물리적 및 화학적 성질

물질의 물리적 성질과 변화

한 물질을 다른 물질과 구별할 수 있게 하는 특성을 성질이라 한다. 물리적 성질이란 물질의 화학적 구성에 아무런 변화를 일으키지 않는 물질의 특성을 말한다. 이러한 특성의 일반적인 예로는 밀도, 색상, 경도, 액화 및 비등 온도, 그리고 전기 전도성이 있다.

밀도나 색상과 같은 특정 속성은 물질이 일정한 상태를 유지하는 동안 관찰될 수 있다. 그러나 다른 속성들은 철의 용융이나 물의 결빙과 같이 물질이 물리적 변화를 겪을 때에만 나타난다. 물리적 변화란 화학적 조성이나 구성 물질의 정체성에 수반되는 변화 없이 물질의 상태나 성질이 변하는 것을 의미한다.

물리적 변화는 왁스가 액화될 때, 설탕이 커피 속에서 용해될 때, 또는 증기가 응결되어 액체 상태의 물을 형성할 때 관찰된다. 이러한 변화의 추가적인 예로는 금속체의 자화 및 탈자화, 그리고 분쇄에 의해 고체 물질을 가루로 만드는 것이 있으며, 후자는 때때로 색상의 인지할 수 있는 변화를 일으킬 수 있다. 모든 그러한 경우에 있어, 물리적 상태, 형태 또는 성질의 변화가 있을지라도 근본적인 화학적 구성은 변하지 않고 유지된다.

왁스의 용융 과정

물의 증류 과정

한 종류의 물질이 다른 종류로 변하는 것, 또는 그러한 변화에 대한 고유한 저항성을 화학적 성질이라 한다. 이러한 성질에는 가연성, 독성, 산도, 다양한 형태의 반응성 및 연소열이 포함된다.

예를 들어, 철은 습기가 있는 곳에서 산소와 결합하여 녹을 형성하는 반면, 크롬은 그러한 산화 작용을 보이지 않는다. 나아가, 니트로글리세린은 폭발적 불안정성으로 인해 매우 위험한 것으로 간주되나, 네온은 현저하게 비반응적이고 불활성인 기질을 가지고 있어 위험이 거의 없다.

화학적 성질을 확인하기 위해 관찰자는 화학적 변화를 목격해야 한다. 그러한 변화는 변환 전의 물질과는 근본적인 본질이 다른 하나 이상의 물질 종을 생성하는 결과를 낳는다.

녹의 형성은 화학적 변화라고 부르는 것이 마땅한데, 녹 그 자체가 그것을 생성한 철, 산소 및 물과는 전혀 다른 별개의 물질 형태이기 때문이다. 이와 유사하게, 니트로글리세린의 폭발은 생성된 가스들이 모체 물질과는 종류가 완전히 다르므로 화학적 변화에 해당한다. 화학적 변화의 추가 사례는 실험실에서 질산이 구리에 작용하는 격렬한 반응뿐만 아니라, 모든 형태의 연소, 그리고 음식이 조리되거나 소화되거나 부패하는 다양한 과정에서 찾아볼 수 있다.

물질의 성질은 두 가지 뚜렷한 범주 중 하나에 속한다. 성질이 존재하는 물질의 양에 의존하는 경우, 이를 크기 성질(extensive property)이라 한다. 질량과 부피가 이 부류의 주요 예시이다. 예를 들어, 1갤런의 우유는 단 한 컵의 우유보다 더 큰 질량과 부피를 가진다. 이러한 크기 성질의 값은 고려 대상인 물질의 양에 직접 비례한다.

반대로, 시료의 성질이 존재하는 물질의 양과 무관한 경우, 이를 세기 성질(intensive property)이라 한다. 온도가 이 원리에 대한 적절한 예시를 제공한다. 만약 1갤런의 우유와 한 컵의 우유가 각각 20°C의 온도에 있다면, 이를 혼합하여 더 큰 부피의 우유가 되더라도 온도는 여전히 20°C를 유지하게 된다.

나아가 열과 온도의 연관되어 있으나 서로 다른 특성을 고찰해 보라. 뜨거운 식용유 한 방울이 팔에 튀었을 때는 잠시 동안의 가벼운 불편함만을 주지만, 같은 기름이 담긴 냄비는 매우 심각한 화상을 입힐 수 있다. 기름 방울과 냄비 모두 동일한 온도(세기 성질)에 있을지라도, 냄비는 명백히 훨씬 더 많은 양의 열을 포함하고 있으며 이는 크기 성질에 해당한다.

많은 원소가 화학적 및 물리적 성질에서 극적으로 차이가 나지만, 그중 일부는 현저하게 유사한 거동을 보인다. 따라서 우리는 공통된 특성을 나타내는 원소 그룹을 식별할 수 있다. 예를 들어, 많은 원소가 열과 전기의 우수한 전도체 역할을 하는 반면, 다른 원소들은 불량한 전도체임이 드러난다. 이러한 성질을 통해 원소들을 세 가지 뚜렷한 질서로 분류할 수 있다: 전도를 잘하는 금속, 전도를 잘 못 하는 비금속, 그리고 두 부류의 특성을 모두 지닌 준금속이다.

원소 주기율표