5. take a drink

Drinking WATER
2004. 11
이영식

Water
Water, H2O
지구상에 약 1.4 x 1021 L

Structure
굽은 구조

Polarity
극성 공유결합

극성 분자
aq = aqueous

much more water is "in storage" at any one time than is actually moving through the water cycle
By storage, we mean water that is locked up in its present state for a relatively long period of time.

Precipitation (강수) is water released from clouds in the form of rain, freezing rain, sleet, snow, or hail.
비가 가장 큰 부분을 차지
대기 중 수분을 지상으로 가져오는 과정

지역별 강우량
하와이 주 Kauai Mt. Waialeale (11700 mm)
칠레 (1959년) 14년간 가뭄 끝에 0.8 mm

Aquifers ? water trapped in sand & gravel below surface
The top of the surface where ground water occurs is called the water table.

Pumping well
The pumping of wells can have a great deal of influence on water levels below ground, especially in the vicinity of the well
"cone of depression" around the well.

the primary pathway
from the liquid state back into the water cycle as atmospheric water vapor
Condensation ↔ Evaporation

moisture in the atm. via evaporation
90% at the oceans, seas, lakes, and rivers of
10% by plant transpiration

Condensation
Condensation is the process by which water vapor in the air is changed into liquid water.
crucial to the water cycle because it is responsible for the formation of clouds.
These clouds may produce precipitation, which is the primary route for water to return to the Earth's surface within the water cycle.

Water and civilization

Physical Properties of Water
밀도 Density of Water
1 ml of water weighs 1.000 gram at 4°C
Freezing Point & Melting Point
두 개의 상(phase)가 공존하는 온도

수소 결합
Water cluster
클러스터 ? 단일 분자와 bulk의 중간 상태

Property of the water solid - Ice
특별한 고체 - 얼음
less dense as a solid
육각수 구조가 고체로
Ice

Water Solution
용매, Solvent
A substance in which another substance is dissolved

용질, Solute
A substance which is dissolved

용액, Solution
용매 + 용질

Water as a Solvent
Likes Dissolve Likes

Solubility
온도의 함수

Saturated Solution
더 이상 용해되지 않는 농도의 용액
Water is an universal solvent
물을 저장하는 용기를 소량 녹인다

Evidence for ions
NaCl
순수한 소금 결정은 전기를 통하지 않는다
소금물 용액은 전기를 통한다
녹은 소금은 전기를 통한다

이온결합 결정
부서질 때 일정한 면을 가지고 부서진다
이온 결합이란 이온들이 많이 모여있는 것을 설명하는 개념

Polyatomic ion
다원자 이온
두 개 이상의 원자나 원소로 이루어진 이온
예
sulfate ion : SO42-
Table 5.3

물에 잘 녹는 이온결합성 물질
모든 Na, K, NH4+ 이온들은 녹는다
Nitrate(NO3-)는 녹는다
대부분의 chloride (예외 AgCl, Hg2Cl2, PbCl2)
대부분의 sulfate (예외 SrSO4, BaSO4, PbSO4)

Conductivity and Hydration
전기전도도는 용액에 녹은 이온의 움직임
이온의 직경이 작을수록 같은 전기장 안에서 더 잘 움직일 것 같은데, 실험 결과는 그와 다르다.
이온들의 수화 때문

Hydrated ions
수화 (hydration) 정도는 단위 면적당 전하량에 의해서 결정된다.
같은 양의 전하를 제일 좁은 면적에 분산시킨 이온이 단위 면적당 전하량이 커서 더 많은 물 분자들을 끌어당긴다.

전기전도도
a measure of the ability of water to conduct an electrical current.
highly dependent on the amount of dissolved solids (such as salt) in the water.
Pure water will have a very low specific conductance, and sea water will have a high specific conductance.

