물은 왜 화학의 규칙을 깨뜨릴까

한겨울 얼어붙은 호숫가에서, 창백한 얼음판 아래로 검은 물이 느릿느릿 움직인다. 화학적으로 말하자면 그 장면의 거의 모든 것이 잘못되어 있다. 작은 분자를 지배하는 평범한 논리에 따르면, 어떤 물질의 고체 형태는 녹은 양초가 녹은 밀랍 속으로 가라앉듯 자기 액체 속에서 가라앉아야 한다. 얼음은 바닥에 생겨야 하고, 호수는 아래에서부터 단단히 얼어붙어야 하며, 그 아래의 물고기는 갈 곳이 없어야 한다. 그런데 실제로는 얼음이 떠올라 그 아래의 물을 단열하고, 호수는 정작 중요한 곳에서 액체 상태로 남는다.

1939년, 화학자 라이너스 폴링은 20세기에 가장 영향력 있는 과학서 가운데 하나인 *화학 결합의 본질(The Nature of the Chemical Bond)*을 펴냈다. 그는 이 책에서 물 분자들 사이의 단 하나의 수수한 상호작용, 곧 수소 결합이 물의 거의 모든 특별한 성질을 푸는 열쇠라고 주장했고, 그 주장은 놀라울 만큼 오래 살아남았다. 이 글이 답하려는 물음은 단순하지만 그 답은 깊다. 지구에서 가장 친숙한 물질이 어째서 우리가 아는 거의 모든 작은 분자와 그토록 다르게 행동하는가?

굽어 있는 분자

모든 것이 시작되는 곳이 모양이므로, 모양에서 출발하자. 물 분자는 산소 원자 하나에 수소 원자 둘이 결합한 것이지만, 일직선으로 늘어서 있지는 않다. 산소 원자는 수소와의 결합에 관여하는 전자쌍 둘과, 산소 혼자만의 것인 이른바 고립 전자쌍 둘을 지닌다. 이 네 개의 전자쌍은 모두 서로 밀어내는데, 고립 전자쌍이 결합 전자쌍보다 더 세게 밀기 때문에 두 산소-수소 결합을 한데 눌러 모은다. 그 결과 두 결합 사이에는 약 104.5도의 각도가 생긴다. 부드럽지만 결과가 큰 굽음이다.

이 굽음은 겉치레 같은 사소한 사항이 아니다. 산소는 수소보다 전자를 자기 쪽으로 훨씬 강하게 끌어당기므로, 산소-수소 결합은 저마다 한쪽으로 치우쳐 있어 산소에는 작은 음전하가, 수소에는 작은 양전하가 실린다. 만약 물 분자가 가상의 곧고 직선적인 모양이었다면 이 두 치우친 결합은 정확히 반대 방향을 가리키며 서로의 끌림이 상쇄되어, 분자는 전기적으로 균형을 이룰 것이다. 굽음은 그 대칭을 망가뜨린다. 이제 두 결합은 부분적으로 같은 방향을 가리키고, 그 끌림은 상쇄되는 대신 더해지며, 분자는 영구적인 전하 분리를 갖게 된다. 화학자들이 쌍극자 모멘트라 부르는 성질이다. 물의 경우 그 쌍극자 모멘트는 약 1.85 디바이로, 이렇게 작은 분자치고는 큰 값이다. 그러니까 굽은 모양이 물을 극성으로 만들고, 극성이 물을 흥미롭게 만든다.

무거운 짐을 도맡는 결합

양극단과 음극단을 가진 극성 분자는 자연히 이웃들과 양극은 음극에, 음극은 양극에 맞추어 정렬한다. 그러나 물에서는 이 정렬이 더 구체적이고 더 강력한 무언가가 된다. 한 분자의 약한 양전하를 띤 수소가 이웃 분자의 산소에 있는 고립 전자쌍 쪽으로 끌리면서, 약하지만 방향성을 띤 연결이 만들어진다. 바로 수소 결합이다.

