1. 물의 순환
물은 태양 에너지를 근원으로 하여 지구계의 각 권 사이를 순환한다. 태양 에너지를 받아 수권에서 증발한 물은 기권에서 수증기 상태로 존재하다가 비나 눈이 되어 다시 수권으로 돌아간다.
물의 순환
① 지구계에서 물의 순환은 주로 태양 에너지에 의해 일어난다.
② 물은 고체, 액체, 기체로 상태가 변하면서 순환한다.
③ 물이 태양 에너지를 받아 지표에서 증발하여 수증기가 된다. (수권→기권)
④ 수증기는 기권에서 비나 눈이 되어 다시 지표로 내린다. (기권→지권, 수권)
⑤ 지표로 떨어진 물은 생물에게 공급(생물권)되거나, 지표를 변화시키면서 바다로 흘러 들어간다. (지권→수권)
※ 사라지지 않는 지구의 물
* 지구에 있는 물은 마시거나 증발하였다고 사라지는 것이 아니다.
* 지구에 있는 물은 항상 똑같은 양의 물이 상태를 바꾸며 끊임없이 돌고 돈다.
* 물의 순환은 지구 전체에서 동시에 여러 곳에서 일어난다.
물의 순환
( 수소 결합 )
물 분자의 구조
물 분자는 수소 원자 2개와 산소 원자 1개로 구성된 화합물이다.
( 모든 물질은 원자로 결합되어 있고, 원자와 원자가 결합되어 분자가 형성된다. )
( 원자 : 더이상 쪼갤 수 없는 가장 작은 입자 / 원소 : 물질의 성분 / 분자 : 물질의 성질 )
그런데 물 분자는 두 개의 수소 원자가 산소의 양쪽에 곧은 직선으로 붙어 있지 않고, 104.5°의 각도를 이루고 있어서 전기적으로 극성을 가지고 있을 뿐 아니라 다른 극성 분자들에 비해서도 수소 결합이라는 상당히 강한 분자 사이의 인력을 갖고 있다.
(수소는 +전하를 띄고, 산소는 -전하를 띄어 수소와 산소는 결합되는 데, 수소와 산소가 결합될 때, 서로 끌어당기는 강한 인력이 존재하는 것이다.)
참고) 수소 결합이란 분자 내에 전자를 끄는 힘이 상대적으로 매우 큰 F(플루오르), O(산소), N(질소) 원자와 결합된 H(수소) 원자가, 다른 분자들 중의 F(플루오르), O(산소), N(질소)와 같은 원자 사이에 작용하는 분자간의 인력을 말한다.
일반적으로 수소 결합을 하는 화합물들은 분자량에 비해 그 끓는점이 매우 높게 나타나는 특성이 있다.
수소 결합으로 인한 특성
물은 수소 결합으로 인해 물 분자 사이의 인력는 끊을 때 많은 에너지가 필요하다.(높은 온도에서 끓어 오른다.)
그래서 분자량이 비슷한 다른 물질에 비해 끓는점이 높으며 비열도 대단히 큰 물질이다.
(비열=열을 받고, 식는 데 필요한 열량 : 비열이 크다 : 천천히 식고, 천천히 데워진다.)
(모래는 비열이 작아 빨리 더워지고, 빨리 추워져 사막은 일교차가 큰 날씨)
(물은 비열이 머서 천천히 데워지고, 천천히 식는다. 바람은 추운 곳에서 더운 곳으로 불기 때문에 낮에 육지(모래사장)이 더 덥고, 바다가 더 춥기 때문에 낮에는 바다에서 육지로 바람이 불고, 밤에는 바다의 열이 천천히 식어 더 덥고, 모래가 빨리 열이 식어 춥기 때문에 육지에서 바다로 바람이 분다.)
물을 끓이려면 많은 연료를 사용하는 불편함이 있지만 물의 이러한 특성은 생물체가 살아가는 데 있어서 중요한 역할을 한다.
덥거나 추운 날에도 체온을 일정하게 유지할 수 있다.
물 분자의 결합
( 물과 얼음 )
얼음의 구조 : 물 분자의 수소 결합으로 인한 특성 중에 가장 신기한 현상은 바로 고체 상태인 얼음이 액체 상태인 물에 뜨는 것이다.
대부분의 물질은 액체가 고체로 바뀌면서 입자들 사이의 거리가 가까워지기 때문에 부피가 줄어들고 밀도는 커지게 된다.
그러나 물은 얼음이 될 때 수소 결합수가 늘어나고 그 사이에 빈 공간이 생겨 부피가 늘어나게 된다.
