물질의 상태(미시적 특성에 기반함)에 관한 기사
일상생활에서 우리는 흔히 세 가지 상태의 물질을 접하게 됩니다. 고체(예: 돌, 철 등), 액체(예: 물, 휘발유 등), 기체(예: 공기 등)가 그것입니다. 이러한 물질들은 모양과 크기를 유지하는 능력에 따라 세 가지 상태로 구분할 수 있습니다.
고체는 일반적으로 일정한 모양과 부피를 유지합니다. 액체는 고정된 형태를 유지하지 않고, 담는 용기에 맞춰 모양이 변합니다. 예를 들어, 물을 유리잔에 담으면 유리잔 모양대로 변하고, 욕조에 담으면 욕조 모양대로 변합니다. 액체의 부피는 일반적으로 항상 일정합니다. 유리잔에 담긴 물을 욕조에 넣어도 물의 양은 그대로 유지됩니다. 물의 모양은 변할 수 있지만 부피는 절대 변하지 않습니다. 다만, 고체와 액체는 충분한 힘이 가해지면 부피가 변할 수 있다는 점을 기억해야 합니다.
그렇다면 기체는 어떨까요? 기체는 고정된 모양과 부피를 가지고 있지 않습니다. 기체의 모양과 크기는 항상 기체가 차지하는 용기의 모양과 크기에 맞춰 변합니다. 예를 들어, 자동차 타이어에 공기를 넣으면 기체의 모양과 크기가 변하는 방식은 마치 자동차 타이어의 모양과 같습니다. 부피도 마찬가지입니다. 타이어 케이스에 들어가면 기체는 타이어 전체를 채우도록 퍼져 나갑니다. 이 경우 기체의 양은 타이어의 부피처럼 변합니다. 풍선에 공기를 넣으면(풍선에 공기를 넣으면) 공기의 모양과 부피는 풍선의 모양과 부피처럼 변합니다.
지금까지 우리는 물질의 세 가지 형태를 거시적 특성(물질의 모양과 크기)에 따라서만 구분해 왔습니다. 물론 이는 우리가 매일 측정하고 관찰한 결과에 기반한 것입니다. 이제 우리는 물질의 세 가지 형태를 미시적 특성에 따라 구분해 볼 것입니다. 모든 물질은 원자 또는 분자로 이루어져 있습니다. 우리가 바위가 단단하다고 말할 때, 바위를 구성하는 원자나 분자들이 어떻게 움직여 바위가 단단해지는지는 결코 알 수 없습니다. 물도 마찬가지입니다. 물이 액체 상태이고 기체가 보이지 않는 이유는 무엇일까요? 바로 원자와 분자들이 어떻게 모여서 물웅덩이를 형성하는 것일까요?
물질은 미시적 특성에 따라 형성됩니다.
고체, 액체, 기체의 미세한 특징에 따른 차이점을 논하기 전에, 먼저 돌멩이를 예로 들어 보겠습니다. 돌멩이를 자세히 살펴보면, 각각의 돌멩이 조각들이 서로 붙어 있는 것을 알 수 있습니다. 발로 차거나 던져도 모양과 크기는 변하지 않습니다. 보통 돌멩이의 모든 구성 요소는 항상 하나의 단위로 존재합니다. 왜 그럴까요? 잠시 생각해 봅시다.
돌 속에는 원자나 분자가 있습니다. 이제 바위를 상상해 보세요. 모래알갱이들이 작은 조각들로 이루어져 있다고 상상해 보세요. 더 나아가면 돌 조각들은 점점 더 작아집니다. 원자를 아주 작은 공이라고 상상해 보세요. 그리고 분자는 여러 개의 공이 서로 붙어 있는 것입니다.
암석에는 극히 적은 수의 분자나 원자가 존재합니다. 돌 속에 있는 원자들을 상상해 보시겠어요?
원자 하나의 지름은 약 10⁻¹⁰ 미터입니다 . 원자를 공이라고 상상해 보면, 그 공의 지름은 10⁻¹⁰ 미터 정도입니다 . 아주 작아서 눈으로 볼 수 없죠… 상상만 가능한 크기입니다. 분자는 원자들이 모여 만들어진 것이므로, 분자의 크기는 원자보다 훨씬 큽니다. 하지만 분자 역시 눈으로 볼 수는 없습니다.
원자나 분자가 하나의 단위로 존재하지 않는다면, 당연히 돌의 모든 부분이 서로 붙어 있지 않을 것입니다. 돌의 모든 조각들이 서로 붙어 있기 때문에 돌의 모양이 단단하게 유지되는 것입니다. 그렇다면 원자나 분자는 왜 분리되지 않는 걸까요?
실제로 원자나 분자는 서로 끌어당깁니다. 만약 원자나 분자가 서로 끌어당기지 않는다면, 당연히 사방으로 흩어질 것입니다. 모든 원자나 분자는 친구와 작별 인사를 하게 될 것이고, 결국 돌 조각들도 사방으로 흩어지게 될 것입니다. 바위 조각들도 마찬가지로 흩어져서 결국에는 눈에 보이지 않게 될 것입니다. 돌 조각 역시 원자나 분자로 이루어져 있습니다. 원자의 크기는 매우 작아서 만약 분리되어 있다면 당연히 눈으로 볼 수 없을 것입니다. 하지만 현실은 그렇지 않습니다.
