물질의 상과 분류

물질의 상태

물질은 공간을 점유하고 질량을 가진 모든 것으로 정의되며, 우리 주변 어디에나 존재합니다. 고체와 액체는 보다 명백한 물질의 형태입니다. 우리는 그것들이 공간을 차지하는 것을 관찰할 수 있으며, 그 무게를 통해 질량이 있음을 알 수 있습니다. 기체 또한 물질입니다. 만약 기체가 공간을 차지하지 않는다면, 풍선에 기체를 채워도 팽창하지 않고 쭈그러진 상태 그대로일 것입니다.

고체 상태

금이나 플루토늄과 같은 금속의 경우, 이러한 격자는 전형적으로 결정질을 이루어 강성, 밀도 및 전기 전도성과 같은 성질을 부여합니다. 에너지 준위가 충분히 낮아 원자 결합이 온전하게 유지되며 장거리 질서가 보존됩니다.

액체 상태

격자 구조가 붕괴되어 단거리 질서로 변화합니다. 입자들은 서로 접촉한 상태를 유지하면서 끊임없이 재배열됩니다. 액체는 흐르고, 압력을 효율적으로 전달하며, 표면 장력을 나타냅니다. 이 상태는 열에너지가 고체 격자의 강성을 극복할 정도에 도달했으나 입자 간의 응집력을 완전히 끊지는 못했을 때 나타납니다.

기체 상태

원자 간의 힘은 운동 에너지에 비해 무시할 수 있는 수준입니다. 기체는 가용한 공간을 채우기 위해 팽창하며, 압축성이 높고 밀도가 낮습니다. 이 상태는 열에너지가 응집력을 완전히 극복하여 입자들이 독립적으로 행동할 수 있게 될 때 발생합니다.

플라스마 상태

일반적인 기체와 달리 플라스마는 전기 전도성이 있고 강렬한 방사선을 방출하며 전자기장에 강력하게 반응합니다. 개별 입자의 운동보다 집단적 행동이 지배적입니다. 이 상태에서는 전통적인 화학 구조가 존재하지 않게 되며, 물질은 주로 전자기적 및 핵 규모의 상호작용에 의해 지배됩니다.

플라스마는 가장 높은 에너지를 가진 고전적 물질 상태를 나타내며, 항성, 번개, 그리고 고에너지 천체 물리학적 또는 실험실 현상에서 흔히 발견됩니다.

질량과 무게

조사 대상이 되는 물질은 다양한 성분들이 복합적으로 모인 상태로 존재할 수 있습니다. 이러한 시료는 화합물, 균일 용액 또는 불균일 혼합물의 형태를 띨 수 있으며, 종종 다양한 표본의 집합체로 나타나기도 합니다. 단일 물질을 관찰하든 다면적인 혼합물을 관찰하든, 연구 대상의 성질은 화학적 조성과 구성 성분의 물리적 상태에 의해 결정됩니다.

특정 물질들은 여러 물질 상태의 특성을 동시에 나타내기도 합니다. 이러한 현상은 벌크 시료가 무수히 많은 불연속적인 조각들로 구성된 입상 물질에서 자주 관찰됩니다. 예를 들어 모래는 액체처럼 '부을' 수 있지만, 각각의 알갱이는 단단한 고체 상태를 유지합니다. 또한 구름과 같이 혼합물 상태일 때 물질은 하나 이상의 상태 특성을 가질 수 있습니다. 구름은 기체처럼 행동하는 듯 보이지만, 사실은 기체 상태의 공기와 액체 방울 또는 고체 얼음 결정인 미세한 물 입자들의 혼합물인 에어로졸입니다.

물체의 질량은 그 안에 포함된 물질의 양을 측정하는 척도입니다. 물체의 질량을 확인하는 한 가지 근본적인 방법은 특정 가속도를 내기 위해 필요한 힘의 크기를 측정하는 것입니다. 예를 들어, 자동차를 가속하는 데는 자전거보다 훨씬 더 큰 힘이 필요한데, 이는 자동차의 질량이 월등히 크기 때문입니다. 그러나 일상적인 관행에서는 저울을 사용하여 물체의 미지 질량을 표준 기준 질량과 비교함으로써 질량을 결정하는 경우가 더 흔합니다.

