제1부 물의 과학

제1장 물의 화학

순수한 물은 무색·무미·무취이며 상온에서 액체인 물체로 수소와 산소의 화합물이다.
물의 특성들은 전자구조, 결합 상태, 화학 등에 의해 영향을 받으며 서로 밀접한 관계를 맺고 있다. 물의 화학은 기본적인 화학적 특성과 정보들을 내포하고 있다.

1.1. 물의 조성
물은 구조식 H2O에서 볼 수 있듯이 2원자와 산소 1원자로 공유결합을 하여 104.5˚ 구부러진 굽은 모양의 구조를 이루고 있는 매우 간단한 물질이다. 이 두 원자들은 자연 상태에서 안정하며 방사활성이 있는 동위원소들 (isotopes)을 함유하고 있다 (표 1.1). 산소 (O2)와 수소 (H2)의 일반 동위원소들에 추가하여 17O, 18O, 2H (D), 3H (T)들이 조합하여 HOH 분자의 18개 동위원소가 생성된다. 이들 동위원소들로 인해 물 분자는 분자량이 18 (H2 16O)∼22 (D2 18O)의 범위로 존재한다 (표 1.2).
주된 물 분자인 H2 16O는 분자량이 18 amu (atomic mass unit, 원자 질량 단위)이지만, 분자량이 19와 20인 경우도 상당히 존재한다. 물 분자의 동위원소가 많은 것이 그들의 다양한 기원과 항상 일치하는 것은 아니다. 물 분자의 동위 원소 분포는 이들의 근원과 수명에 의존적이다.
D2 16O는 중수 (重水, heavy water)라고 하는데 자연적 물의 보강에 의해서 이루어진다. 중수의 특성은 핵 기술에 이용되기 때문에 특별히 관심을 끈다.
물은 극성 분자이므로, 좋은 무기 용매이다. 물의 분자는 평상시에는 수소와 산소가 쉽게 분리되지 않으나 전기분해와 같은 강한 에너지를 가해주면 분리가 가능해진다.

1.2. 물 분자의 구조와 결합
물 분자의 8개 바깥 전자들은 그림 1.1에서처럼 산소와 수소 원자사이에 있는 전자쌍이 점으로 표시되고 O-H 공유결합을 나타낸다. 다른 두 전자쌍들은 소위 외로운 쌍들이라고 한다. 이 전자쌍들은 각각 산소 핵 주위에 둘러싼 전자구름들을 형성한다. 이 때문에 물의 구조가 V자처럼 굽은 형태로 된다.
산소 핵에서 8개의 양전하들은 모든 전자들을 수소 원자들의 각 양전하 쪽으로 비교적 강하게 끌어당긴다. 이것은 수소 원자들이 부분적으로 전자들을 박탈하게 함으로써 부분적으로 양전하를 띠게 한다. 그리고 산소 원자는 부분적으로 음전하를 띠게 된다. 즉 와 같이 나타낼 수 있다.
물에서 평균 O-H 길이는 약 0.099 nm, 평균 H-O-H 각도는 약 105°, 그리고 산소 원자의 평균 음전하는 전자의 약 70%인데 각 중성 전하를 음전하와 나누고 수소 원자와 함께하는 전자가 있다. 물 분자들은 에너지와 주위에 의존적인 변수들에 따라 다른 값들을 갖는다. 물 분자들은 반데르발스 (van der Waals) 인력을 통해 서로 끌어당긴다. 한 분자의 음전하를 띤 전자들은 다른 분자의 양전하를 띤 핵을 끌어당긴다. 산소와 수소에 존재하는 반대 전하들은 서로 끌어당기는 다른 물 분자들을 형성한다. 그림 1.2에는 물의 구조, 결합각, O-H 길이 등이 제시되어 있다.