DO (dissolved oxygen)
A small amount of oxygen (up to about 10 ppm), is actually dissolved in water.
This dissolved oxygen is breathed by fish and zooplankton and is needed by them to survive
Bacteria in water can consume DO as organic matter decays
Rapidly moving water contains much DO
such as in a mountain stream or large river,
while stagnant water contains little DO

excess organic material in our lakes and rivers can cause an oxygen-deficient situation to occur.
Aquatic life can have a hard time in stagnant water that has a lot of rotting, organic material in it, especially in summer, when dissolved-oxygen levels are at a seasonal low

Concentration
Molarity 몰농도 (M)
(moles of solute) / (liter of solution)
Molality 몰랄 농도 (m)
(moles of solute) / (kg of solvent)
Weight/weight% (w/w%)
(g of solute) / (g of solution) x 100
part per million (ppm)
(g of solute) / (g of solution) x 106

Hydrogen Bonding
수소결합
음전하를 띄는 원자와 수소 사이에서 일어난다
수소와 산소, 수소와 질소, 수소와 불소
H2O, 암모니아, HF 등도 수소 결합을 하고 비정상적인 높은 끓는 점을 가지고 있다.
수소결합은 단백질이나 핵산과 같은 생물학적 분자의 모양과 성질을 만드는데 중요하다.

수소 결합과 얼음의 밀도
수소결합은 왜 얼음의 밀도가 액체 물의 밀도보다 가벼운지를 설명한다
얼음결정은 물의 수소 결합이 형성되어 있는 상태에서 빈 공간을 가진 채로 배열
액체상태에서 물 분자들이 자유롭게 움직이면서 빈 공간으로 들어올 수 있는 것보다 더 엉성한 구조 형성
상대적으로 얼음이 물보다 낮은 밀도

Physical Properties of Water
Vaporization

Boiling Point
물의 증기압이 물 주위의 대기압력과 같아지는 온도

승화 Sublimation
고체가 직접 기체로 변화

Thermal Properties of Water

열용량 Heat Capacity
일정한 양의 물질 온도를 1 Celsius (or 1 Kelvin) 올리는데 필요한 열량을 J로 나타낸 것
비열 Specific Heat
어떤 물질 1 g의 온도를 1 Celsius (or 1 Kelvin) 올리는데 필요한 열량을 J로 나타낸 것
몰 열용량 Molar Heat Capacity
어떤 물질 1 몰의 온도를 1 Celsius (or 1 Kelvin) 올리는데 필요한 열량을 J로 나타낸 것

Phase Diagram
물질의 상전이도(phase diagram)
물질의 온도를 일정하게 하고 압력을 변화시키면 어떤 특정한 압력에서 물질의 두 상 사이의 전이(phase transition)가 일어나게 된다. 이 과정을 많은 다른 온도에서 되풀이하면 평형곡선이 완성된다.

상전이도의 구성
가로축에 온도, 세로축에 압력을 표시하고 주어진 온도와 압력에서 가장 안정된 상을 표시한다.
고체-액체, 액체-기체, 고체-기체 평형곡선

Water Phase Diagram
Triple point and critical point

삼중점(triple point)
물질의 고유한 온도와 압력에서는 세 가지 상이 모두 공존할 수 있는 상태
상전이도에서는 하나의 점으로 표시된다.
기체-액체 공존 곡선은 삼중점의 위쪽으로 뻗어간다.
무한정 뻗어가는 것은 아니며 임계점(critical point)까지
액체와 기체를 분리하는 분리면(meniscus)
만일 이 물질을 밀폐된 용기에 넣어 서서히 가열한다면 임계점에서 분리면이 사라지는 것이 관찰된다.
초임계유체 (supercritical fluid)
이런 임계점을 지난 상태
기체나 액체를 어우르는 뜻으로 유체라고 부른다.

동결 건조
Lyophilization 또는 freeze drying
많은 물질들은 안정적인 저장과 수송을 위해 건조 시 잔여 수분이 2 w/w% 이하로 유지되어야 한다.

방법
물질을 동결시키고
물의 3중점 이하로 water vapor의 부분 압력을 낮추고
열에너지로 얼음을 직접 증기로 만드는 승화에 의해 얻어진다
승화된 얼음 결정체들은 공간을 남기기 때문에, 건조된 물질은 무수히 많은 틈을 포함하고 있어서, 수분 흡수가 용이해 재수화 (re-hydration) 시 완전하게 re-solution된다.

