오늘은 물질의 상태란 무엇인지, 고체와 액체의 특징은 무엇인지 알아려고 한다. 또한 고체와 액체의 부피 변화에 대해서도 알아보겠다.
1. 물질의 상태
우리 주변에 있는 대부분의 물질은 온도와 압력에 따라 고체, 액체, 기체의 세 가지 상태로 존재한다. 고체 상태에서는 분자들이 규칙적으로 배열되어 있으므로 모양이 일정하다. 또 분자 사이의 거리가 매우 가까우므로 압축해도 부피가 거의 변하지 않는다.
액체 상태에서는 분자들이 불규칙하게 배열되어 있어 담는 그릇에 따라 모양이 변한다. 그러나 분자 사이의 거리가 가까우므로 압축해도 부피가 크게 변하지 않는다.
기체 상태에서는 액체보다 더 자유롭게 모양이 변할 수 있다. 기체는 입자의 움직임이 활발해서 한 곳에 모아 두기 어렵고, 입자와 입자 사이에 빈 공간이 많기 때문에 부피도 쉽게 변한다. 기체를 모아 놓고 힘을 주어 노르면 부피가 줄어들고, 누르는 힘이 사라지면 원래의 부피로 돌아온다. 이때 기체의 질량이 줄어들거나 없어지는 것이 아니다. 다만 부피가 변할 뿐이다.
2. 부피의 개념
물질이 차지하는 공간의 크기를 부피라고 한다. 부피를 나타내는 단위로 세제곱센티미터(㎤)를 사용한다. 1 ㎤는 가로, 세로, 높이의 길이가 각각 1 ㎝인 정육면체의 부피를 말한다. 일상생화에서는 리터(L)를 사용하며, 1L는 1,000 ㎤이다.
3. 고체는 왜 모양이 변하지 않을까?
고체 내부에는 고체를 이루는 입자들이 규칙적으로 배열되어 있다. 이러한 입자들 사이에는 서로 끌어당기는 힘이 작용하고, 그 힘도 크다. 따라서 입자들이 자유롭게 움직이지 못하기 때문에 고체는 변하지 않고 일정하다.
4. 유리는 고체일까?
유리는 우리 주변에서 쉽게 볼 수 있으며, 많은 사람들은 재질이 딱딱해서 유리를 고체라고 생각한다. 그러나 과학적인 관점에서 본다면 유리를 고체라고 할 수 없다. 유리가 단단하고 손에 잡히는 고체로 보이는 것은 유리의 점성이 다른 액체들보다 아주 높기 때문이다. 현대 유리 제조 기술의 발달에 의해서 유리가 더욱 단단해졌지만, 아주 옛날에 만들어진 교회의 스테인드글라스는 수천 년에 걸쳐 서서히 흘러내려 위쪽은 얇고 아래쪽은 두꺼워진 모습을 관찰할 수 있다. 즉, 유리는 흘러 움직이는 성질이 있기 때문에 액체로 본다.
5. 미세 먼지는 고체가 아닐까?
화재, 황사, 화산 폭발 등이 있을 때나 석유 같은 연료를 태울 때, 자동차가 달릴 때 발생하는 미세 먼지는 공기 중에 떠다니고 알갱이가 매우 작아서 눈에 보이지는 않지만 미세 먼지 알갱이 하나하나는 크기와 모양이 일정하므로 고체이다. 미세 먼지처럼 소금, 설탕, 모래와 같은 가루 물질은 작은 알갱이들이 모여 있는 것으로 모두 고체이다. 가루 물질을 여러 가지 모양의 그릇에 담으면 가루 전체의 모양은 담는 그릇에 따라 변하지만 알갱이 하나하나의 모양과 부피는 변하지 않는다.
6. 담는 그릇에 따라 모양이 변하는 액체
액체를 구성하는 입자들을 고체 결정처럼 질서 정연하게 배열되어 있는 것도 아니고, 기계처럼 완전히 무질서하지도 않다. 액체 분자들 사이에는 강한 인력이 작용하기 때문에 액체는 일정한 부피를 가지고 있다. 하지만 이 분자들이 유동성을 가지고 있기 때문에 일정한 모양이 없다. 즉, 액체 분자들은 액체 내부에서만 비교적 자유롭게 움직이기 때문에, 부피는 일정하지만 모양은 담긴 그릇의 모야에 따라 변하게 된다.
7. 액체의 부피 측정
액체의 부피를 측정하는 도구로 눈금실린더가 있다. 눈금실린더에는 눈금과 숫자가 표시되어 있어 액체의 부피를 정확하게 측정할 수 있다.
8. 젤리는 고체일까? 액체일까?
젤리는 가만히 두면 그 모습 그대로를 유지하지만 살짝 건드리면 모양이 변한다. 고체라고 말하기에는 움직임이 자유롭게 액체라고 말하기에는 형태가 어느 정도 고정되어 있는데, 이렇게 액체와 고체 상태의 특성을 동시에 나타내는 물질을 가리켜 ‘콜로이드 상태’에 있다고 말한다. 콜로이드는 아주 미세한 입자들이 액체 속에 완전히 녹지 않고 균일하게 퍼져 있는 상태로 ‘졸’과 ‘겔’로 구분할 수 있다. 물의 함량이 비교적 적어 반고체 상태인 것을 ‘겔(gel)’이라 하고, 물의 함량이 많아 액체 상태인 것을 ‘졸(sol)’이라고 한다. 달걀로 예를 들면 날달걀의 흰자는 액체에 가까운 졸 상태이고, 삶은 달걀의 흰자는 고체에 가까운 겔 상태이다.
9. 물은 손으로 잡을 수 있다?
물을 손으로 잡으라고 하면 아주 적은 양의 물을 손바닥에 올려놓거나 물의 일부를 손안에 놓고 물을 손으로 잡을 수 있다고 생각할 수 있지만 이것은 손에 물이 고인 것일 뿐 잡은 것이 아니다. 물을 손에 담고 흔들어 보거나 주먹을 쥐어보면 물은 손으로 잡을 수 없다는 것을 이해할 수 있게 된다.