무게가 질량과 근본적으로 연관되어 있기는 하지만, 이 두 개념을 엄격히 구분하는 것이 필수적입니다. 무게는 중력이 물체에 가하는 힘을 의미하며, 그 크기는 물체의 질량에 직접 비례합니다. 결과적으로 물체의 무게는 국지적인 중력의 세기에 따라 변하지만, 그 질량은 불변하는 성질로 남습니다. 예를 들어 한 우주 비행사를 생각해 보십시오. 그녀가 달 표면에 도착한다고 해서 질량이 변하지는 않지만, 그녀의 무게는 지구에서의 6분의 1로 줄어듭니다. 달의 중력이 지구의 6분의 1에 불과하기 때문입니다. 그녀는 외력이 무시할 수 있는 수준일 때 '무중력' 상태를 경험할 수 있지만, 물리적인 의미에서 결코 '무질량' 상태가 되는 것은 아닙니다. 그녀를 구성하는 물질의 양은 일정하게 유지되기 때문입니다.

질량 보존의 법칙

물질에 관한 많은 과학적 관찰을 요약하면 다음과 같습니다: 물질이 한 형태에서 다른 형태로 변하거나(화학적 변화), 고체, 액체 또는 기체 상태 사이에서 변할 때(물리적 변화) 존재하는 물질의 총량에는 감지할 수 있는 변화가 없음을 명시합니다. 맥주 양조와 배터리의 작동은 물질 보존의 예시를 제공합니다.

고립된 용기 안에 몇 가지 성분 재료를 넣습니다. 실험을 위해 최종 내용물에 밀가루, 물, 설탕, 달걀, 소금, 올리브유가 포함된다고 가정합시다. 이 용기는 균일한 조성을 얻기 위해 진동 혼합기에 투입됩니다. 이어서 용기는 오븐에 넣어지고 200°C(400°F)에서 30분 내지 35분 동안 구워집니다.

용기 자체는 역류 방지 밸브 메커니즘과 내열 고무로 제작된 챔버를 갖춘 별도의 보조 섹션으로 설계되었습니다. 베이킹 과정이 시작되기 전, 용기의 무게를 측정하고 총 질량을 정밀하게 기록합니다.

질량 보존 실험

이 실험은 초기 변형되지 않은 물질과 베이킹 후 생성된 제품의 '수프'가 무게 면에서 동일함을 보여줍니다. 결과적으로 측정값이 동일한 장소와 동일한 환경 조건에서 수행되었으므로 그들의 질량 또한 동일함이 증명됩니다.

비록 이 보존 법칙이 모든 물질의 전환에 적용되기는 하지만, 일상적인 경험 속에서 이를 설득력 있게 보여주는 사례는 지극히 드뭅니다. 이는 실험실의 엄격한 통제 조건을 벗어나면 특정 전환 과정에서 생성되는 모든 물질을 수집하기가 어렵기 때문입니다. 예를 들어 음식의 섭취와 소화라는 생물학적 과정을 생각해 보십시오. 원래 음식의 모든 물질은 엄격히 보존되지만, 상당 부분이 신체 구조로 흡수되고 나머지는 다양한 형태의 노폐물로 배설되므로 직접적인 측정을 통해 이 법칙을 검증하는 것은 매우 까다로운 과제입니다.

나아가 관찰하셨겠지만, 당사는 가변적 부피 기능을 갖춘 챔버와 실험 설명에 상술된 다른 개선 사항들을 포함한 정교한 장치들을 설계하여 관찰의 투명성을 확보했습니다. 이러한 혁신은 물리적 시스템의 실제 모습이 다면적인 문제이며, 종종 개방계로서 작동하는 외부 세계의 복잡성에 의존한다는 것을 보여주는 데 기여합니다.

또한 엄격한 과학적 접근 방식의 중요성을 인정해야 합니다. 학문적 여정의 모든 단계에서 이론적이고 이상적인 고립계 환경과 자연계에서 마주하는 개방계 모두를 반드시 고려해야 합니다.

원자와 분자

원자는 해당 물질의 고유한 특성을 유지하면서 화학적 결합에 참여할 수 있는 원소의 가장 미세한 입자를 나타낸다. 설명을 돕기 위해 금(gold) 원소를 예로 들어보자. 금 덩어리를 이등분하고, 사용된 도구의 정밀도와 관계없이 더 이상의 분할이 불가능할 정도로 미세한 금 조각이 남을 때까지 결과물을 반복적으로 나누는 과정을 상상해 보라. 이 궁극적이고 더 이상 줄일 수 없는 부분이 바로 원자를 구성한다. '원자(atom)'라는 용어는 '더 이상 나눌 수 없음'을 의미하는 그리스어 'atomos'에서 유래되었다. 이 원자를 더 이상 나누게 된다면 그것은 더 이상 금으로서의 성질을 유지하지 못할 것이다.