동결 건조의 장단점

장점
열에 민감한 물질의 손상을 최소화하면서 비활성화
수분의 침투가 용이하고 부스러지기 쉬운 구조 형성
정밀하고 깨끗한 충진 가능
빠르고 완벽한 재수화(Re-hydration) 가능

단점
장비가 비싸다 (다른 건조 방법에 비해 3배 이상)
높은 에너지 비용(다른 건조 방법에 비해 2-3배 이상)
긴 공정시간(보통 24시간 이상의 건조사이클)

Water Hardness
물의 경도
센물 (hard water)
칼슘 이온(또는 마그네슘이나 철) 이 녹아 있는 물
보통 1 L 물에 녹아있는 CaCO3의 무게를 ppm으로 표시
단물 (soft water)
금속 이온이 적게 녹아 있는 물

센물의 특징
비누가 풀리지 않는다
욕조 둘레, 난방 및 급수 파이프 내부, 컵이나 주전자에 침전물 형성
식수로는 적당량의 금속이온이 필요
배관 손상 ? 공업용수로는 적당치 않음

EDTA titration
Ethylenediaminetetraacetate
Ipolyprotic acid containing
four carboxylic acid groups (acidic hydrogens are red)
two amine groups with lone pair electrons (green dots).
EDTA is synthesized on an industrial scale
from ethylenediamine, formaldehyde, and a source of cyanide (HCN or NaCN).
On a worldwide basis over 100,000 metric tons are produced annually.

Metal chelate complex
Ca-EDTA Complex

US Water hardness

Water Softening
Soap and micelle
Fatty acid (carboxylic acid group)COOH

saponification with NaOH or KOH
COO-Na+ or COO - K +

Micelle and soap
극성-비극성 용해

Ion exchange
Zeolite
Clay like mineral (Al, Si, O)
3 dimensional structure bearing many ions
Na+ charge balance
2가 이온이 Na+와 교환됨
사용후 NaCl 용액으로 재생 가능

osmosis
movement of a solvent
through a semipermeable membran (반투막)
into a solution of higher solute concentration
to equalize the concentrations of solute on the two sides of the membrane

Osmotic Pressure
Jacobus H. van 't Hoff (1852-1911) Nobel Prize 1901
Van’t Hoff Coefficient
Membrane
A "membrane" can be defined as a phase which acts as a barrier to flow of molecular or ionic species between other phases that it separates.
The membrane phase is usually heterogeneous.
a dry solid
a solvent-swollen gel
a liquid that is immobilized
To be used as a separation device, a membrane must transport some molecules faster than others.
high permeability for some species and low permeability for others
that is it must be highly perm-selective.

Different Types of Ultrafiltration
classified by the size of solutes being separated
The difference between them are dominated by differences in membranes used
Lonsdale, J. Memb. Sci. 10 81 (1982))

Membrane #1
Made by spreading a thin layer of organic solutionn on water, glass, or an inert support
Porosity : about 80%
Average pore size : 0.1㎛ ~ 1.0 ㎛

Membrane #2
Made by drawing warm, nonporous films of polymers like PP.
Porosity : 35%
Thickness : 0.003 cm

Membrane #3
Made by exposing non-porose pores films of mica or polycarbonate to α radiation.
Then etched away with HF acid solutionn
Lowest porosity : ~3%

Membrane geometry
Flat sheet
consists of alternate layers of membrane, Support screen, and distribution chambers for feed and permeate
Shell and tube
The feed stream enters the lumen of the tubes, the permeate passes through the walls, and the retentate passes out other end of the tubes

Spiral wand
Like a huge envelop made of membrane and containing a feed spacers
Hard to clean
Hollow Fiber
중공사막
The fibers are typically 0.01 cm on diameter
while the tubes are around 1 cm diameter

Hepatic Regeneration
Hepatic failure
accumulation of both water-soluble and poorly water-soluble toxins in blood;
the latter being strongly bound onto albumin, the major transport protein in blood.
The Prometheus System separates removal of poorly water-soluble (albumin-bound) and water-soluble toxins into two modules
an upstream so-called fractionated plasma separation and adsorption (FPSA) circuit for poorly water-soluble toxins (in yellow)
a downstream high-flux hemodialysis for water-soluble toxins (in blue).

References
http://ga.water.usgs.gov/edu/mwater.html
http://magma.nationalgeographic.com/ngm/0209/feature1/index.html
National geographic “water”