물의 파랑
물의 파랑(물의 파랑).본항목으로는 물의 본질적인 색에 관해서 해설한다.
바다나 호수의 청색은 하늘의 색 반사에 가세해 이 물의 흡수스펙트럼에 유래하는 본질적인 색에 기인한다.
목차
개요
물의 색은 소규모인 실험실 스케일에 대해 무색 투명이라고 표현되는[1][2].그렇지만 물색이라고 하면 희미한 청색을 가리킨다.또, 맑은 투명도의 높은 해수나 호수 등 두꺼운 층을 이루는 물은, 모두 청색을 나타낸다.한층 더 빙하 등 거대한 얼음도 청색을 나타내, 백색이라고 표현되는 눈도 자주(잘) 관찰하면, 조금 청색을 나타낸다.옥내의 하늘의 반사의 영향이 없는 흰 타일 붙은 풀의 물도, 싱거운 청색을 나타낸다.또, 목욕탕통이나 물통에 들어간 물도 깊이에 의해 조금 청색을 띠는 것을 관찰할 수 있다.
황산구리나 메틸렌 블루등을 용해한 물은 용질의 가시광선의 흡수에 유래하는 청색을 나타내지만, 순수한 물도 적색의 파장 영역에 약한 흡수대가 존재한다.즉, 물자신이 본질적 정원않고일까 청색에 착색하고 있다.
가시광선의 파장은 약 380 nm -약 780 nm의 영역이기 위해, 전자파의 흡수대 중 물질의 색에 관련하는 것은 이 파장 영역에 한정된다.
청색의 원인
레일리경은 하늘의 청색의 원인을, 미립자에 의한 빛의 산란에 의하는 것이라고 생각했다.이것을 레일리 산란이라고 부른다.또, 레일리는 바다의 파랑도 하늘의 파랑의 반사의 결과이다고 생각했다.체드라세카르・라먼은 수분자 자체의 빛의 산란에 의하는 것이다고 추측해, 1922년에 논문을 발표하고 있는[3].그렇지만, 바다의 청색의 원인의 일부는 하늘의 색 반사도 기여해, 레일리 산란의 기여도 완전하게는 부정되어 있지 않기는 하지만, 청색은 주로 물자신 빛의 흡수에 기인하는 것인 것이, 현재는 판명되어 있다.또, 물자신의 색 주된 요인이 레일리 산란에 의하는 것과 가정하면, 저녁놀과 같이 투과광으로는 적색으로 보일 것이지만, 물의 투과광은 청색이다.
액체의 물의 색은, 긴 파이프에 넣은 순수한 물에 백색광원을 맞히는 것으로 관찰할 수 있다.이 때수는 청록색을 나타내, 이것은 보색의 관계에 있는 적색 영역에 약한 흡수대가 존재하는 것에 기인한다.가시 영역에는 760 nm(적색)를 중심으로 약간 강한 흡수대, 660 nm(빨강등색), 605 nm(등색)를 중심으로 약한 흡수대가 존재한다.물질의 색에 깊게 관련하는 자외 가시 흡수스펙트럼은 통상, 분자 궤도의 전자 천이에 유래하지만, 수분자의 전자 천이 에너지에 상당하는 파장은 200 nm이하의 자외 영역이 되어, 전자 천이가 색에 기여하는 것은 없는[4].
물의 색은 전자 천이가 아니고, 분자내의 공유결합의 신축 진동, 즉 적외 흡수대의 배음 진동이 가시 영역에 존재하는 것에 기인하는[5].
수분자의 적외 흡수
| 대칭 신축 진동 | 변각 진동 | 비대칭 신축 진동 |
|---|---|---|
 |  |  |
 |  |
| 결합각과 결합 거리 | 수분자 |
수분자에게는 3개의 기본 진동 모드(기음)가 있다.이 진동은 지극히 빠르고, 예를 들면 대칭 신축 진동의 주파수는 cν1 = 1.0962×1014 Hz에도 미쳐, 적외선의 주파수에 상당한다.
