물 분자는 물의 가장 작은 단위로, 산소 원자 하나에 수소 원자 두 개가 결합한 것이며 H₂O로 쓴다. 이웃한 분자들 사이에서 분자 하나가 차지하는 공간으로 재면 지름이 약 0.28나노미터(280피코미터)이다. 1나노미터는 10억분의 1미터이고, 1피코미터는 1나노미터의 1,000분의 1이다.

크기

분자에는 단단한 바깥 표면이 없다. 전자는 구름을 이루며 가장자리로 갈수록 서서히 옅어지므로, 분자의 크기는 재는 방법에 따라 달라진다.

세 원자의 중심은 서로 가깝게 놓여 있다. 수소 원자는 각각 산소 원자에서 약 0.096나노미터 떨어져 있고, 두 결합은 약 104.5도의 각을 이룬다. 이 각 때문에 분자는 굽은 모양이 되며, 두 수소 원자는 약 0.15나노미터 떨어져 있다.

전자 구름은 원자 중심보다 바깥까지 뻗어 있어서, 분자 하나는 그보다 더 넓은 공간을 차지한다. 과학자들은 물 분자들이 얼마나 가깝게 모이는지로 분자의 크기를 추정하는 경우가 많다. 액체 상태의 물에서 X선 측정으로 구한 이웃한 분자들의 중심 사이 거리는 0.280나노미터이다. 물 1리터에 분자가 몇 개 들어가는지를 바탕으로 한 교과서의 추정값은 대략 0.3나노미터이다.

크기 비교

물 분자 약 29만~36만 개를 옆으로 나란히 늘어놓으면 사람 머리카락의 굵기인 0.08~0.1밀리미터에 해당한다.
물 분자를 테니스공 크기로 확대한다면, 굵기가 0.1밀리미터인 사람 머리카락은 굵기가 약 24킬로미터일 것이다.
가장 큰 원자 중 하나인 세슘 원자는 지름이 약 0.5나노미터로, 물 분자 지름의 2배에 조금 못 미친다.

물 분자들이 서로 달라붙는 이유

산소는 공유 전자를 수소보다 더 강하게 끌어당긴다. 그래서 물 분자 속 전자는 산소 원자 근처에 더 오래 머문다. 그 결과 산소 쪽 끝은 약한 음전하를, 수소 쪽 끝은 약한 양전하를 띤다. 이렇게 전하가 갈라져 있는 분자를 극성 분자라고 한다.

서로 다른 전하는 끌어당기므로, 물 분자는 저마다 이웃 분자를 끌어당긴다. 이런 인력을 수소 결합이라고 한다. 수소 결합은 액체 표면에서 물 분자들을 붙들어 주며, 이 때문에 물에 표면 장력이 생긴다. 마른 표면에서 물이 납작하게 퍼지지 않고 물방울을 이루는 것도 이 때문이다.

물이 세포 속으로 들어가는 방법

물은 아쿠아포린이라는 단백질 통로를 통해 많은 세포의 막을 빠르게 통과한다. 피터 아그리와 동료들이 사람 적혈구의 막에서 첫 번째 아쿠아포린을 확인했으며, 적혈구 하나에는 아쿠아포린이 약 20만 개 있다. 아그리는 물 통로를 발견한 공로로 2003년 노벨 화학상을 공동 수상했다.

가장 좁은 곳에서 통로의 너비는 0.28나노미터로, 물 분자 하나의 크기와 비슷하다. 그래서 물 분자는 한 줄로 늘어서서 통과하며, 통로 하나당 1초에 약 30억 개가 지나간다. 좁은 입구와 통로 안의 전하는 액체를 산성으로 만드는 전하를 띤 입자인 양성자를 되돌려 보낸다. 콩팥에서는 아쿠아포린이 혈액에서 걸러진 물의 99%를 되찾는 일을 돕는다.

출처

Experimental data for H2O (Water). NIST Computational Chemistry Comparison and Benchmark Database.
Benchmark oxygen-oxygen pair-distribution function of ambient water from x-ray diffraction measurements with a wide Q-range. Skinner et al., Journal of Chemical Physics, 2013.
How big are biochemical nuts and bolts?. In Cell Biology by the Numbers, by Ron Milo and Rob Phillips. Garland Science, 2015.
Inhibitors of Mammalian Aquaporin Water Channels. Abir-Awan et al., International Journal of Molecular Sciences, 2019.
Aquaporin Water Channels. Nobel Lecture by Peter Agre, Nobel Foundation, 2003.
The Nobel Prize in Chemistry 2003. Nobel Prize Outreach.
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Water. In Biology 2e. OpenStax, 2018.
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