[3강 다양한 상태의 물질] 고체와 액체, 기체

1. 고체에 대한 오해

 고체 상태의 성질은 소금 결정을 관찰해보면 이해할 수 있다. 소금의 기본단위는 이온 결합을 통해 서로 연결되어있는 나트륨 이온 한 개와 염소 이온 한 개로 이루어진다. 양전하를 띤 나트륨이온은 음전하를 띤 염소이온과 서로를 끌어당기는데, 이러한 과정이 반복되면서 이온간의 연결을 통해 정육면체 모양의 결정이 만들어진다.

 소금 알갱이 하나는 10의 24제곱개가 넘는 입자들이 결합되어 정육면체의 모양을 이룬다. 하지만 이런 규칙적인 모습 때문에 고체 속에서 원자들이 제자리에 단단히 고정되어 있어 전혀 움직임이 없을 것이라고 생각하면 안된다. 분자운동론은 에너지의 전이, 기체의 운동, 화학 반응의 속도, 그리고 원자와 분자가 끊임없이 운동한다는 가정에 기초한 다른 여러 가지 현상들을 설명할 수 있다.

소금결정의 모습

 

 2. 고체, 액체와 기체의 상태변화

 풀림(annealing)은 에너지가 가장 낮은 위치를 찾아갈 수 있도록 고체 내 원자나 원자단의 운동을 촉진시키기 위해 열을 사용하는 과정을 말한다. 풀림은 사금 채취 과정에 비유할 수 있는데, 사금채취는 물 속에서 모래를 흔들어 가장 무거운 금 입자가 용기 아래쪽으로 가라앉는 원리를 이용한다.

 열이 높으면 금속이 녹아 액체가 된다. 이럴 경우 핵이 서로 위치를 바꿀 뿐만 아니라, 운동성이 좋아져 금속 자체의 모양을 바꿔버린다. 사실상 이러한 점이 고체와 액체를 구별짓는 성질이다. 액체는 담겨있는 용기에 따라 모양이 바뀌지만, 고체는 그렇지 않다. 여기에 충분한 열을 더 가하면, 순물질을 비롯해 많은 화합물들이 제3의 상태로 변한다. 바로 기체 상태인데, 기체는 용기에 따라 모양이 바뀔 뿐만 아니라 용기의 부피 전체를 차지한다.

 

 

3. 기체와 기체 법칙

 

기체 법칙의 총망라.

PV=nRT. 이상기체법칙으로 화1의 필수공식이다.

(1) 보일의 법칙(압력)

 일정한 온도에서 일정한 양을 가진 기체의 상태를 생각해보자. 피스톤을 눌러서 기체에 압력을 가하면 공기의 부피가 줄어든다. 압력이 거되면 피스톤이 다시 나오면서 부피가 증가한다. 이러한 압력과 부피의 관계를 밝혔던 과학자 로버트 보일의 이름을 따서 보일의 법칙이라고 부른다.

 

(2) 샤를의 법칙(온도)

 마개가 잠긴 빈 플라스틱 음료수 병을 생각해보자. 만약 빈 음료수 병을 재활용하기 전에 뜨거운 물로 헹구고 곧바로 마개를 꽉 잠그면, 병이 저절로 찌그러지는 것을 볼 수 있다. 만약 병을 뜨거운 물로 헹군 다음 냉동실에 넣고 재빨리 마개를 잠그면, 병은 큰 소리를 내어 아주 빨리 찌그러지면서 깨져버릴 것이다. 이러한 현상이 일어나는 이유는 차가운 공기의 부피가 뜨거운 공기의 부피보다 훨씬 작기 때문인데, 이는 자크 샤를의 이름을 딴 샤를의 법칙의 예이다.

 

(3) 아보가드로의 법칙(부피)

 같은 온도와 압력에서 같은 부피의 기체에 들어있는 입자의 수가 같다고 가정함으로써 아보가드로는 산소 기체의 미스터리를 풀게 되었다. 그는 산소 기체가 2개의 원자로 구성된 분자, 즉 2원자 분자라고 주장했는데, 이는 돌턴의 원자론에서 물질의 기본 입자로 여겼던 원소에 대하여 새로운 입자가 존재한다는 증거를 보인 것이었다. 이처럼 기체의 부피와 양 사이의 관계를 아보가드로의 법칙이라고 부르게 되었다. 

 

(4) 이상기체 법칙

 기체의 상태는 온도, 압력, 부피와 양이 동시에 변하는 경향이 있다. 이상기체법칙은 하나의 방정식으로 4가지의 변수를 모두 연결시키는 데에 성공했지만 실제적인 상황에서는 잘 적용되지 않는다. 일반적인 지상의 온도와 압력에서 대기의 기체들은 속도가 느리고, 서로 간의 거리가 아주 가깝기 때문에 기체의 성질과 유체의 성질을 동시에 가지는 경우가 많다. 이상기체 모형은 기체의 온도가 높고 압력이 매우 낮을 때 잘 적용된다.