- ν1 : 3657 cm-1 :대칭 신축 진동
- ν2 : 1595 cm-1 :변각 진동
- ν3 : 3756 cm-1 :비대칭 신축 진동
물의 히드록실기(-OH)는 높은 극성을 가져, 신축 진동 및 변각 진동에 의해 분자의 쌍극자 모멘트가 현저하게 변화하기 위해(때문에) 적외선이 강한 흡수대가 존재한다.3개의 기본 진동은 어느 쪽도 적외 영역에 있어, 이것들은 물의 색에 직접 관계하지 않지만, 대칭 신축 진동 및 비대칭 신축 진동의 2 배음, 3 배음의 결합음은 가시 영역에 이른다.배음 진동은 금제 천이이며, 완전한 조화 진동자로서 시뮬레이션을 실시하면 천이 모멘트가 제로가 되어, 이론적으로는 흡수가 관측되지 않는다고 하는 결과가 된다.공유결합의 potential energy-곡선은 훅의 법칙에 의한 조화 진동자와 같은 포물선이 아니고, 실험적으로는 배음도 약하면서 출현해[6]3배, 4배로 증대하는 것에 따라 그 흡수는 지극히 약해져 통상은 거의 관측되지 않지만, 물의 경우는 기본 진동이 강하기 때문에, 배음 진동도 약하면서 관측되어 660 nm에 있어서의 몰 흡광 계수는 약 2×10-5 mol-1 dm3cm-1, 760 nm로는 약 2×10-4 mol-1 dm3cm-1이다.즉 3 m의 두께의 물을 투과 한 660 nm의 파장의 빛은44%까지 감쇠한다.
기상 및 액상중에 있어서의 경수 및 중수의 기본 진동 및 결합음의 진동수는, 이하와 같은[7][8][9][10].
| 파수/ cm-1 | H2O(g) | D2O(g) | DHO(g) | H2O(l) |
|---|---|---|---|---|
| ν1 | 3656.65 | 2671.46 | 2726.73 | 3400 |
| ν2 | 1594.59 | 1178.33 | 1402.20 | |
| ν3 | 3755.79 | 2788.05 | 3707.47 | |
| 2ν2 | 3151.4 | 2782.16 | ||
| ν2 +ν3 | 5332.0 | 3956.21 | 5089.59 | 5150 |
| 2ν2 +ν3 | 6874 | 5105.44 | 6452.05 | |
| ν1 +ν3 | 7251.6 | 5373.98 | 6415.64 | 6900 |
| ν1 +ν2 +ν3 | 8807.05 | 6533.37 | 8400 | |
| 2ν1 +ν3 | 10613.12 | 7899.80 | 10300 | |
| 3ν3 | 11032.36 | |||
| 3ν1 +ν3 | 13831 | 13160 (760nm) | ||
| ν1 + 3ν3 | 14318.77 | 13510 (740nm)sh | ||
| 3ν1 +ν2 +ν3 | 15348 | 15150 (660nm) | ||
| ν1 +ν2 + 3ν3 | 15832 | 15150 (660nm) | ||
| 3ν3 + 2ν2 +ν1 | 16822 | |||
| 4ν3 +ν1 | 16899 | 16530 (605nm) |
수증기의 흡수대와 액체의 물의 흡수대는 약간 달라, 액체의 물도 온도 및 압력에 의해 흡수대는 약간 이행 해, 이 변화는 주로 수소결합의 변화에 기인하지만, 변화는 작게 색에게 주는 영향은 적다.
중수의 색
히드록실기의 수소 원자가 약 2배 정도의 질량을 가지는 중수소에 치환되면, 훅의 법칙에 따라서 O-D신축 진동의 주파수는 O-H에 대해서1/1. 4 정도로 저하한다.이것에 수반해, 경수에 있어서의 가시 영역의 흡수대 3ν1 +ν3등이나 모두 적외 영역으로 이행한다.그 때문에, 중수의 흡수가 가시 영역에 이르기 위해서는 한층 더 흡수의 약한 5 배음 이상의 진동에 의하지 않으면 안 된다.