물 분자의 산소는 부분적으로 음전하 (δ?)를, 수소는 부분적으로 양전하 (δ+)를 띠게 되어, 각각 다른 물 분자의 수소와 산소가 서로 전기적으로 결합하게 된다. 예를 들어 H―O―H…O처럼 수소원자를 사이에 끼면서 2개의 산소원자가 맺어지는 것과 같은 결합을 수소결합이라고 한다. 수소결합은 보통의 화학결합에 비해서 힘이 약하다. 보통 화학결합의 결합력이 대략 100 kcal/mol인 반면에 물 분자에서 수소결합의 결합력은 대략 5 kcal/mol에 불과하다. 그러나 상온에서의 열운동 에너지가 1 kcal/mol에 불과한 것을 고려하면, 수소결합은 매우 큰 에너지를 함유하여서 물은 강하게 수소결합으로 서로 연결되어 있다.
노벨상을 두 번이나 받았던 미국의 라이너스 폴링 (Linus Pauling)박사는 물분자간의 수소결합이 물분자 내부의 화학결합과 전자적으로 공유되어서 실제로는 계산상으로 얻어진 값보다 더 강하게 결합하고 있다는 것을 1930년대 제안하였는데, 이 이론은 최근 실험적으로 증명되었다. 이것은 여태까지 알아온 수소결합보다 실제의 수소결합이 약 10% 더 강하다는 것을 의미한다.
실제로 물의 수소결합 에너지는 상온에서의 열에너지에 비해 매우 크기 때문에 수소결합이 끊어질 확률은 아주 낮은데도 물은 0℃ 근처에서는 약 10% 그리고 100℃ 근처에서는 약 20% 정도가 수소결합이 끊어져 자유롭게 활동하고 있다. 이것은 얼음이 거의 100% 수소결합으로 이루어져 있는 구조를 갖는 것에 비하면 매우 이상한 성질이라고 할 수 있다.
수소결합은 단지 물과 물 사이에서 뿐만 아니라, 인체에서 필요한 구체적인 기능을 담당하는 단백질, 또 그 단백질을 만드는 데 필요한 모든 정보를 담고 있는 DNA의 구조를 유지시켜주는 생체에서 가장 중요한 힘이다.
물 분자는 산소가 중심에 있고, 2개의 수튼원자들과 산소원자의 2쌍의 전자가 꼭지점에 위치하는 정사면체의 구조를 이룬다. 실제로 H－O－H의 각도는 104.5° (또는 105°)로 정사면체의 각도인 109.5°에 가깝다.
물 분자는 서로 수소결합을 할 수 있는 2개의 팔과 2개의 고리를 갖고 있는 것이다. 모든 물 분자가 4개의 수소결합을 할 수 있기 때문에 물과 물 사이는 수소결합으로 복잡하게 얽혀져 있을 것이다 (그림 1.3).
물에서의 수소결합은 H-O-H…O-2H 형태로 나타난다. 물 분자에서 2개의 수소 원자가 부분적으로 (+)전하를 띠고, 산소 원자가 (?)전하를 띠어서 굽은형 구조를 나타낸다. 이 때 물은 극성을 띠게 되는데, 이런 극성 때문에 (+)전하를 띠는 수소 원자와 (?)전하를 띠는 산소 원자 사이에 강한 정전기적 인력이 생겨서 결합이 형성된다.
이 때 물 분자 사이에 생긴 수소결합의 결합력 (인력)은 다른 분자들의 결합력에 비해 상대적으로 강하다. 따라서 물 분자 사이에 생긴 수소결합의 강한 인력을 끊기 위해서 많은 에너지가 필요하다. 그러므로 같은 양의 에너지를 가할 때 다른 물질에 비해 온도가 쉽게 올라가지 않는다. 결과적으로 물의 끓는점과 어는점이 높아진다.
