액체와 고체의 성질 - 기초 화학

【 목 차 】

1. 고체

2. 액체

3. 물리적 성질과 화학적 성질

4. 상변화

5. 상도표

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1. 고체 (Solid)

가. 고체의 종류

 

▣ 고체는 크게 2가지 종류로 분류할 수 있다.

 ⊙ 물론 고체를 구성하는 입자들의 종류에 따라서 나눌 수 있지만 가장 기본적인 형태로

     결정성 고체와 비결정성 고체로 나눌 수 있다.

 ⊙ 결정성 고체는 고체를 구성하고 있는 이온, 원자, 분자들이 잘 정렬되어 있는 (규칙적으로

      배열되어 있는) 고체를 말한다. 규칙적으로 배열되어 있어 방향성이 있다.

 ⊙ 결정성 고체가 결정상태를 띠고 있을 때는 입자들이 규칙적으로 배열되어 있어 빛이

      지나가는 길에도 적당한 길이 생긴다던지 하는 물리적 성질이 있다.

 ⊙ 그런데 같은 석영 고체라도 비결정성 고체가 되면 방향성이나 규칙성이 없는 입자 배열이 된다.

 ⊙ 이 비결정성 고체는 특정 부분이 입자가 부족하여 약하거나 특정 부분은 입자가 빽빽하게 모여 있어

      단단해지는 등 특성을 나타내며 비결정성 고체인 유리의 경우 특이한 성질이 나타난다.

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나. 비결정성 고체인 유리의 종류와 특징

 

▣ 유리는 3가지 종류가 있다.

  ⊙ 순수 석영 유리는 가열했을 때 팽창이 잘 안되고 넓은 범위의 파장을 투과시키기 때문에

       광학연구의 카메라, 렌즈 등에 쓰인다.

  ⊙ 파이렉스(Pyrex) 유리는 가정의 냄비 등에 사용하는데 약간의 갈색을 띠는 유리로

      석영 (SiO2)이 60~80[%]이고 삼산화 이붕소가 약간 함유되어 있고 산화알루미늄이

     들어 있다. 순수한 석영유리처럼 열팽창율이 낮아 가열기구에 사용되고 적외선과 가시

     광선은 투과시키나 자외선은 투과시키지 못한다. 플라스크, 피펫 등 유리제품 등에 사용된다.

 ⊙ 우리가 많이 볼 수 있는 창문과 유리병 등에 사용되는 소다 석회 유리가 있다.

     이 유리는 석영(SiO2)의 함량이 75 [%]인데 산화나트륨, 산화칼슘 등이 들어 있다.

     가장 값 싼 유리이다. 화학물질에 취약하고 열충격에도 민감하고 (조금만 가열해도

     깨지기 쉬운) 가시광선은 투과시키지만 자외선은 흡수한다.

  ※ 코렐이라는 식기는 깨지지 않는 아름다운 유리제품으로 선전하는데 유리를 삼중으로

      접합시키고 압축한 제품으로 굉장히 단단하다. 1.5[m] 높이에서 떨어져도 잘 깨지지

      않는다. 그런데 삼중결합 상태라 갑자기 뜨거웠다, 차가워졌다 하면 즉, 급격한 열팽

      창이 일어나면 유리속에 채워져 있던 응력 - 물체가 외부 힘에 저항해서 자기 모양을

      지키려는 힘 - 떨어져서 폭발할 위험이 있다.

 ▣ 비결정성 고체의 특성중의 하나는 물질이 깨졌을 때 입자들의 크기나 모양이 아무런

     규칙성이 없이 완전 박살나는 특성이 있다. 비결정성 유리는 자동차에 사용하면 깨졌을

     때 뾰족해서 다칠 수 있어 이런 경우 결정성을 부여하기 위해 온도와 압력 조건 그리고

     그 안에 들어 가는 물질 조건을 다르게 하여 유리가 깨졌을 때 네모모양(날카로움을 없

      애는)으로 규칙성을 갖게 제조한다.

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다. 결정성 고체의 종류

 

▣ 결정성 고체는 입자의 종류에 따라서 이온성 고체, 분자성 고체 등으로 나눌 수 있다.