만물이 원자로 구성되어 있다는 최초의 가설은 기원전 5세기경에 자신의 학설을 정립한 그리스 철학자 레우키포스(Leucippus)와 데모크리토스(Democritus)의 공으로 돌려진다. 그럼에도 불구하고, 과학적 탐구에 깊은 헌신을 바친 영국 교사 존 돌턴(John Dalton, 1766–1844)이 엄격한 정량적 측정을 통해 이 가설을 입증한 것은 19세기 초에 이르러서였다.

그 시대 이후로 반복된 실험은 이 가설의 수많은 측면을 확증해 주었으며, 결과적으로 이 가설은 화학 분야 내에서 초석이 되는 이론의 지위로 격상되었다. 돌턴의 원자설 중 일부 다른 원칙들은 비록 사소한 수정이 가해지기는 했으나 오늘날까지도 여전히 사용되고 있으며, 이러한 원리들에 대한 포괄적인 설명은 이어지는 원자와 분자에 대한 담론에서 제공된다.

거시적 사진: 금(Au) 덩어리.

고체 상태 금 구조의 미시적 이미지.

원자는 실로 미세한 크기를 지니고 있어, 그 차원을 인간의 이성으로 가늠하기란 지극히 어렵습니다. 육안으로 식별 가능한 가장 미세한 사물 중 하나로 거미줄 한 가닥을 들 수 있는데, 그 지름은 대략 cm (0.0001 cm)에 달합니다. 현미경의 도움 없이는 단일 가닥의 단면을 인지하는 것이 거의 불가능에 가까우나, 원자 규모에서 측정할 때 이는 여전히 거대한 크기라 할 수 있습니다. 해당 거미줄 내의 단일 탄소 원자는 약 cm (0.000000015 cm)의 지름을 가집니다. 결과적으로, 단일 가닥의 지름을 채우기 위해서는 약 7,000개의 탄소 원자가 일렬로 늘어서야 합니다. 학생의 이해를 돕기 위해 부연하자면, 만일 탄소 원자가 작은 동전 크기만큼 확대된다면, 거미줄 가닥의 단면은 축구장의 면적을 초과하게 될 것이며, 그 표면을 완전히 덮는 데에는 약 1억 5천만 개의 '동전'이 필요할 것입니다.

익은 목화 다래

구조적 단계

목화 조직 구성의 세포 수준

목화꽃 섬유질 유기 조직의 분자 구조

목화 조직 내 단일 유기 분자의 도식

원자는 너무나 가벼워서 그 질량 또한 상상하기 매우 어렵습니다. 10억 개의 납 원자(1,000,000,000개의 원자)의 무게는 약 그램 정도인데, 이는 세계에서 가장 정밀한 저울로도 측정하기에 지나치게 가벼운 질량입니다. 측정이 가능할 정도가 되려면 300,000,000,000,000개 이상의 납 원자(300조 개, 즉 )가 필요하며, 그렇게 모여도 그 무게는 단 0.0000001그램에 불과할 것입니다.

자연계에서 개별 원자의 집합을 찾는 것은 드문 일입니다. 헬륨, 네온, 아르곤과 같은 비활성 기체와 같은 소수의 선택된 원소들만이 서로 독립적으로 움직이는 개별 원자들로 구성되어 있습니다. 수소, 질소, 산소, 염소 기체와 같은 다른 원소들은 원자 쌍으로 이루어진 개별 단위로 구성됩니다.

개별 원자의 집합체를 발견하는 것은 흔치 않은 일입니다. 헬륨, 네온, 아르곤 기체와 같은 몇몇 원소만이 서로 독립적으로 돌아다니는 개별 원자들의 집합으로 구성됩니다. 수소, 질소, 산소, 염소 기체와 같은 다른 원소들은 원자 쌍으로 이루어진 단위들로 구성되어 있습니다.

인(phosphorus)이라는 원소의 한 형태는 네 개의 인 원자로 구성된 단위들로 이루어져 있습니다. 황(sulphur) 원소는 다양한 형태로 존재하며, 그중 하나는 여덟 개의 황 원자로 구성된 단위들로 이루어져 있습니다. 이러한 단위를 분자라고 부릅니다. 분자는 화학 결합이라고 불리는 강력한 힘에 의해 결합된 둘 이상의 원자로 구성됩니다.

분자 내의 원자들은 마치 식스팩에 든 음료 캔이나 하나의 열쇠고리에 연결된 열쇠 꾸러미처럼 하나의 단위로서 함께 움직입니다. 분자는 수소, 산소, 황 원소에서 발견되는 분자들처럼 둘 이상의 동일한 원자로 구성될 수도 있고, 물에서 발견되는 분자들처럼 둘 이상의 서로 다른 원자로 구성될 수도 있습니다.