또한 수소결합으로 인해 물에 많은 양의 열을 담을 수 있기 때문에, 비열과 열용량도 커진다. 이 현상이 지구생태계를 유지시키며, 바닷가에서 해풍과 육풍을 발생시키는 역할을 한다. 바다는 육지보다 비열이 커서 쉽게 가열되거나 냉각되지 않는다. 따라서 낮에는 육지쪽이 빨리 가열되므로 공기가 상승한다. 그 자리를 메우기 위해서 바다에서 육지쪽으로 공기가 이동하므로 해풍이 분다. 밤에는 육지쪽이 빨리 냉각되므로 상대적으로 온도가 높은 바다쪽의 공기가 상승한다. 그 자리를 메우기 위해서 육지에서 바다쪽으로 공기가 이동하므로 육풍이 분다.
물은 수소결합을 하기 때문에, 순수한 물은 0℃에서 얼어버린다. 이 때 물의 수소 결합으로 인해 얼음은 빈 공간이 많은 육각고리 모양의 결정을 형성하게 된다. 이 때문에 얼음이 되면 부피는 증가하고 밀도는 감소한다. (일반적으로 다른 물질들은 액체 상태 물질의 밀도보다 고체 상태의 물질의 밀도가 훨씬 크다) 이런 현상 때문에 얼음은 물에 뜨고 방한 작용을 하므로 영하의 기후에서 호수의 물고기들이 살아갈 수 있게 되었다.
이 뿐만 아니라, 수소결합에 의한 분자 간의 강한 인력 때문에, 물의 표면장력도 크다.
눈을 맞을 때는 온 세상이 하얗게 변하는 모습을 즐기면서 낭만에 빠지지만, 운전자에게 눈은 길을 미끄럽게 하거나 장애물이 되어 운전을 어렵게 하고 사고위험이 커지게 한다. 우리가 보기에는 다 똑같은 눈송이 같지만 눈 결정의 모양은 각각 다르다. 미국 캘리포니아 공대 케네스 리브렉트 (Kenneth Libbrecht)박사에 따르면 눈 결정의 형태는 온도의 영향을 받는다고 한다. 연구진은 온도가 영하 3∼10°C이면 막대형 결정이 주로 생기고 영하 0∼3°C이면 얇은 6각 판형이 주로 생긴다는 것을 밝혀냈다. 처음부터 이러한 형태로 만들어지지는 않으며, 초기에는 6각 판형이었던 눈이 지상으로 떨어지면서 가지가 붙어 다양한 형태로 변한다고 연구진은 덧붙였다 (그림 1.4).
또한 눈이 오면 사방이 고요하다고 느껴지는 것은 눈이 주변의 소음을 빨아들이기 때문이다. 눈송이와 그 속의 공간이 흡음제 (吸音劑) 역할을 하는 것이다.
보통 10 cm 높이의 눈을 녹이면 1 cm3 정도의 물이 생기기 때문에 눈은 겨울 가뭄을 해소하는 데 중요한 기능을 한다.

1.3. 물 분자의 회합 (association of water)
물 분자 HOH의 V-형 구조와 O-H 결합의 극성화된 특성은 분자 내에서 비대칭적 전하분포와 순수한 물의 증기 상태에 있어서 쌍극자 모멘트를 형성한다. 이 크기의 양극성은 분자간의 상당한 인력을 야기하며 물 분자들은 강한 힘으로 회합하게 된다. 물 분자들 간의 큰 인력은 삼차원 방식에 있어서 다중 수소결합의 회합들이 관련되는 것으로 설명할 수 있다. 수소결합은 결합 에너지가 2∼40 kJ/mol로 결합 에너지가 약 335 kJ/mol인 공유결합보다 약하지만 보다 크고 변화되기 쉬운 길이를 소유한다.
정전기력은 수소결합의 주된 에너지를 공급하기 때문에 물의 정전기적 형태는 단순하며 얼음에 존재하는 것으로 알려진 HOH의 정확한 기하학적 모양을 나타내게 한다.
물 분자의 높은 전기 음성적 산소는 공유결합된 2개의 수소원자들로부터 부분적으로 단일 전자들을 떼어놓는 것을 가시화할 수 있다.