돌은 단단해 보이고, 돌의 각 부분이 서로 붙어 있습니다. 따라서 고체를 구성하는 원자나 분자는 서로 끌어당긴다는 결론을 내릴 수 있습니다.
원자나 분자 사이의 인력은 전자기력입니다. 인력이 존재하기 때문에 원자나 분자는 서로 가까이 붙어 있으려고 합니다. 하지만 충돌하려고 하면 원자나 분자의 가장 바깥쪽에 있는 전자들이 서로 반발합니다(전기적 반발). 이 때문에 원자와 분자는 뒤로 밀려납니다. 하지만 인력이 작용하기 때문에 다시 서로 가까워집니다. 원자나 분자는 일정한 거리를 유지하면서 앞뒤로 움직이며 진동합니다.
고체, 액체, 기체의 차이는 실제 미시적 특성에 따라 세 물질을 구성하는 원자 또는 분자 사이의 인력의 강도에 있습니다.
고체
고체에서는 원자나 분자 사이의 인력이 매우 강해서 고체를 구성하는 원자나 분자는 항상 고정된 위치에 있습니다. 고체 속의 원자나 분자는 앞뒤로 움직이지만(진동하지만), 항상 같은 위치에서 진동합니다.
이러한 고체를 구성하는 원자나 분자 사이의 강한 인력 때문에 고체의 형태와 부피는 항상 일정하게 유지됩니다. 돌이나 철을 던지거나 세게 두드려도 모양이 쉽게 변하지 않는데, 이는 원자나 분자 사이의 인력이 매우 강하기 때문입니다. 돌이나 금속을 양동이나 욕조에 넣어도 부피는 변하지 않습니다. 따라서 이러한 고체를 구성하는 원자나 분자 사이의 강한 인력이 고체를 하나의 단위로 유지하고 그 모양을 일정하게 유지시켜 줍니다.
고체를 구성하는 원자나 분자의 배열은 이 이미지(결정 격자라고도 함)를 확대한 것과 같습니다. 원자나 분자는 매우 작습니다.
리퀴드
액체에서는 원자나 분자 사이의 인력이 약하기 때문에 원자와 분자들이 자유롭게 앞뒤로 움직이며 서로 겹쳐질 수 있습니다. 액체를 구성하는 원자나 분자들은 자유롭게 움직일 수 있지만, 서로 완전히 떨어져 나갈 수는 없습니다. 인력의 크기가 여전히 존재하기 때문에 원자와 분자들이 흩어지지 않는 것입니다.
액체의 형태는 변할 수 있지만 부피는 항상 일정하기 때문입니다. 유리잔에 물을 담으면 원자나 분자 사이의 인력이 약해서 물이 유리잔 모양대로 변하지 않습니다. 욕조에 물을 담으면 원자나 분자 사이의 인력이 약해져서 물이 욕조 모양에 맞춰 변형됩니다. 하지만 액체의 부피는 항상 일정합니다. 원자나 분자 사이의 인력이 여전히 작용하여 원자와 분자를 서로 결합시켜 주기 때문입니다. 물을 구성하는 원자와 분자는 흩어져 있지 않으므로 부피는 항상 일정하게 유지됩니다.
그림에서처럼 액체를 구성하는 원자 또는 분자의 위치 (화살표는 이동 방향을 나타냄).
가스
기체 물질에서는 원자나 분자 사이의 인력이 약합니다. 원자와 분자 사이에 결합이 없기 때문에 자유롭게 움직입니다. 이러한 약한 인력으로 인해 기체 물질을 구성하는 원자와 분자는 사방으로 흩어져 있습니다. 따라서 기체 물질을 구성하는 원자는 고체나 액체 물질을 구성하는 원자보다 훨씬 더 자유롭게 움직입니다.
기체를 구성하는 원자 또는 분자의 위치는 그림과 같습니다.
기체 물질의 모양과 부피가 변할 수 있는 이유는 바로 약한 인력 때문이며, 이것이 바로 우리가 공기를 볼 수 없는 이유입니다. 원자나 분자는 크기가 너무 작아서 사방에 흩어져 있으면 눈으로 볼 수 없습니다. 모래나 설탕 알갱이는 원자나 분자보다 훨씬 크기 때문에 흩어져 있어도 눈으로 볼 수 있지만, 다소 까다롭습니다.
고체나 액체 물질은 원자나 분자가 흩어져 있지 않기 때문에 눈으로 볼 수 있습니다. 고체와 기체 물질은 서로 끌어당기는 힘이 있어 형태를 유지합니다. 반면 기체 물질은 원자나 분자를 서로 끌어당기는 힘이 약해서 고체 상태의 원자나 분자를 결합시킬 수 없습니다. 이러한 약한 인력 때문에 기체와 액체 물질은 흐를 수 있습니다.