  ⊙ 이온성 고체는 입자가 플러스(+), 마이너스(-)를 계속 번갈아 가며 띠는 고체이다.

  ⊙ 분자성 고체는 얼음처럼 물분자내의 산소의 전기음성도가 커서 분자간 결합하는

      경우이다. 물은 수소결합을 한 것으로 분자간 힘이 매우 센 편이기 때문에 물분자들이

      수소결합에 의해서 차곡차곡 규칙적으로 배열된 분자성 고체인 얼음은 구성입자가

      물(H2O)이란 분자이다.

 

▣ 금속성 고체는 이온결합과 금속결합을 할 때 이들은 전자바다 모형을 띠고 있는데

     철이나 구리 등 금속들을 예로 들면 철은 덩어리 내에 원자로 존재하는 것이 아니라

     최외각 전자(Fe-) 2개 가 언제든지 나와서 돌아 다니는 자유전자 이니까 철은 전자 2개

     를 잃고 2+ 양이온이 되고 이런 금속 양이온과 전자들이 잘 자유로이 돌아 다닐 수 있는

     전자바다 모형으로 구성되어 있는데 금속 양이온과 자유전자들의 정전기적 인력의 힘

     으로 결합하여 강한 결합을 한다.

     이런 금속 중에서 갈륨(Ga) 같은 원소는 흔하게 쓰는 금속이 아니다. 그런데 갈륨(Ga)

     같은 전이금속은 매우 특이한 성질을 가지고 있다. 갈륨은 뜨거운 물에 닿거나 했을 때

     녹는 모습을 볼 수 있다. 결합이 분자간의 힘이니까 전기적 힘이 약하다. 그외 금속

     대부분은 전기적인 힘이 매우 강하다.

 

▣ 공유성 고체는 구성입자가 원자다. 원자들이 공유결합을 하는데 공유결합은 구성원자

    들이 전자를 상호교환 공유하는 것으로 팔전자 규칙을 만족하기 위하여 원자들이 화학

    결합을 하는 기본적인 방법이다.

▣ 공유결합은 그 결합을 끊기가 사실상 어렵다. 원자들이 전자 하나씩을 두고 결합을 해서

    새로운 분자가 되었기 때문에 이 분자가 분자하나로 똑 떨어져 있는 것이 아니고 다이아

    몬드의 경우 사면체로 계속하여 연속하여 결합을 지속하므로 즉, 모든 결합이 원자공유

    결합으로 되어 있기 때문에 공유성 고체는 매우 강력한 결합을 하는 단단한 고체이다.

▣ 다이아몬드는 녹는 점이 3,000[℃]까지 올라 가야 하고 소금도 녹는 점이 매우 높다.

    여기서 의문점은 흑연은 우리가 연필심으로 사용하는데 이 물은 굉장히 무른 것 처럼

    보여진다. 흑연은 단단하게 결합된 것이 아닌가 ? 흑연이 무른 것 처럼 보이는 것은 흑연은

    층으로 구성되어 있기 때문이다. 흑연은 탄소가 육각형 고리 모양을 만들어서 각각의

    층을 만든다. 연필심을 사용할 때는 육각형 판 하나가 1,2,3번 판이 종이 위에 얹어지는

    원리이다. 흑연 같은 경우 연필로 글씨를 쓴 경우 1억년 이후에 우리 후손들이 이 글씨를

    보면 종이만 부서지지 않았다면 흑연의 글씨를 읽게 된다. 그렇게 흑연은 변하지 않는다.

    흑연은 층과 층 사이 결합만 약하지 층 자체를 구성하는 탄소 사이의 결합은 매우 강하다.

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2. 액체

가. 액체의 물리적 성질 : 표면 장력 (Surface tension)

 

▣ 액체는 표면장력이라는 특이한 성질을 가지고 있다.