1.4. 물 분자의 분해 (dissociation of water molecules)
순수한 물은 분자의 분해에 의해 다음의 반응식과 같이 수소이온 (H+)과 수산이온 (OH-)으로 된다.
H2O ↔ H+ + OH-
이 분해의 평형상수는 25°C (298 K)에서 Kw = 10-14 이며 pH는 7이다.
물 분자의 분해는 높은 온도에서 증가되고 순수한 물의 pH는 온도에 의존적이다. 100°C (373 K)에서 Kw는 10∼12로 접근되는데, 이 온도에서의 pH는 6에 가깝다. 25°C에서 pH 6은 OH- 농도가 10-8 M이며, 100°C에서 pH 6은 OH- 농도가 10-6 M이다.

1.5. 식품에서 물의 역할
식품에서 물은 각종 영양소, 효소, 화학물질 등을 용해 또는 분산시키는 역할을 하거나 가수분해 반응에서 기질로서의 작용을 수행하며 호화 및 노화에도 영향을 주고 미생물의 생육에도 필수적인 기능을 하는 등 그 역할은 다양한데 표 1.3과 같이 요약할 수 있다.
식품에 존재하는 수분은 자유수 (free water)와 결합수 (bound water)로 나눌 수 있다. 자유수는 유리수라고도 하는데 식품을 건조시키면 쉽게 제거되며 식품에 따라 5∼96% 함유되어 있고 0℃ 이하에서 잘 어는 특징이 있으며 각종 염류, 당질, 아미노산 등 수용성 물질들의 용매로 작용하거나 단백질, 당질 등의 분산매로 작용한다.
결합수는 당질의 수산기 (?OH), 단백질의 아미노기 (?NH2)와 카르복시기 (?COOH), 지질의 수산기 (?OH) 등과 수소결합이나 이온결합 등으로 결합되어 있으며 100℃에서 증발되지 않고 -18℃에서도 잘 얼지 않는 물이다. 결합수는 반응하지 않는 물 (nonreactive water), 용해성이 없는 물 (nonsolvent water), 동결하지 않는 물 (nonfreezing water), 고정화된 물 (immobilized water) 등으로 세분되어 인용되기도 한다.
식품 중의 수분함량의 측정 방법에는 상압 가열 건조법 및 증류법 외에도 특정한 식품에 대해서는 물리적 방법으로서 전기적 방법, 비중 측정법, 적외선 측정법, 굴절률 측정법, 마이크로파를 이용한 측정법 등과 화학적 방법으로는 Karl Fischer법, acetylene 발생법 등이 있는데 상압 가열 건조법과 Karl Fischer법이 가장 흔하게 이용되고 있다.

1.6. 수분활성도 (water activity, Aw, aw)
식품의 수분 함량은 식품 자체의 수분 함량과 이를 포위하고 있는 공기 중의 상대습도간의 상관관계로서 결정된다. 따라서 식품에서 일반적으로 사용하는 % 수분함량은 적당치 않다.
수분활성도는 식품의 본질적인 특성이고 평형 상대습도는 식품과 평형을 이루는 환경에서의 특성이다. 수분함량이 높을 때 수분의 양이 고형성분의 양을 초과하면 수분활성도는 1.0에 가깝다.
수분활성도는 식품 내 물의 부분압을 같은 온도에서 물의 부분압으로 나눈 값으로 0∼1 사이에 존재한다.
Aw = P/Po
여기에서 Aw = 수분활성도
P = 식품 내 물의 부분압
Po = 같은 온도에서 물의 증기압을 의미한다.
일반 식품에는 물 뿐만 아니라 단백질, 당질, 지방질, 무기질 등의 고형물이 함유되어 있으므로 상대적으로 수분 함량도 적고 그 수증기압도 적다. 따라서 일반 식품에서는 P가 Po 보다 적다.