각 물 분자는 두 개의 수소 원자와 한 개의 산소 원자를 포함하는 단위입니다. 각 포도당(glucose) 분자는 여섯 개의 탄소 원자, 열두 개의 수소 원자, 여섯 개의 산소 원자를 포함하는 단위입니다. 원자와 마찬가지로 분자는 믿을 수 없을 정도로 작고 가볍습니다. 만약 평범한 물 한 잔을 지구 크기로 확대한다면, 그 안에 있는 물 분자들은 대략 골프공 정도의 크기가 될 것입니다.

수소

산소

인

황

물

이산화탄소

포도당

물질의 분류

초기의 상황을 간략히 설명하고자, 여기 물질 분류에 관한 평이하면서도 명료한 정의와 그 판별법을 기술하노라.

진실로 이것은 화학적 분류 기법에 관한 간략한 도입에 지나지 않으나, 학문의 길은 모름지기 기초로부터 시작되는 법이니 이곳이 바로 그 출발점이로다!

물질은 여러 뚜렷한 범주로 분류될 수 있으며, 그중 둘은 혼합물과 순물질이라 한다. 순물질은 일정한 조성을 가지므로, 당해 물질의 모든 표본은 정확히 동일한 구성과 성질을 나타내느니라.

예컨대, 자당(설탕)의 어떠한 시료든 질량 기준으로 탄소 42.1%, 수소 6.5%, 산소 51.4%로 구성되느니라. 또한 자당의 모든 표본은 그 기원에 관계없이 녹는점, 색상, 단맛과 같은 동일한 물리적 성질을 보이느니라.

순물질은 다시 원소와 화합물이라는 두 가지 뚜렷한 부류로 나뉠 수 있느니라.

화학적 변화를 통하여 더 단순한 물질로 분해될 수 없는 순물질을 원소라 일컫노라. 알려진 백여 가지 이상의 원소 중 우리에게 익숙한 예로는 철, 은, 금, 알루미늄, 황, 산소, 그리고 구리가 있느니라.

이러한 원소 중 약 90종은 지구상에서 천연으로 존재하며, 약 24종은 실험실에서 인공적으로 제조되었느니라.

화학적 변화에 의해 분해될 수 있는 순물질을 화합물이라 부르노라. 이러한 분해는 원소나 다른 화합물, 또는 그 모두를 생성할 수 있느니라. 주황색 결정성 고체인 산화 수은(II)은 열에 의해 수은과 산소라는 원소로 분해될 수 있느니라.

공기가 없는 상태에서 가열할 때, 화합물인 자당은 원소인 탄소와 화합물인 물로 분해되느니라. (설탕이 갈색으로 변하는 이 과정의 초기 단계를 캐러멜화라 하며, 이것이 캐러멜 사과, 캐러멜라이즈드 양파, 그리고 캐러멜 특유의 달콤하고 고소한 풍미를 부여하는 것이로다).

염화 은(I)은 빛의 흡수에 의해 그 구성 원소인 은과 염소로 분해될 수 있는 흰색 고체이니라. 이러한 성질은 이 화합물이 사진 필름 및 감광 렌즈(빛에 노출되면 렌즈가 어두워지는 안경)에 사용되는 기초가 되느니라.

산화 수은(II) (HgO)

화합물은 액체 수은의 은색 방울과 보이지 않는 산소 기체로 분해되느니라.

화합된 원소의 성질은 유리(遊離)된 상태, 즉 결합되지 않은 상태에서의 성질과는 판이하도다. 예컨대 백색 결정성 설탕(자당)은, 그 자체로 보면 흑색 고체인 탄소 원소와, 유리 상태에서는 무색 기체인 수소 및 산소 두 원소가 화학적으로 결합하여 생성된 화합물이로다. 또한, 연하고 광택이 있는 금속성 고체인 유리 나트륨과 황록색 기체인 유리 염소가 결합하면, 백색 결정성 고체인 염화 나트륨(식염)이라는 화합물이 형성되느니라.

혼합물은 두 가지 이상의 물질로 구성되니, 이는 가변적인 양으로 존재할 수 있으며 증발과 같은 물리적 변화에 의해 분리될 수 있느니라(이에 관해서는 후일에 상세히 배우게 될 것이로다). 지점마다 그 조성이 다른 혼합물을 불균일 혼합물이라 하노니, 이태리식 양념장(드레싱)이 그 전형적인 예로다.

