14.1 물 몇가지독특한성질 - contents.kocw.netcontents.kocw.net/KOCW/document/2014/Pusan/leesangkuk/14.pdf · 2014년도제2학기현대생활과화학제14장물 1 14 물

12014년도 제2학기 현대생활과 화학 제14장 물

물1414.1 물 : 몇가지독특한성질

14.2 자연의물

14.3 화학적·생물학적오염

14.4 물 : 누가얼마나사용하는가?

14.5 지하수→더러운수돗물

14.6 마시기에적합한물만들기

14.7 오수처리

물은 가장 풍부하면서도 유용한 자원이다. 특히 강우량이 풍부한 우리나라에서는 더욱 그러하다. 그러나 증가된 인구와 소비의 증가는머지 않아 물 부족 사태를 가져올 수 있다. 따라서 물도 재생하여 사용할 필요가 있으며, 여기에는 화학적 지식이 필요하다.


생명의강 : 슬픔의바다- 지표면의 대부분은 대양과 바다, 호수, 강으로 덮여 있음

- 사람 몸무게의 약 2/3이 물이고 세포의 60~90%를 차지함- 물이 많이 존재하기 때문에 지구는 태양계에서 독특함⇒ 아마도 고등한 형태의 생물이 살 수 있는 유일한 행성일 것임

- 첫 번째 ‘과학자’로 생각하는 이오니아의 철학자탈레스(Thales, 약 B.C.E. 6세기)는 물을 모든 다른 물질이만들어지는 가장 근본적인 물질이라고 믿었음

- 생명의 본질은 물에 의존함- 화성에서 생명체를 찾는 것은 주로 화성에 많은 양의물이 존재했는지의 증거를 찾는 것에 의존하며, 생명의 흔적이 건조한 표면 밑에 있을지도 모른다는

희망에 의존함

그림 2008년 6월 15일과 18일에피닉스 화성착륙선에서 찍은두 장의 사진. 왼쪽 사진의 그늘진 부분에서보이던 상당량의 물질이오른쪽 사진에서 사라졌다. 이 현상은 얼음이 승화하여생겼다고 생각된다.

화성과 달의 표면에서는 대다수의 물이 사라졌지만 아직도 지하 깊은 곳에는 상당량의 물이 존재한다. 이것은 과학적으로확인된 결과이다. 화성의 대기층에도 약간의 물이 존재한다.


14.1 물 : 몇가지독특한성질물의특성

- 액체(물) 도 > 고체(얼음) 도(대부분의 물질은 액체 도 < 고체 도)

- 높은 비열* 열용량: 물질의 온도를 1℃ 올리는 데필요한 열량

- 높은 증발열

- 극성 분자

- 수소결합

그림 14.1 얼음의 수소결합

물의 특징에 대하여 알아보자. 물의비열은 상당히 높다. 그 이유는 무엇일까? 수소결합이다.


14.2 자연의물

- 지구 표면의 ¾는 물임- 물의 98% : 해수- 물의 2% : 극지방의 빙하- 물의 1% 보다 적은 양 : 담수

* 대부분은 지하수 * 이 중 0.01% : 호수, 강

그림 충분한 물의 공급은삶에 필수적이다.

물의순환과자연적인수질오염

그림 14.2 물의 순환

지하에는 아직도 막대한 양의 물이존재한다. 그러나 이것은 순환이불가능하여 한번 오염되면 치유가불가능하다.


기체

빗물 : 산소, 질소, CO2를 포함 ⇒ 산성

)()()( 3222 aqCOHlOHgCO

지하수 : 자연에 존재하는 기체인 라돈이 포함되어 있음

라돈(radon)- 방사성이 있는 우라늄과 토륨의 붕괴 생성물

- 유해 전리성 방사선을 방출

- 물에 대한 용해도가 매우 낮으므로 실내 공기에 포함된 라돈에 비해 적은 양(약 1~2%)에 불과


용해무기물

물이 지표면을 따라 or 지표면 아래로 이동하면서 물은 암석과 토양으로부터무기물(이온성 물질)을 녹임경수(hard water) : 칼슘, 마그네슘, 철의 염을 포함한 물

연수(soft water) : Na+, K+ 포함된 물

유기물

- 빗물에 용해된 식물과동물이 부패하여 생긴 물질

- 천연수의 잠재적 오염원: 박테리아, 미생물, 동물의 배설물 등

가장 깨끗한 물, 증류수는 식용으로 사용할 수 없다.