이 때문에, 중수는 통상의 물과 달리 거의 무색이며, 3 m정도의 길이의 튜브에 넣어 관측하면 무색인 것이 관측되는[5].
반사와 수질
수면의 반사
바다의 청색은 물의 신축 진동에 기인하는 가시광선의 흡수에 가세해 하늘의 색 반사도 관련하고 있다.이것은 하늘의 빛의 해수면에 있어서의 반사, 및 해수중에 입사 한 빛이 미립자에 의해 산란되어 도중에 물에 의한 흡수를 받은 후, 공중에 탈출한 투과광과의 합성에 의한 색이 바다의 청색으로서 출현하고 있다.수면에 있어서의 반사율은 입사각이 수평에 가까워질수록 높아져, 보다 하늘의 색이 반영되는[11].빛의 입사각이 임계각 이하가 되면 전반사가 일어나 바다의 색은 거의 하늘의 색이 반영되게 된다.저녁놀이 반사하면, 해면은 오렌지색에 물든다.
수중의 미립자에 의한 산란
또, 수중에 미립자가 다량으로 존재하면 수중에 입사 한 빛의 산란이 증대해, 보다 얕은 장소에서 빛이 반사되어 광로장도 짧아져, 입사빛의 물에 의한 흡수가 더해지면 젖 흐린 물색을 나타낸다.홋카이도 비에이쵸의 푸른 연못에서는, 백색의 수산화 알루미늄등의 미립자가 빛을 산란해 물의 흡수에 의한 청색의 투과광이 더해져, 세르리안브르를 나타내고 있다.한편, 미립자가 적게 산란의 별로 일어나지 않는 쿠로시오는, 입사 한 빛이 보다 긴 광로장을 가지기 위해서 흡수가 강해져, 깊은 청색을 나타낸다.청색의 진함은 해저나 강바닥의 반사도 관계해, 광로장, 즉 깊이에 밀접하게 관련한다.강의 물도, 투명도가 높은 경우는 깊이에 의해 선명한 녹색으로부터 청색을 나타내게 된다.
진흙의 미립자가 존재하면, 입사빛의 물에 의한 흡수의 청색에 진흙의 황색미가 더해져 물은 녹색을 나타내게 되어, 한층 더 진흙의 입자가 증대하면 광로장이 짧을 때 반사되어 청색은 거의 나타나지 않고, 이른바 오수로서 진흙의 색에 물들게 된다.
각주・참고 문헌
- ^니혼화섬 학회편 「화학 편람 기초편개정 4판」마루젠, 1993년
- ^「화학 대사전」공동설립 출판, 1993년
- ^ Sir Venkata Raman, The molecular scattering of light Nobel Lecture, December 11, 1930.pdf
- ^물의 스펙트럼과 물의 색. pdf
- ^ a b C. L. Broun and S. N. Smirnov, Why is Water Blue? J. Chem. Edu. 1993, 70(8), 612.
- ^ Gordon M. Barrow저, 후지시로 료우이치역 「바 로 물리화학」 제5판 도쿄 화학 동인, 1990년
- ^면발쿠니히코, 쿠보타 쇼우지 「새로운 물의 과학과 이용 기술」사이언스 포럼, 1992년
- ^ Herzberg, G. Infrared and Raman Spectra; D. Van Nostrand: Princeton, 1945; p. 281.
- ^ Curcio, J. A.; Petty, C. C. J. Chem. Phys. 1951, 41, 302.
- ^ Marechal, Y. Hydrogen-Bonded Liquids; Dore J. C.; Teixeira, J. Eds.; NATO ASI Series, Vol. 329, 1989, p.237.
- ^ KIRIYA CHEMI해가 푸르게 보이는 것은 왜입니까?
외부 링크
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