[스크랩] 물분자와 연소
물분자는 액체 20도의 물이 수증기 100도의 1기압에서 374도와 220기압의 임계온도를 지나야 얻을 수있는 증기 혹은 기체 상태의 물입니다. 우리가 아는 수증기의 100도에서 1기압의 조건에서는 가마솥에 물을 넣고 끌이게 되는 것과 차이가 납니다. 가마솥의 솟뚜껑 무게인 대략적으로 10kg을 가졌다면 가마솥의 압력은 약 10기압을 올릴수있습니다. (대략적인 수치입니다.)수증기 100도의 가마솥에 가마솟 뚜껑을 올림으로써 압력을 10기압정도를 올릴수 있습니다. 그렇게 되면 물은 약 110도에 끓게 됩니다.
100도의 1기압에서 끓는 물의 수증기는 그럼 물분자가 대체 몇개이길래...를 찾아야 합니다. 100도의 물을 냄비에 넣고 끓이게 되면 안개 형태의 수증기를 보실수 있습니다. 안개크기의 수증기는 물분자가 대략적으로 500여개 단위입니다. 수소결합을 한 물방울 단위인데...안개크기로 보이는 것입니다. 5분정도 더 가열하면 눈에 보이지 않는 수증기로 변합니다. 그러면 이때는 압력이 냄비 뚜껑에 의해 상승하게 되고...이때 수증기는 500개 단위에서 압력이 놓아지면 100...50...20...최종적으로 4개단위까지...수증기로 변합니다. 일반냄비에서는 4개 단위의 수증기를 만들기 어렵습니다. 압력을 물의 임계온도 220기압을 만들지 못하니까요...
물분자의 크기는 공유결합거리가 95나노입니다.
전문가가 아니고 전문적인 글이 아니므로 물분자의 크기를 계산하기 좋게 100나노크기로 하겠습니다.
104.45도의 각도로 수소가 두개에 산소가 하나인 굽은형 (오뚜기형태)물분자입니다. 그 크기를 10나노로 할때...100도 이하의 물은 120도나 반바퀴를 회전하면 수소결합을 합니다. 이때 수소 결합 거리는 95나노보다는 약간 멀게 결합합니다.
공유결합 거리만 대략적으로 자룔르 갖고 있고 그 단위는 각국마다 상이하게 표현하여 제 나름대로 나노단위를 부여한 것입니다.
1기압의 100도의 가열에 수증기는 약 500개의 수소결합을 한 상태로 수증기화 됩니다. 물분자 크기를 100나노 크기라 할때 물분자가 하나 수소결합으로 결합하는 것이 200나노의 단순 면적을 가집니다. 이는 물분자는 200나노의 공간에 다른 원소들이 없으면 물분자끼리 수소결합을 합니다.
산소와 수소의 전기 음성도는 3.40과 2.20입니다. 탄소가 2.55이고 질소가 3.04입니다. 철이 1.83이고 구리가 1.89입니다. 이 전기 음성도는 원소들이 공유결합거리에 존재할때 서로 결합하는 첫번째 기준이 됩니다.
냄비나 혹은 가마솥의 물을 연료를 태워 열심히 올려 압력을 220기압까지 올리고...물의 온도를 374도가 되어야 공기중에서 물분자를 만들수 있습니다. 이때의 물분자의 상태는 산소화 수소원자가 제 각각의 속도로 회전하기 때문에 임계온도를 넘는 물분자는 수소결합을 하지 못합니다. 즉 압력 220기압이 1기압인 공기중으로 방출되어도 이때는 수소결합을 하지 못합니다. 200나노 공간에 임계온도 374도의 물분자 2개는 수소결합을 만들지 못합니다.이는 물분자의 수소가 산소 주위를 도는 회전이 독특하기 때문입니다.원자와 전자의 회전의 불확실한 궤도가 아닌 눈에 보이지 않지만 그 속도를 산소기준으로 알수 있습니다...100도의 수증기에서 대략적으로 알수있습니다.
이는 100도의 수증기가 500여개의 수소결합으로 이슬단위로 눈으로 볼수 있습니다. 그런데 어떻게 산소의 회전상태를 알수 있을까?