▣ 표면장력은 말 그대로 액체의 표면을 늘린다는 의미이다. 액체의 표면을 쭉 늘어 당기는 힘,

     이를 표면장력이라고 한다. 위 그림에서 왼쪽 그림을 보면 액체 입자는 상하, 좌우,

     앞 뒤 모두에서 힘을 받는다. 액체의 표면에 있는 분자는 앞뒤, 좌우, 아래쪽에서만 힘을

     받고 위쪽에서는 힘을 받지 않는다. 표면에 있는 입자들은 액체 속으로 들어 오려고 하

     는데 이 결과 무중력인 상태에서 물 한방울을 딱 떨어 뜨리면 오른 쪽 그림과 같이

     구(球) 모양이 된다. 왜냐하면 표면에 있는 물 입자들은 액체 안 쪽으로 들어 가려고 하

     기 때문이다. 이렇게 하여 표면적이 최소화되고 구(球) 모양을 하게 된다.

     이렇게 액체의 표면적을 늘리는데 필요한 힘을 표면장력이라고 한다면 표면장력은

     액체 표면적을 늘리기 어렵게 하는 반대 힘과 같게 된다. - 모양을 이루는 것은 힘의 평

      형 상태 - 하려고 하는 힘과 못하게 하는 힘이 같게 되는 것 - 표면장력이 크다는 것은

      표면장력을 어렵게 하는 힘도 커지게 된다. 즉, 분자간의 힘이 크다고 할 수 있다.

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나. 액체의 물리적 성질 : 표면장력 (Surface tension)

  ▣ 메니스커스 (Meniscus) : 좁은 관에 담긴 액체의 굴곡진 표면을 의미

  ▣ 모세관 작용 (Capiliary action) : 액체의 표면장력이 액체 표면을 수축시키면서 액체를

       실린더 위쪽으로 끌어 올리는 현상

  ▣ 유사한 분자들 사이의 인력 : 응집 (Cohesion)

  ▣ 서로 다른 분자들 사이의 인력 : 점착 (adhesion)

 

  ▣ 메니스커스 플라스크에 물을 담았을 때 물의 낮은 부분을 읽으라고 하는 것에서 처럼

      액체간에는 잡아 당기는 힘이 있으므로 벽 부분은 점착력으로 붙어 있어 높이 있고

      물의 중앙 부분은 물의 응집력으로 낮게 있는 현상이 발생한다. 즉, 물이 유리벽과의

      점착력이 물의 응집력 보다 강하기 때문이다.

  ▣ 수은의 경우에는 입자간 당기는 힘(응집력)이 매우 커서 떨어져 나온면 (球) 모양이 된다.

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다. 액체의 물리적 성질 : 점성도 (Viscosity)

  ▣ 액체의 흐름에 대한 저항을 나타내는 척도

  ▣ 단위 : N · s/㎡

  ▣ 점성도가 클 수록 액체는 느리게 흐름

  ▣ 강한 분자간 힘을 갖을 수록 점성도가 큼

  ▣ 보통 점성도는 온도가 증가함에 따라 감소

 

  ▣ 점성도는 액체의 흐름에 대한 저항이다.

  ▣ 분자간의 힘이 클 수록 액체는 잘 흐르지 않는다. (분자의 운동량 감소)

  ▣ 분자간에 작용하는 힘이 크면 분자간에 서로 잡아 당겨서 분자들이 잘 움직이지 않고

      온도가 증가하면 분자들의 운동이 활발해져 점성도가 감소하고 움직임이 활발하다.

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라. 액체의 물리적 성질 : 증기압 (Vapor pressure)

 

  ▣ 액체의 성질 중에서 증기압이 가장 중요하다.

  ▣ 예를 들어 컵의 1/4 해당하는 물을 컵에 담고 뚜껑을 닫았다. 그러면 표면에 있던 물분

      자들이 증발을 하게 된다. 그러면 컵의 상부의 공간에 수증기가 생기게 된다. 이들 수증

      기는 기체 이므로 기체는 무작위, 무규칙적으로 끊임없이 움직인다. 움직이는 과정에서

      물분자간에 부딪히게 된다. 또한 액체 물분자에 잡히는 수증기도 생긴다. 이런 과정이

      지속되면 증발하는 물 분자가 3개인데 액체 물분자에 잡히는 수증기가 2개 라면 수증

      기 분자가 증가한다. 이렇게 되면 결국에는 증발하는 물분자와 액체로 들어 오는 수증기

      분자 수가 같아지는 상태가 된다. 이런 상태를 우리는 평형상태라고 한다.

