How big is 물 분자?
280 picómetros!
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.
- Cesium. PubChem, National Library of Medicine.
- Water. In Biology 2e. OpenStax, 2018.
- Just How Small Is "Nano"?. National Nanotechnology Initiative.
- Rules of Tennis 2026. International Tennis Federation, 2026.