물에는 0도에서 어는 점이 존재하기 때문입니다. 물이 얼때는 탄소의 고체결정처럼 육각형의 형태를 이룹니다.물분자 6개가 모여 얼음을 만듭니다. 얼음을 눈으로 볼수 있고 만질수도 있습니다....그렇다면 얼음의 물이 고체화인데....산소와 수소...중 눈으로보고 차갑게 느끼는 것은 산소와 수소일까요?
산소의 고체 상태는 -183도인데 물에서는 0도에서 얼음이 됩니다. 수소는 -263도이고...고체화가 얼음에서 되었을까요?
만약 얼음에서 산소와 더불어 수소도 얼음이 되었다면 과학자들이 수소의 고체화에 메달리지 않았을 것입니다. 0도의 얼음에서 산소는 고체화 상태이고....수소는 고체화가 되지 않은 상태 입니다. 액체화 되었을까요?
0도의 수소는 액체상태나 기체 상태가 아닙니다. 얼음의 수소 기체화는 얼음을 얼린상태에서 따로...더 냉각을 해야하고...얼음은 고체화가 되어 수소가 붙들려 있어서...얼음 자체를 냉각시키면...-263도로 냉각한다면 얼음의 수소도 얼것입니다.
얼음의 산소는 그럼 어떻게 얼게되는 것인가...
그것은 물분자의 결합각 변화와 산소의 회전수가 줄어들기 때문에 일어나는 현상입니다. 산소원소가 원래 고체의 산소가 되려면 -183도가 되어야 하는데 액체의 물분자에는 수소가 두개이고...산소에 다시 수소결합이 2개가 결합한 액체 상태입니다. 여기서..95나도의 공유결합시 결합각이 104도입니다. 이는 정확한 기준을 제시한다면 100도의 수증기상태에서 결합각인지 0도 얼음에서의 결합각인지를 제시하여야 하는데 ... 오늘은 시작글이므로..일단...물분자는 결합각이 줄면...즉 90도로 좁혀지는 것이 임계온도374도이고...결합각이 109도로 늘어나게 되면...물의 온도는 0도 근처가 되고 6각형 형태를 갖추기 시작하는데....여기서 ... 90도로 각도가 줄어들게 되면 수소의 전기 음성도 2.20+2.20=4.40이 됩니다. 자기 역전이 일어나게 됩니다. 즉 물분자 외부에서 연료가 연소되어 물분자에 에너지를 공급하게 되면 수소가 연소열을 흡수하게 되고...산소도 흡수하지만....전자의 갯수가 많아...수소보다 흡수율이 낮습니다...대신에...104도 각도까지는 산소의 전기 음성도가 앞서므로 수소 2개에서 제각각 2.20이므로 산소에서 수소의 흡수한 에너지를 빼앗아가게 됩니다. 다시 수소결합으로 연결된 물분자의 수소는 또 독특한 형태가 됩니다. 수소결합한 물분자의 수소는...공유결합을 산소와 하고 있으므로 수소결합한 수는 결과적으로 oh의 전기 음성도를 갖습니다. 즉..2.20+3.40=6.60의 전기 음성도를 가짐으로써 수소결합한 수소는 수소결합된 물분자의 산소로부터 다시 에너지를 빼앗아오게 됩니다....즉 물분자 2개가 수소 결합을 하면 수소와 산소는 물고 물리는 형태로 에너지를 흡수했다가 다시 빼앗기는 구조를 갖습니다.
