[2강 화합물] 몰과 물질의 분류

1. 아보가드로 수와 몰에 대하여

 식물학자였던 로버트 브라운은 물 위에 떠 있는 먼지나 꽃가루가 생명이 깃든 것처럼 떠다니는 것을 보았다. 그는 이런 브라운 운동이 모든 시간과 장소에서 일어난다는 것을 관찰하였다. 1900년대 초, 물리학계에서는 기체가 지속적이고 무작위로 운동하는 입자들로 구성되어 있으며, 온도가 높을수록 그 운동량이 증가한다는 분자운동론에 관심을 가졌다. 아인슈타인은 이 분장운동론을 이용하여 일정한 압력과 온도 하에서 주어진 시간동안 기체 입자가 이동하는 거리를 구할 수 있는 방정식들을 유도했다.

 

(1) 아보가드로 수

 프랑스의 물리화학자 페랭은 브라운의 꽃가루 운동이 원자 크기의 입자들에 의한 떠밀림의 결과라는 것을 알게 되었다. 페랭은 브라운 입자의 움직임을 측정할 때 아인슈타인의 식을 이용하여 일정한 부피의 액체 안에 있는 입자의 개수를 구할 수 있었다. 그는 측정한 수에 '아보가드로 수'라는 이름을 붙였다. (이는 아메데로 아보가드로 백작을 기리기 위하여 페랭이 붙인 이름이다.) 오늘날 우리는 원자 크기의 입자들을 셀 때 아보가드로 수를 표준으로 사용한다. 이는 1몰이라는 양에 포함된 입자의 수를 나타낸다.

 

1몰의 개념

(2) 몰의 세계

 연필 한 다스가 연필 12개를 의미하는 것과 같이 몰은 특정한 수를 가리킨다고 볼 수 있다. 원자는 크기가 너무 작아 훨씬 큰 숫자가 필요한데, 화학자들이 선택한 수가 바로 몰이다. 1몰은 602,213,673,600,000,000,000,000개의 물건을 의미하고, 이는 6.02*10의 23제곱이다.

 몰이라는 숫자에 대해 가늠해보자면, 달걀 한 판은 냉장고 문에 딱 들어갈 높이이지만 달걀 1몰은 엠파이어스테이트 빌딩 300채를 합친 것보다 높으며 전 지구 표면을 덮을 수 있다(!). 또한 한 다스의 달러로는 피자 한 판을 살 수 있으나, 1몰의 달러로는 170억 판을 사서 태태양까지 닿을 높이로 쌓을 수 있다. 탄소 원자 1몰은 한 움큼밖에 되지 않는다. 헬륨 몇 몰이라고 해도 욕조 하나를 채울 정도이다.

 

 

2. 물질과 혼합물

 

(1) 물질과 에너지에 관하여

 화학자들은 세계를 에너지와 물질로 나눈다.아인슈타인의 유명한 방정식의 E와 m이 바로 그것이다.

아인슈타인의 방정식

 아인슈타인인은 에너지와 물질 사이에 변환이 가능하다고 이야기했지만, 이 방정식에서 빛의 속력을 의미하는 c 덕에 화학들은 고민을 덜 수 있었다. 물질이 광속으로 움직이는 것은 현재 불가능하기 때문에 화학에서는 에너지와 물질을 분리시켜 상호 변화될 수 없는 것으로 취급한다. 그렇기에 화학의 세계에서는 물질 보존의 법칙과 에너지 보존의 법칙이 항상 성립한다고 볼 수 있다. 

 

(2) 혼합물과 순물질

 물질과 에너지 중 물질은 다시 혼합물(mixture)과 순물질(pure substances)로 나눌 수 있다. 혼합물과 순물질의 차이는 변화에 있다. 물과 같은 순물질의 경우, 물질의 근본 성질을 바꾸지 않고는 성분비를 바꿀 수 없다. 믈은 수소 2개와 산소 1개의 비율로 결합하는데, 산소 2개당 수소 2개가 결합하면 과산화수소가 되어버린다. 반면 혼합물은 다양한 성분비를 가질 수 있다. 모래는 다양한 무기물의 혼합물이지만 성분비에 따라 검은 모래에서 흰 모래까지 변할 수 있다. 설탕물도 마찬가지이다.

 

 혼합물은 다시 균일 혼합물(homogenous mixtures)과 불균일 혼합물(heterogeneous mixtures)로 나눌 수 있다. 균일 혼합물에 속하는 설탕물은 혼합물 어느 부분에서나 조성비가 일정하다. 하지만 불균일 혼합물에 속하는 모래는 그 모래가 어느 곳에 있는지에 따라 각각 조성이 다르다. 

 

 순물질은 화합물과 원소로 나눌 수 있다. 원소들은 주기율표상에 있는 개별적인 순물질들이다. 각 원소는 정해진 수의 양성자를 가진 원자로 구성된다. 화합물은 2개 이상의 원소가 일정 비율로 결합하여 만들어진다. 예를 들어 구리는 원소지만, 제초제로 쓰는 황산 구리는 화합물이다.

 

물질의 분류

(3) 화학적인 것과 물리적인 것

 분류를 통해 화학에서 매우 중요한 개념인 물리 변화와 화학 변화의 차이점을 설명할 수 있다. 소독제인 과산화수소는 산소와 수소로 분해되는데, 이는 화학변화이다. 순물질이 혼합물로부터 분리되었다면 이는 물리 변화인데, 예를 들어 설탕물에서 물을 증발시키면 설탕을 다시 얻을 수 있다. 따라서 증발은 물리변화이다.