극성 분자들 가운데 물을 특별하게 만드는 것은 그 계산법이다. 물 분자 하나는 이웃에게 내줄 수소를 둘 가지고 있어 수소 결합을 둘 내어줄 수 있고, 산소에 고립 전자쌍을 둘 가지고 있어 둘을 더 받아들일 수 있다. 주는 쪽 둘과 받는 쪽 둘 덕분에 각 분자는 한 번에 이웃 넷까지 묶을 수 있으며, 이들은 삼각뿔의 꼭짓점처럼 대략 정사면체 형태로 분자 주위에 배치된다. 다른 어떤 흔한 작은 분자도 주는 쪽과 받는 쪽의 이런 정확한 균형을 갖고 있지 않으며, 그 네 갈래의 연결성이야말로 물의 행동 뒤에 숨은 구조적 비밀이다.

수소 결합 하나하나는 미약하다. 결합 에너지가 몰당 약 20킬로줄로, 애초에 물 분자를 붙잡고 있는 공유 산소-수소 결합의 몰당 약 460킬로줄과 비교하면 스무 배 넘게 약하다. 그러나 수소 결합의 수가 엄청나게 많고, 이것들이 함께 작용하면 액체 물의 전반적인 행동을 좌우한다. 여기서 얻을 교훈은, 화학은 흔히 강한 결합의 이야기가 아니라 함께 작용하는 수많은 약한 결합의 이야기라는 점이다.

같은 옷을 입은 네 가지 변칙

물은 하나씩 떼어 놓고 보면 제각각의 별난 점처럼 보이는 몇몇 성질로 유명하다. 그러나 가까이 들여다보면 그것들은 하나의 원인으로 모인다. 각각은 동일한 수소 결합 망의 지문이며, 같은 성질을 네 가지 다른 각도에서 본 것이다.

첫째는 높은 끓는점이다. 액체를 끓이려면 그 분자들을 떼어 기체로 만들어야 하는데, 물에서 이는 분자들을 한데 엮고 있는 수소 결합의 그물을 끊는다는 뜻이다. 그 그물은 충분히 튼튼해서 물은 섭씨 100도까지 줄곧 액체로 남으며, 이는 그 작은 크기로 예상되는 것보다 훨씬 높다. 둘째는 높은 열용량이다. 물 1그램의 온도를 단 1도 올리는 데 4.18줄이 드는데, 이는 놀랄 만큼 큰 양이다. 우리가 더한 에너지의 상당 부분이 분자를 단순히 빠르게 움직이게 하기보다 수소 결합을 느슨하게 푸는 데 들어가기 때문이다. 해안 지역이 사막보다 날씨가 온화한 이유, 그리고 우리 몸이 일정한 온도를 유지할 수 있는 이유가 바로 이것이다. 물은 온도 변화에 저항한다.

셋째 변칙은 얼어붙은 호수에서 본 것이다. 물이 얼면 분자들은 열려 있는 규칙적인 격자에 갇히는데, 그 안에서 각 분자는 수소 결합으로 묶인 이웃 넷을 일정한 거리만큼 떨어뜨려 붙든다. 그 정연한 배열은 사실 액체 물의 부대끼는 무리보다 더 넓게 자리를 차지하므로, 얼음은 그것이 비롯된 액체보다 밀도가 약 9퍼센트 낮고, 그래서 뜬다. 넷째는 높은 표면장력이다. 물의 표면에서 분자들은 수소 결합으로 묶인 이웃들에 의해 안쪽과 옆쪽으로 끌리지만 위쪽에서 끌어올릴 것이 없으므로, 표면은 약 72밀리뉴턴 퍼 미터의 세기로 팽팽한 탄성 막처럼 행동하며, 이는 어떤 곤충들이 연못 위를 걸을 수 있을 만큼 충분하다. 네 가지 성질이지만, 하나의 망이다.