수분활성도는 수분활성도 측정계 (water activity meter) 또는 수분활성도 측정기 (water activity analyzer)를 사용하여 측정할 수 있다. 수분활성도는 평형 증기압법, 동결법, 팽윤압법 등의 열역학적인 방법과 묽은 용액에 적용되는 Roult의 법칙에 의해 측정이 가능하다. 대부분의 식품은 혼합 성분계이므로 이들 방법 중에서 평형 증기압법으로 수분활성을 측정하는 것이 가장 적절하다. 평형 증기압법은 수분 함량과의 관계에서 하나의 등온선을 얻을 수 있으므로, 식품의 품질관리에 있어서 유용하며 실제적이다. 현재 식품의 수분 활성 측정법으로 가장 널리 채택되고 있는 방법이기도 하다.
수분활성도는 온도에 따라 좌우된다. 동결점 이상에서 수분활성도는 식품의 조성과 온도에 의해 영향을 받는다. 동결점 이하에서 수분활성도는 식품의 조성에 비의존적이고 오직 온도에 의해서만 영향을 받는다. 얼음 상태에서 수분활성도는 존재하는 용질의 종류 또는 구성비에 의해서 영향을 받지 않는다.
일반적으로 수분함량과 수분활성도는 유사한 경향을 보이지만 반드시 비례관계를 나태내지는 않는다. 즉, 수분함량이 높으면 수분활성도는 크고 수분 함량이 낮으면 수분활성도는 작아지는 경향을 보인다.
표 1.4에는 몇 가지 식품들의 수분 함량과 수분활성도를 나타내었다.
수분활성도가 식품의 품질 유지에 중요한 인자로서 영향을 주므로 장기간 저장수명에 적당한 조건을 유지시켜 주는데 많은 역할을 한다. 주위의 수분을 잘 흡수하는 식품들은 습기가 차단되도록 밀봉한 유리용기 또는 두꺼운 다중 염화비닐 (polyvinylchloride, PVC)같은 방수 플라스틱에 포장되어야 한다. 분말 커피, 분유 등은 상대습도가 50%에서 변질이 될 수 있는데 제품이 주위로부터 수분을 흡수하여 돌덩이처럼 응고되고 유동성을 상실하여 소비하기 어렵게 되고 상품가치가 떨어진다.
수분활성도는 식품의 가공 및 저장 안정성과 매우 밀접한 관련이 있는데, 이것은 식품 미생물의 증식, 효소적 반응, 비효소적 갈변반응, 지질산화 등과 같은 화학반응의 속도가 식품의 수분활성도와 직접적인 영향을 주기 때문이다. 그림 1.5에는 식품의 수분활성도와 가공 및 저장에 관련한 각종 반응속도와의 관계를 나타내었다.
식품의 변질과 깊은 관계가 있는 미생물의 증식은 수분활성도에 의해 결정된다. 식품 중의 미생물 증식은 수분활성도 임계값 (critical value) 이상에서 시작되고 수분활성도 값이 클수록 급속하게 진행된다. 수분활성도에 따라 박테리아, 효모, 곰팡이 등의 증식 범위가 결정된다. 표 1.5에는 식품에 있어서 미생물 생장에 필요한 최소한의 수분활성도에 관하여 요약되어 있다.
식품에는 다양한 종류의 미생물들이 서식하고 생장할 수 있으며 발효식품의 경우에는 인체에 이로운 역할을 하지만, 일반 식품들을 변질 또는 부패시키기도 한다. 그러므로 식품의 변질 및 부패를 막기 위해서는 수분활성도를 적절히 조절하여 보관하는 것이 필요하다. 식품의 수분활성도를 낮추기 위하여 가열 건조, 송풍 건조, 동결 건조, 농축 등과 같은 여러 가지 방법들을 이용한다.
녹말 (전분)이 주 성분인 밥, 떡, 빵 등의 저장 중 일어나는 노화 (老化, retrogradation, staling)에 수분 활성도, 수분의 이동 및 재분포 등이 단백질 또는 지방