14.3 화학적 · 생물학적오염

옛날의 오염물질 : 경수이온, 염기성 오염물질, 동물의 배설물 등농업혁명과 도시의 발생으로 인한 오염물질 : 생물학적 오염

수인성질병

- 1830년대 : 콜레라가 심각한 문제- 1900년대 : 장티푸스에 의해 미국에서 35,000명 이상이 죽음- 전 세계 질병의 80%가 수질오염 때문인 것으로 추산됨

산성비

- 황산화물(SOx)과 질소산화물(NOx)로 생성된 산이 비, 안개, 눈이 되어 내려금속을 부식시키고 석회석과 대리석을 녹이고 자동차를 녹슬게 함

- 산은 암석이 석회석인 지역의 강과 호수에는 위협이 되지 않음

: 석회석이 과량의 산을 중화하기 때문임

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3 lOHgCOaqCaaqHsCaCO

그림 여기 형광 영상으로보인 크립토스포리디움은1993년 워키에서 40만명의사람을 병들게 하고 약 100명의 사람을 죽게 했다. 그때 부터 상수도 처리체계가개선되었다.

화학적 방법으로는 생물학적, 화학적 오염을 제거할 수 있다. 그러나 생물학적 오염은…


하수와죽어가는호수

인간의하수를수로에버려서생기는문제점

- 병원성 미생물의 발생- 용존산소의 고갈

호수가죽어가는이유

(1) 유기물의 증가로 BOD 증가- 생물학적 산소요구량(biochemical oxygen demand, BOD): 미생물이 유기물을 호기성 상태에서 분해하는데 필요한산소의 양

(2) 부영양화의 가속화- 부영양화(eutrophication) : 조류가 죽으면 유기 폐기물이 되고 BOD를 증가시킴(∵ 질산이온이나 인산이온이 조류 성장의 양분으로 작용함)

- 세제의 인산염이온, 농장과 잔디밭으로부터 씻겨나간 비료

(3) 무산소성 부패과정- 유기물의 양이 너무 많아 용존산소가 고갈된 상태- 메탄생성, 악취발생

그림 오래된 폐광에서 유출되는 산성수

그림 가정과 사업체의 오수는물 속의 용존산소를 감소시킨다.


산업혁명에따른수질오염문제

- 석유 유출로 인한 바다와 강의 오염- 광산과 공장으로부터 유출된 산과 산성비- 가정용 화학물질

그림 호수의 부영양화는 자연적인과정이다. 그러니 인간 배설물과농장의 잔디밭, 골프장 등에서나오는 유출수는 부영양화를가속화한다.

호수/하천의 부영양화(이끼가 끼는 것)은 질소(인) 비료가원인이다. 여름만 되면 되풀이 되는 바닷물의 적조도 같은이치이다.


14.4 물 : 누가얼마나사용하는가?

- 미국인은 평균적으로 한 사람당 하루에 400L의 물을 사용함: 식량, 옷 등 물건을 생산하는 데 사용되는 물을 포함하지 않은 것임

- 1톤의 강철을 만들기 위해서는 100톤의 물이 필요함* 약 4톤의 물이 증발되어 없어짐* 남아 있는 물은 산, 그리스와 기름, 석회, 철의 염 등으로 오염됨* 오염된 물을 정화하여 대부분의 물은 재활용됨

- 세계 담수 공급원의 70%는 농업에 사용됨문화 생활에 필요한 최소한의물의 양: 200L


사람은 물이 얼마나 필요할까?- 하루에 약 1.5~2.0L를 마셔야 함- 마시고 요리하는 데 약 7L의 물을 사용- 직접 사용하는 물은 380L 정도

- 농업과 산업을 통하여 식량과 상품을 생산하는데 더 많은 물이 간접적으로 사용ex) 채소 1kg 생산하는데 900L의 물이 필요스테이크를 생산하는데 13,000L의 물이 필요

공업용수는 대다수가 냉각수이다. 따라서 재생하여 사용한다.