두 분자 이야기

수소 결합이 얼마나 많은 일을 하는지 가장 깔끔하게 보는 방법은, 이 점만 빼면 모든 면에서 물과 거의 똑같은 분자를 찾아 둘을 비교하는 것이다. 천연가스의 주성분인 메탄이 좋은 후보다. 화학식은 CH4이고 몰질량은 약 16그램 퍼 몰로, 물의 18그램 퍼 몰과 거의 같다.

닮은 점은 거기서 끝난다. 메탄은 의미 있는 전하 분리가 없는 단정하고 대칭적인 분자다. 비극성이며, 그 분자들은 분산력이라고 알려진 희미하고 덧없는 끌림을 통해서만 서로 들러붙는다. 물은 극성이고 수소 결합으로 촘촘히 엮여 있다. 그 결과는 극적이다. 메탄은 약 섭씨 영하 161도에서 끓으므로 상온에서는 기체이며, 물이 고체 얼음이 되는 지점보다 한참 아래에서부터 줄곧 기체였던 반면, 물은 섭씨 100도에서 끓는다. 둘의 끓는점 차이는 약 섭씨 261도로, 질량이 거의 같은 두 분자 사이의 엄청난 차이이며, 이는 거의 전적으로 눈에 보이게 드러난 수소 결합이다.

물은 왜 세상을 녹이는가

물은 흔히 만능 용매라고 불리는데, 어떤 용매도 진정 모든 것을 녹이지는 못하지만 그 별명은 실재하는 무언가를 가리킨다. 수소 결합을 이끄는 바로 그 극성이 물로 하여금 다른 많은 물질을 에워싸 떼어내게 한다. 염화나트륨 같은 소금이 물을 만나면, 부분 음전하를 띤 분자의 산소 끝들이 양전하를 띤 나트륨 이온 주위로 모여들고, 부분 양전하의 수소들은 음전하를 띤 염화 이온 주위로 밀려든다. 결정은 이온 하나하나 떨어져 나오도록 구슬려지며, 저마다 방향을 맞춘 물 분자의 외피에 감싸인다. 극성 분자와 전하를 띤 이온이 물에 녹는 것은 바로 이 때문이다.

그에 못지않게 시사적인 것은 물이 녹이기를 거부하는 것이다. 기름, 지방, 그리고 세포막을 이루는 분자들의 긴 탄화수소 꼬리는 비극성이라, 물의 쌍극자가 붙잡을 것을 전혀 내주지 않는다. 이들은 물에서 배제되어 한데 모이는데, 이는 화학의 실패가 아니라 생물학의 토대다. 세포막을 이루는 분자인 인지질은 물을 좋아하는 머리와 물을 두려워하는 꼬리를 가지고 있어, 물에 놓이면 꼬리는 물에서 떨어진 안쪽으로 안전하게 접어 넣고 머리는 바깥을 향하게 한 이중층으로 스스로 배열된다. 막은 근본적으로 물의 거부가 지어 올린 구조물이다.

생명의 용매, 그리고 그 중성점

성인의 체질량 가운데 대략 60퍼센트가 물이며, 그 비율은 지방이 적은 근육 조직에서는 더 높고 유아에서는 더더욱 높다. 우리는 무게로 따지면 대부분 용액이며, 이는 우리가 작동하는 방식에 부수적인 것이 아니라 그 전제 조건이다. 효소 촉매 작용, 막을 가로지르는 이온의 수송, 단백질이 작동하는 모양으로 접히는 일, 막 자체의 조립, 그리고 세포를 조율하는 화학적 신호 전달은 모두 물 속에서, 또는 물 주위에서 일어난다. 수용액 화학은 생명의 반응이 진행되는 매질이며, 물의 성질이 그 반응들이 따르는 규칙을 정한다.