104.45도의 액체인 구간의 0도에서 100도 구간의 물의 구조에서 온도가 떨어지면 수소의 결합각도가 점차 멀어지고...109도의 결합각을 가질때....물은 0도에서 얼게 되며 이때 육각형이 됩니다. 이는 얼음의 0도에서 수소의 산소 회전수를 유추할수 있게 됩니다. 수소결합한 2개의 물분자가 물분자 산소에서 에너지를 흡수하는 것보다 2배빠르게 재흡수하므로 0도에서 산소는 원소 자체의 회전이 없는 상태가 되어...엑체의 유동에서 고체의 고정된 형태로 바뀝니다. 이래서 얼음의 산소는 회전이 0이라 한 것입니다. 얼음의 수소는 눈에 보이지 않습니다. 그럼 대략적으로 3600회전 내외의 회전을 산소 주위를 돌고 있습니다. 이렇게 보면 100도의 수증기의 산소는 보이기도 하고 안보이기도 하므로 대략적으로 수증기 100도의 산소는 3600회전을 하는 상태라 해도 무방하며...이때...수소의 산소 둘레의 회전수는 곱하기 100을 하여...3만 6천 회전수를 갖게 됩니다. 100도의 수증기는 물분자의 수소가 3만6천의 회전을 하므로...수소결합을 양쪽에 2개하던 것을 하나밖에 하지 못하게 되므로 수증기는 500개에서 100단위까지 오락가락하는 것입니다...수소결합의 힘이 절반으로 줄었기 때문입니다.
다시 임계온도인 374도와 220기압에서 더이상의 압력은 별로 필요없지만 약간의 압력을 더하고...대략 550도까지 물의 온도를 높이면 h-oh가 되어 수소가 하나 분리되는 산수소가스가 됩니다. .다시 적절한 압력을 더 높이고...약 700도가 되면 o-h-o가 됩니다. 그러나 이때는 산수소가스인 h-oh부터는 4%정도에서부터 폭발위험이 존재하게 되므로 적정 압력을 유지하여야 하는데...수소결합 거리보다 넓게 물분자를 떨어 뜨려 놓아야 합니다.
연소과정을 물분자가 생성되는 모습을 찾아 보겠습니다.
도시가스는 주성분이 ch4입니다.
공기중의 산소와 반응하면 ch4+2o2-->2h2o+co2가 됩니다. 이를 촛불로 바꾸게 되면 촛불 외부 온도를 550도와 촛불심지 온도를 700도로 표현하면..
메탄 하나의 분자와 산소분자 2개가 연소반응을 하여 물분자 2개와 이산화탄소 하나를 생성하는 연소반응을 합니다. 불꽃은 자기장 연결 구역에 해당되고...산화반응입니다...불꼬의 외부에는 물분자의 h-oh가 합성되는 상태이고...촛불 심지 부근의 700도에는 메탄의 수소가 산소와 만나 h-o-h를 만드는 상태입니다. 이산화탄소는 불꽃 설명에서 제외합니다. 왜냐하면 물분자의 산수소와 물분자 그리고h-o-h는 자기장을 갖지만....이산화 탄소는 산소가 탄소가 중간에 위치고 산소가 양 바깥에 위치합니다...이는 이산화 탄소의 전기 음성도를 회전하나 않하나...전기 음성도는 산소의 3.04입니다.탄소와 공유결합기 때문에 다시 탄소의 전기음성도를 차감하여야 합니다. 즉 공기보다 무거우므로 땅바닥으로 흐르고 촛불 불꽃 자기장에서 벗어납니다.그래서 촛불은 산수소가 주파수가 큰 상태로 촛불 하단 부분을 형성하고 윗부분은 h-o-h의 짧은 주파수를 갖으므로 뾰족하게 됩니다.전기 음성도가 가장 큰 co2가 700도에서 이탈하여 땅으로 가라앉고...이후...h-o-h가 중심에 h-oh가 촛불의 하단부에 분리되어 촛불을 만들게 됩니다.
도시 가스 연소를 촛불의 원리에 따라 회전하며 타도록하여 주파수를 길게 늘어뜨려 연소를 돕게 됩니다. 메탄가스로 냄비의 물을 끓이고 있습니다.
냄비의 재질은 철입니다.
