은 100도씨 이하에서 끓는다.

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