물에는 또한 조용한 자체의 화학이 있다. 이따금 두 물 분자가 양성자를 주고받아, 하나는 하이드로늄 이온(H3O+)이 되고 다른 하나는 수산화 이온(OH-)이 된다. 자동 이온화라고 불리는 과정이다. 섭씨 25도에서 이는 아주 작은, 정해진 정도로만 일어난다. 수소 이온과 수산화 이온의 농도가 각각 리터당 천만 분의 1몰에서 자리를 잡으며, 이는 정확히 7.00의 pH에 해당한다. 그것이 화학적으로 중성이라는 말의 정의이고, 순수한 물이 모든 산과 염기를 재는 기준이 되는 이유다. 우리가 어떤 용액을 산성이나 염기성이라고 부를 때, 우리는 순수한 물이 스스로와 유지하는 균형에서 그것이 얼마나 벗어났는지를 재고 있는 것이다.

영속이 아니라 피코초

물의 수소 결합 망을 모든 것을 제자리에 붙들어 두는 결정 같은 구조물, 곧 고정된 비계로 그리고 싶은 유혹이 든다. 적잖은 사이비 과학이 바로 그 이미지에 기댄다. 실상은 더 유동적이면서 더 흥미롭다. 액체 물에서 그 망은 끊임없이 찢어졌다가 다시 엮이는 역동적인 통계적 그물이다. 개별 수소 결합은 깨져서 다른 이웃과 새 결합을 이루기까지 단 약 1피코초, 곧 1조 분의 1초만 지속된다. 연결성은 한결같지만, 어떤 특정한 배열도 오래 남지 않는다.

이것이 중요한 까닭은, 바로 여기서 과학이 마케팅과 갈라지기 때문이다. 물이 한때 녹아 있던 물질의 기억을 간직할 수 있다거나, 특별한 성질을 지닌 안정되고 지속적인 군집을 이룬다는 주장은 통제된 실험을 견디지 못한다. 무언가를 기억할 비계 따위는 없다. 그 정보를 저장해야 할 결합들이 1초에 수천억 번씩 사라졌다가 다시 만들어지기 때문이다. 물의 진정한 경이로움은 어떤 장식도 필요로 하지 않는다. 그 변칙들이 비범한 까닭은 바로 그것들이 언제나 흩어지고 언제나 스스로를 다시 짜 맞추는 망에서 떠오르기 때문이다.

핵심 정리

물은 굽은 분자다. 두 산소-수소 결합이 전자쌍 반발에 의해 약 104.5도로 벌어져 있고, 그 굽음 덕분에 물은 곧은 분자가 가질 전기적 균형 대신 약 1.85 디바이의 영구 쌍극자를 갖는다. 그렇게 생긴 극성 덕분에 각 분자는 수소를 통해 둘을 내주고 산소의 고립 전자쌍을 통해 둘을 받아들여, 정사면체로 배치된 이웃 넷까지와 수소 결합을 이룬다. 그런 결합 하나하나는 약해서 공유 O-H 결합의 460에 비해 몰당 약 20킬로줄에 불과하지만, 다 함께 작용하면 물의 행동을 지배하여 네 가지 모습으로 같은 효과를 낳는다. 섭씨 100도의 높은 끓는점, 그램당 켈빈당 4.18줄의 높은 비열, 액체보다 밀도가 약 9퍼센트 낮아 떠오르는 얼음, 그리고 72밀리뉴턴 퍼 미터에 가까운 높은 표면장력이다. 질량은 거의 같지만 수소 결합이 없고 끓는점이 약 261도나 낮은 메탄과의 대비는, 그 단 하나의 결합이 얼마나 많은 일을 해내는지 보여준다. 같은 극성이 물로 하여금 이온과 극성 분자는 녹이면서 기름과 지방은 배제하게 만드는데, 이것이 세포막이 조립되게 하고 우리 체질량의 약 60퍼센트를 차지하는 물이 생명의 용매로 기능하게 한다. 섭씨 25도에서 7.00의 중성 pH로 자동 이온화하는 순수한 물은 모든 산과 염기를 판정하는 기준이다. 그러나 이 망은 영속하는 결정이 아니라 약 1피코초의 시간 척도로 깨졌다가 다시 만들어지는 그물이며, 물 기억에 관한 통념이 면밀히 따져 보면 녹아 없어지는데도 물의 진짜 변칙들은 끝내 살아남는 이유가 바로 이것이다.