      이 때 컵의 상부 공간에는 정해진 숫자 만큼은 수증기 분자가 존재하게 된다. 이 수증기

      분자 개수는 변하지 않는다. 이 때 수증기 분자가 벽면에 가하는 힘, 즉 압력을 '증기압'

      이라고 부른다.

  ▣ 증기압이란 증발 속도와 응축속도가 평형인 상태에서 기체들이 나타내는 압력이다.

  ▣ 증기압도 분자간의 인력이 크면 액체 입자들이 증발이 잘 되지 않으므로 기체 입자수가

       작아지므로 증기압이 작아진다.

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[증기압]

  ▣ 분자간 힘의 크기에 의존하는 액체의 성질

  ▣ 상온에서 높은 증기압을 갖는 물질 - 휘발성 (Volatile) 물질 (분자간 힘이 약한 물질)

  ▣ 주어진 온도에서 증발(evaporation) 속도와 응축(Condensation) 속도가 같은 동적

       평형 (dynamic equilbrium)에서 형성된 증기의 압력 : 평형증기압 (= 증기압)

 

  ▣ 증기압이 "1"이 된다는 것은 기체들이 충분히 많은 양이 발생하여 벽을 통통 치는 이 압

       력이 대기가 뚜껑을 누르는 "1"기압과 같다는 의미이다. 이 때 날아가는 기체들이 액체

       의 표면에서만 발생하는 것이 아니라 입자(분자)들이 충분한 운동을 하고 있는 상태가

       되었기 때문에 액체 속 안에서도 발생하게 된다. 이렇게 액체 속에서도 기체가 만들어진

       는 그런 현상을 우리는 "끓음"이라고 하고 이렇게 기체가 벽을 통통 쳐서 압력이 대기압

        과 똑 같아져서 액체 내부에서도 기화가 일어나는 온도를 끓는 점이라고 한다.

  ▣ 따라서 증기압이 "1" 기압이 되는 것은 결국 끓는 점 즉, 액체의 내부에서 부글부글 기

       화현상이 일어나는 온도는 에테르는 34.6 [℃], 물은 100 [℃], 수은은 357[℃] 이다.

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3. 물리적 성질과 화학적 성질

 

  ▣ 물리적 성질은 다른 물질로 변화없이 물질 그 자체가 나타내는 성질을 말한다.

 

  ▣ 물리적 변화는 물질의 상태 즉 겉모습은 변해도 그 조성은 변하지 않는 것을 말한다. 즉,

      물리적 변화에도 같은 물질이 되는 것을 말한다. 예를 들어 라이터 안의 액체는 부테인,

      액체 부탄 가스인데 라이터를 킬려고 하면 부탄가스가 나온다. 액체 부테인이 기체 부테

      인으로 변하는 것이다.

 

  ▣ 화학적 성질은 다른 물질과 상호작용을 하거나 다른 물질로 변할 때 나타내는 성질을 말한다.

    ⊙ 철은 산소와 결합하여 녹이 슨다. (산화철이 된다) 산화철 즉 녹이 슨 철은 긁으면 부스

         러진다. 강도가 약해진다.

     ⊙ 탄소는 연필심을 생각하면 되는데 연필심 자체는 글씨를 쓰는데 사용하는데 탄소를 높은 온도로

         가열하면 불에 탄다. 산소와 결합하여 이산화탄소(CO2)가 된다.

  ▣ 화학적 성질은 다른 물질과 반응하여 새로운 물질이 되고 이런 변화가 나타 날 때 일어

       나는 성질을 화학적 성질이라고 한다.

 

  ▣ 라이터를 예로 들면 액체 부테인이 기체 부테인이 되는 것은 물리적 변화이고

       기체 부테인이 산소와 결합하여 이산화탄소와 물 분자가 되는 것은 화학적 변화이다.

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4. 상 변화 (Phase change)

가. 상변화

  ▣ 일반적으로 에너지 (주로 열)의 흡수나 방출 과정을 통하여 물질의 상태가 바뀌는

      물리적 과정을 말한다.

 

나. 고체와 액체 사이의 상변화

 

  ▣ 상변화는 상태의 변화를 말한다. 상변화에는 에너지(주로 열)을 수반한다. 열을 흡수하

       거나 방출하는 과정을 통해서 물질의 상태가 바뀌는 물리적 변화를 상변화라고 한다.