양념장의 조성은 기름, 식초, 그리고 허브의 양을 달리하여 조제할 수 있기에 가변적이로다. 혼합물 전체에 걸쳐 지점마다 그 상태가 동일하지 않으니, 기름과 식초는 분리되고 허브는 가라앉는 까닭에 어느 방울은 대개 식초이겠으나 다른 방울은 주로 기름이나 허브일 수 있음이라. 불균일 혼합물의 다른 예로는 초콜릿 칩 쿠키(초콜릿 조각과 견과류, 반죽이 분리된 것을 육안으로 볼 수 있음이라)와 화강암(석영, 운모, 장석 등을 식별할 수 있음이라) 등이 있느니라.

용액이라고도 불리는 균일 혼합물은 균일한 조성을 나타내며 전체적으로 시각적 외양이 동일하도다. 용액의 한 예로는 물, 설탕, 색소, 향료 및 전해질이 균일하게 혼합된 운동 음료(스포츠 음료)를 들 수 있느니라.

운동 음료의 매 방울은 동일한 양의 물과 설탕, 그리고 기타 성분을 함유하고 있기에 그 맛이 서로 같도다. 다만 운동 음료의 조성 또한 가변적일 수 있음을 유념하라. 즉, 설탕이나 향료 등의 함량을 다소 증감하여 조제하더라도 여전히 운동 음료라 할 수 있음이로다. 균일 혼합물의 또 다른 예로는 공기, 단풍나무 시럽, 휘발유, 그리고 소금물 등이 있느니라.

원소의 종류는 백여 종에 불과하나, 이들의 상이한 결합으로 인하여 수천만 가지의 화학 화합물이 생겨나도다. 개별 화합물은 특정한 조성을 가지며, 다른 모든 화합물과 구별되는 일정한 화학적·물리적 성질을 보유하느니라. 또한 원소와 화합물을 결합하여 다양한 혼합물을 만드는 방법은 실로 무궁무진하도다. 물질의 여러 주요 분류를 구별하는 법에 관한 요약은 다음 도표에 나타난 바와 같으니라:

십일 종(十一 種)의 원소가 지각(地殼) 및 대기(大氣)의 약 구십구 백분율(百分率)을 점유함. 이 총량(總量) 중 산소(酸素)는 기실 그 반절에 달하며, 규소(硅素)는 약 사분지 일(四分之 一)을 차지함. 지구상 원소의 대다수는 타 원소와의 화학적 결합(結合) 상태로 발견되나, 그중 약 사분지 일은 유리(遊離) 상태로도 존재함.

물의 분해, 실험과 실제

물은 2:1의 비율로 결합된 수소와 산소 원소로 구성됩니다. 에너지를 가함으로써 물을 수소 기체와 산소 기체로 분해할 수 있습니다. 이를 수행하는 한 가지 방법은 배터리나 전원 공급 장치를 사용하는 것입니다.

물의 분해는 물 분자 속의 원자들이 각각 두 개의 수소 원자와 두 개의 산소 원자로 구성된 서로 다른 분자들로 재배열되는 과정을 포함합니다. 두 개의 물 분자가 모여 하나의 산소 분자와 두 개의 수소 분자를 형성합니다.

발생하는 현상에 대한 표현인 은(는) 이후 장에서 더 자세히 다룰 것입니다.

물의 분해 / 수소 생산

생성된 두 기체는 확연히 다른 성질을 가집니다. 산소는 가연성은 아니지만 연료의 연소에 필수적이며, 수소는 인화성이 매우 높고 강력한 에너지원입니다. 이러한 지식이 우리 세상에서 어떻게 적용될 수 있을까요? 한 가지 응용 분야는 연료 효율이 더 높은 운송 수단에 대한 연구입니다. 수소 연료 전지 자동차(FCV)는 휘발유 대신 수소로 구동됩니다.

이러한 자동차는 내연 기관 차량보다 효율적이고 오염 물질을 배출하지 않으며 온실가스 배출을 줄여 화석 연료에 대한 의존도를 낮춰줍니다. 하지만 수소 연료 전지 자동차는 아직 경제성이 확보되지 않았으며, 현재의 수소 생산은 천연가스에 의존하고 있습니다. 우리가 경제적으로 물을 분해하거나 다른 친환경적인 방식으로 수소를 생산하는 공정을 개발할 수 있다면, 수소 연료 전지 자동차는 미래의 대안이 될 수 있습니다.

수소와 산소의 화학 반응을 통한 에너지 생성 개념