14.5 지하수오염 → 더러운수돗물

미국에사는사람들이마시는물

- 약 50% 사람 = 표면수(강, 호수) - 약 50% 사람 = 지하수- 시골에서는 인구의 97%가 지하수

지하수에서독성화학물질이발견된예

- 미국 전역에 걸쳐 많은 우물들이 휘발유 첨가제인 MTBE(methyl tert-butyl ether)에 오염되어 불쾌한 맛과 냄새 때문에 물을 마실 수 없게 됨

- 덴버에서 가까운 로키산맥 아서널(Arsenal) 근처의 우물은 농약에 오염

- 많은 지역의 우물이 PFOA(perfluorooctanoic acid)와 이에 관련된 화합물에 오염⇒ PFOA(CF3CF2CF2CF2CF2CF2CF2COOH)는 PTFE(polytetrafluoroethylene)를만드는 공정에서 사용되는 산업용 계면활성제

- 뉴저지의 일부 상수원은 산업 폐기물에 오염되어 폐쇄

지하수는일단오염되면지하대수층을수십년이상쓸수없게만듦

오염물질을쉽게제거하는방법은없음


질산이온

- 많은 농업지역의 우물물은 질산이온(NO3-)에 의해 오염

- 과다한 질산이온 : 특히 유아에 해로움 ⇒ 유아 청색층을 유발함

- 지하수의 질산염 유입과정: 농장과 잔디밭의 비료, 가축사육장의 유출수, 하수처리장의 유기폐기물

그림 14.3 질산이온에 의해 오염되었을가능성이 있는 미국의 인접 지하수역


휘발성유기화합물(VOC)

- 사용물질 : 용매, 세제, 휘발유, 얼룩 제거제, 유성 페인트, 씨너, 하수구 청소제 등- 종류* 탄화수소 : 벤젠(C6H6), 톨루엔(C6H5-CH3) 등* 염화탄화수소 : 사염화탄소(CCl4), 클로로포름(CHCl3), 메틸렌클로라이드(CH2Cl2)

- 특성* 물에 대한 용해도가 낮음 ⇒ ppm or ppb 범위에서 녹음* 반응성이 매우 작음 ⇒ 우리 주위에 오랫동안 머무름

지하저장탱크에서의유출

- 지하수의 오염원 중 하나: 석유, 유해화학물질 지하 저장탱크

- 우물에서 가장 많이 발견되는 오염물질: 석유제품, 휘발유 첨가물의 저장탱크

- 낡은 휘발유탱크 교체, 오염된 땅을 청소하는 것은법으로 규제

- 2004년에 7,850건의 유출이 확인

그림 뉴욕 주 나이아가라 폭포 인접지역의 러브 커낼에서는 집과 학교가오래된 화학물질 폐기장 위에지어졌다. 250개가넘는 산업오염물이 이 장소에서 발견되었다.

주유소의 땅 속에 지하 유류저장고가 있는데 다수가 부식되어 누출되고 있다. 경제적 비용은….


14.6 마시기에적합한물만들기

미국의 1인당 물 소비량 = 280만 L/년 (산업·농업용수, 다른 목적 등 모두 포함)

음용수안전법

미국 음용수 안전법 : 1974년 통과되어 1986년과 1996년에 개정됨규제물질 : 1976년의 22개에서 2004년 90개로 늘어남

ppm과 ppb의계산

용액

용질

ggppm 610

11

용액

용질

ggppb 910

11

Parts per million (billion)



예제 14.1 오염물농도EPA에 의해 정해진 음용수에 있는 불소 이온의 최대 허용 농도는 4 mg F-/L 이다이것을 ppm으로 표현하면?

풀이

FppmmgFmg

gg

gFmg 4

000,000,14

000,11

000,14

물물

물

물


여전히마시기에적합하지않은물

- 세계에서 가장 가난한 지역 중 하나인 방글라데시와 인도의 서벵갈에는

마실물이 귀함

- 40년 전까지만 해도 마실물을 공급하는 표면수는 보통 질병을 유발하는미생물에 오염되어 있었음

- 1970년대에 유니세프와 세계은행은 맑은 물을 공급하기 위하여관정 공사에 자금을 지원

- 이 프로젝트로 인해 1980년대에는 유아 사망률이반으로 떨어졌음

- 관정들은 비소 중독이라는 새로운 위험을 불러옴

- 비소 중독증* 초기단계 : 피부색소 침착, 사마귀, 설사, 궤양 등* 진행단계 : 폐, 신장과 다른 내부 기관을 손상

- 비소 예방법 : 간단한 필터를 통한 여과ex) 강모래, 숯, 젖은 벽돌조각 등

그림 방글라데시 한 마을의 관정


정수처리

- 선진국에 있는 대부분의 도시는 물이 가정에까지 가기 전에 물을 정수 처리함- 혼합 침전조에서는 소석회와 명반으로 처리함

그림 14.4 상수도 정수장 도표

물의 정수처리 과정을 이해하자. 여기에는 화학적 지식이 필요하다. 투입되는 약품의 역할은 무엇인가?