강철냄비라면 탄소가 약 4.2%가 들어간 체심입방정계를 가집니다. 이는 페라이트 구조의 철의 저온에서 생성되는 철의 종류에 속합니다.철의 1.83의 +전하와 탄소의 2.55의 음전하를 가지므로 약한 음전하를 가지는데...탄소의 함량이 작으므로 철의 양전하 상태로봅니다...만약 철냄비에 탄소가 혼입되지 않은 순철이라면...입방정계의 형태를 가질 것입니다. 또는 자철석의 산소가 들어가면 면심입방정계이고(사각형 중앙에는 탄소가 들어가 체심입방정계 )의 상태가 됩니다. 원자번호 26번인 철분자 4개가 모여 고체의 철이 되면 그내부공간의 거리가 약 200나노정도 되는데...탄소나 산소가 불균일하게 자리하므로 자석의 상태가 되는 자철석의 fe2o3는 페라이트 구조를 가지나 자구의 연결이 어렵습니다. 연소에서 생성되는 h-o-h,h-0h,h2o등은 각각 철의 내부에 들어가 통과할 크기를 가집니다.700,550,374도의 물분자 모두는 냄비가열시 연소과정에서 냄비 안의 물에 직접적으로 옮겨갈 수가 있는 것입니다. 그러나 이중...h와 oh는 크기가 작으므로 무조건 통과하고..374도의 물분자 이것이 문제가 됩니다.페라이트 구조 사이를 요래저래 피해서 통과를 하기도하고...철의 탄소와 산소의 혼입입자를 만나면 붙들리게 됩니다. 자기장 성질로 말입니다...다만 불꽃이 유지되는 동안 뒤에서 자꾸 밀어 줌으로...냄비로 어렵게 통화하게 됩니다.
냄비를 가열하면 보통 3v정도가 전압테스터기에 찍히는 이유입니다. 이는 철 냄비를 자기장 정렬을 하지않고...페라이트 구조 자체적으로 가열의 물분자와 산수소가스...그리고 수소2개와 산소하나가 무작위로 들어가기 때문입니다. 철냄비의 특성상 이산화탄소는 철을 통과하지 못하고 공기보다 무겁기 때문에 땅으로 가라않게 됩니다.
여기서 유심히 보아야 할것이 있습니다. h-oh가 철냄비를 통과하여 끓이는 물로 통과하는 것과
374도의 임계온도의 물이 철냄비를 어찌되었든 통과하는 것을 말입니다...
철은 아시다 시피 구리선에서 전기코드를 꼽아 전기를 끌어낼대...일명 돼지코 앞자리에 있습니다.
압력밥솥에 삼중바닦을 설치합니다.
말 그대로 솥 바닦을 철을 삼중으로 설치합니다.
그이유는...연소된 h-o-h,h-oh,h2o가 세가지에서...h,ho는 철의 면심입방과 체심입방에서 모두 빠른속도로 통과해 버립니다. 그런데...이중 h2o의 임계온도 물분자는 체심입방형태에서는 어지간한 힘으로는 밀리지 않고...면심입방인 페라이트구조에서는 잘 밀려들어갑니다.
철을 세장 겹치는 구역은 겹치는 곳에 철이 면심입방형태를 무조건 가지게 됩니다. 이는 철판과 철판을 따로 겹치는 것이므로 액체나 기체의 탄소나 산소가 이곳에는 붙들리지 않기 때문입니다.
즉 삼중 바닦을 설치하게 되면 열효율이 좋은 물분자가 면심입방의 철 사이공간으로 흐르게 됩니다. 즉 밑바닥 열기를 결과론으로...냄비 밑에 물분자가 자기장 내에 거리에 집결되어...냄비 옆면으로 불결정질 냄비 내부에 흐르게 됩니다. 이는 온도가 높은곳에서 낮은곳으로 흐르는 특성 때문입니다...페라이트 구조의 옆면에 삼중바닥에서 정렬된 물분자의 자기장이 계속 밀어주기 때문입니다.
전기를 통하지 않아도 맴돌이 전기가 생성되어 삼중 냄비가 밥이 밑이 타지 않고 골고루 익게 만드는 비결입니다.
말굽형 전자석을 응용하여...전류공급은 없지만
메탄의 산화물인 물분자를 철의 금속에 넣어 직류전기를 만들고...직류전기로 밥을 하는 것과 원리가 같습니다.
이 연소반응을 응용하여 1832년에 건전지를 만들어 직류전기를 발전기 없이 만들어 쓰게 된 것입니다.