그러면 얼음의 밀도가 물보다 작아져서 물위에 뜨는 성질을 갖게 되는 것이다.
물은 특이하게도 1기압에서 온도가 약 4°C일 때 밀도가 0.99997g/cm3로 가장 크고
0°C에서 물의 밀도는 0.99984g/cm3, 얼음의 밀도는 0.91687g/cm3로 얼음의 밀도보다 물의 밀도가 더 크다.
물이 얼음으로 상태가 변할때 수소 결합이 강해지면서 물 분자들이 육각형의 구조를 이루게 되고, 그 사이에 빈 공간이 생겨 부피가 10% 정도 증가하게 되어 밀도가 감소하는 것이다.
반면 얼음이 녹을 때에는 수소 결합의 일부가 끊겨 빈 공간을 채우므로 물 분자 사이의 간격이 줄어들어 부피가 작아지고 밀도가 커지는 것이다.
바로 이러한 물의 특성 때문에 겨울에 물이 든 파이프가 얼어서 터지기도 하고, 쇠고기나 채소를 얼리면 세포막이 파괴되어 맛이 달라지며, 바위틈의 물이 오랜 세월 동안 얼었다 녹았다 하는 과정에서 틈이 벌어져 바위가 부서지기도 하는 것이다.
강이나 호수가 위에서부터 얼게 되는 것도 이와 같은 이유다.
그래서 한겨울에도 호수의 물고기들이 평화롭게 살아갈 수 있고, 어린이들은 스케이트도 신나게 탈 수 있는 것이다.
(물의 표면장력)
물과 같은 액체는 서로 강하게 붙어 있으려는 성질(응집력) 때문에 표면을 팽팽하고 탄력 있는 막처럼 만드는 힘이 있다.
이것을 '표면 장력'이라고 한다.
물 표면에 바늘이나 면도날을 조심스럽게 올려놓으면 물 위에 뜨는 것은 바늘이나 면도날이 가벼워서 표면 장력을 깨지 못하기 때문이다. 그리고 물방울이 둥근 것도 표면 장력으로 표면의 넓이가 가장 작도록 힘이 가해지기 때문이다.
물가에서 하는 물수제비는 표면 장력에 의해 돌이 물 위로 튀겨 가는 것이다.
그리고 소금쟁이는 가볍기 때문에 표면 장력을 깨지 않고 물 위를 떠다닐 수 있다.
비누나 샴푸 같은 세제에는 '계면 활성제'라는 성분이 들어 있는데, 이것은 표면 장력을 약화시킨다.
그래서 소금쟁이의 다리 부분에 세제를 조금 떨어뜨리면 소금쟁이는 가라앉게 된다.
식물이 뿌리에서 잎까지 물을 끌어 올릴 때에도 응집력이 필요하다.
중력을 거슬러 뿌리에서 잎으로 물을 끌어 올리는 데 사용되는 힘 역시 물의 응집력이다.
광합성으로 잎에 형성된 포도당과 녹말로 농도가 높아진 잎의 공변세포의 기공이 열리게 되면(증산작용) 삼투압 현상에 의해 물이 이동하게 되는데(물은 농도가 낮은 곳에서 높은 곳으로 이동한다.) 이 때, 뿌리에서 잎으로 물이 이동하게 되면, 물은 중력의 힘을 거슬러야 한다. 이 때, 물의 응집력을 이용해 뿌리에서 잎으로 물이 이동하게 되는 것이다.
(참고)
탄소의 순환
탄소는 지구계의 각 권에서 다양한 형태로 존재하며 순환한다. 탄소는 수권에서는 탄산 이온, 기권에서는 이산화 탄소, 생물권에서는 생물의 몸체를 구성하는 물질, 지권에서는 화석 연료나 석회암의 형태로 분포한다.
탄소의 순환
① 기권의 탄소는 광합성에 의해 생물권으로 이동하거나 해수에 녹아 수권으로 이동한다. (기권→생물권, 수권)
② 생물의 탄소는 생물이 땅에 묻혀 화석 연료가 되면 지권으로 이동한다. (생물권→지권)
③ 지권의 탄소는 화산 활동에 의해 기권으로 다시 이동한다. (지권→기권)
④ 화석 연료의 사용이 증가하면 탄소가 기권으로 이동하고, 이산화 탄소가 온실 효과를 일으켜 지구의 기온이 상승한다. (지권→기권)
⑤ 기온이 상승하면 해수에 녹아 있던 탄소가 기권으로 이동한다. (수권→기권)
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