매우 약한 염기


화학적소독

- 마지막 단계에 남아 있는 박테리아를 죽이기 위해 염소 첨가- 염소 사용시 문제점: 유기화합물을 염화탄화수소로 전환

(ex. CCl4, CHCl3⇒ 발암물질)

- 오존으로 소독처리* 장점 : 염소보다 바이러스 제거에 100배 효과

물의 맛을 변화시키지 않음

* 단점 : 가격이 비쌈잔류 효과가 없음

자외선(UV)- 장점 : 빠르게 작용, 작은 규모의 정수에는 비용면에서 효과적- 단점 : 잔류 효과 없음, 맛과 냄새의 조절이 가능하지 않음,

염소 처리보다 비용이 많이 듬


불소이온

- 치아의 에나멜(‘수산화인회석’이라 불리는 복잡한 인산칼슘)층의 단단함은불소 이온의 존재와 관계가 있음

- 음용수의 불소 농도: H2SiF6, Na2SiF6의 형태로 불소 이온을 첨가하여

0.7~1.0 ppm(질량)으로 조절됨

- 높은 용량의 불소 이온: 칼슘 대사, 신장, 갑상선의 작용과다른 분비기관 및 기관의 작용을 방해함

)()()()()()( 345343 aqOHsFPOCaaqFsOHPOCa

수산화인회석 플루오르화인산석회

그림 불소 이온을 과다하게 섭취하면치아의 에나멜을 변색시킨다.


새로운청량음료 : 병에든물

- 병에 든 물은 가장 빠르게 성장하고 이익이 많이 남는 음료산업의 한 부분임

- 병에 든 물은 수돗물보다 240~10,000배 정도 비싸지만* 미국인의 반 이상이 병에 든 물을 마심* 병에 든 물이 수돗물보다 더 안전하고 더 건강에 도움이 된다는 오해 때문* 미국에서 전체 소비는 연간 500억 병이고* 전 세계적으로는 2000억 병임

- 병에 든 물의 25%는 상수도에서 나옴

- 광천수 : 보통의 수돗물보다 용존이온(Ca2+, Mg2+)이 더 많을 수 있음

지금 선진국의 주민들은 대다수가 병에 든 물을 마신다. 수돗물에 대한 불신때문이다. 우리나라도 마찬가지이다.


14.7 오수처리 : 환경을위하여꼭해야하는작업이다.

오수처리시설

1차 오수처리 : 고체와 슬러지를 제거함⇒ 오수에는 아직 용해되거나 분산되어있는 많은 유기물이 있고 BOD가 큼

2차 오수처리 : 1차 처리를 거친 오수를모래와 자갈에 통과시킴

활성슬러지법(activated sludge method)- 1차 처리와 2차 처리를 조합한 방법- 공기를 넣어 산소성 박테리아에 의해유기물을 슬러지로 전환함

- 슬러지는 매립 or 해양투기 or 소각or 비료로 이용

고도처리(or 3차 처리)- 활성탄 여과법- 역삼투압법

그림 14.5 1차 오수 처리 시설

그림 14.6 활성슬러지법을 이용하는2차 오수 처리 시설

오수처리는 환경보호에 꼭 필요한 조치이다. 오수는 배출원에따라 처리하는 방법이 다르다. 수도물 정화보다 복잡하다.


수질오염과미래

많은 도시의 배설물 처리법

- 고체는 침전, 건조, 소독하여 비료로 가공하여 사용- 유출수는 습지로 보냄

- 습지식물은 물을 여과하고 오수의 영양분을 비료로 이용

우려되는 점 : 독성이 있는 금속에 오염된 배설물이 식물에 의해 섭취되어우리의 음식물이 된다는 것임

다른 해결책

- 배설물을 퇴비로 만들고 에너지나 물을 사용하지 않는 화장실이 개발


수질오염의해결책은우리가찾아야한다

미국에서 매년 4,000~40,000건의 수인성 질병이 발생

수질 정화법

- 산업체에서 발생하는 수질오염을 크게 줄임- 오염을 완전히 제거하는 것은 불가능

우리가 할 수 있는 일

: 물을 보존하고 물 사용량이 많은 제품 사용을 최소화


14장강의가끝났습니다.

수고하셨습니다.

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