  ▣ 고체에서 액체로 변할 때 예를 들어 얼음이 물로 변하는 과정을 보면 0 [℃]에서는 얼음

       과 녹음의 평형상태가 되고 이를 녹는 점이라고 하며 얼음이 물로 변하는 것은 물리적

       변화, 흡열과정이다. 고체가 에너지를 흡수하면 고체와 액체 상의 평형인 0[℃]의 온도

       를 거쳐서 에너지를 더욱 흡수하면 액체가 된다.

  ▣ 용융과정을 보면 물질을 구성하는 입자가 충분한 에너지를 갖게 되어서 제자리에 단단

       하게 묶여 있던 분자(고체)가 분자(입자)간 인력을 극복한 것이다. 고체는 분자가 정해

       진 위치에 있어야 하는데 액체는 정해진 위치에 있는 것이 아니고 옆에 가까이 붙어 있

       긴 하지만 유동성이 존재할 수 있다는 것이 액체의 큰 특징이다.

  ▣ 응고는 액체 에서 고체로 변하는 과정이며 발열과정이다.

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다. 상변화 과정의 에너지 출입

 

  ▣ 위 그림에서 빨간색 화살표는 열을 흡수하는 흡열과정을 나타낸다. 열을 가해줘서 얼음

       에서 물, 물에서 수증기가 된다.

  ▣ 파란색으로 표시된 것은 열을 바깥으로 방출하는 발열과정을 나타낸다. 수증기가 물이

       되는 것을 응축이라고 하고 물에서 얼음이 되는 것을 응고라고 부른다.

  ▣ 고체에서 기체로 갈 때에는 승화라는 단어를 쓴다. 예전에는 이렇게 불렀는데 요즘은

       증착이란 단어를 많이 쓴다.

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예제) 다음중 발열반응이 아닌 것을 고르시오. 4

   1. 핫팩 속의 철가루와 산소의 반응

   2. 프로테인(프로판) 가스의 연소 반응

   3. 추운 겨울 호수의 위 부분이 어는 반응

   4. 더운 여름 빨래가 마르는 과정

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라. 액체와 기체의 상변화

 

▣ 액체가 기체로 되는 것을 기화, 기체가 액체로 되는 것을 응축이라고 한다.

 

  ▣ 끓는 점은 증기압이 온도를 올리면 (열을 가하면) 수증기가 더 많이 생길 것이므로 공기

      중에 기체 입자가 많아지고 이 입자는 압력을 높이게 되고 이 때 압력이 대기압 "1"과

      같아 지면 충분한 운동에너지를 가진 상태가 되기 때문에 액체 내부에서도 기화가 발생

      하여 기체(기포)가 액체 내부에서 외부로 나오는 온도가 되는데 이 온도를 "끓는 점"이

      라고 한다. 이때 온도는 대기압과 같아지는 증기압에서의 온도를 말한다.

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마. 증발과 끓음의 차이

 

  ▣ 증발과 끓음은 다르다.

  ▣ 증발은 액체 표면에 있는 분자들 중에 액체는 분자들이 고정되어 있는 것이 아니고 움직

       이므로 분자들이 서로 충돌하고 진동하면서 - 진동을 한다는 것은 에너지의 자리가 바뀐

       다는 것이다 - 병진운동을 한다. 표면에 있는 입자들 중에 운동에너지가 큰 입자가 표면

       에서만 입자가 공기중으로 튀어 나가는 현상을 말한다.

  ▣ 끓는 점은 입자(분자)들이 에너지를 흡수하여 충분한 에너지를 갖게 되면 액체들 속에

       서 기화(기포)가 일어 났을 때 즉, 액체 내부에서 열 에너지에 의해 기체로 변할 때

        "끓음"이라고 한다.

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바. 가열곡선

 

  ▣ 물질에 외부에서 열을 가하면 온도가 올라 가는데 고체 상태에서 열에너지가 흡수되면

      액체가 되는데 고체는 입자들의 진동이 증가하여 온도가 올라간다.

 

▣ 용융열은 고체 결정구조를 깨어 액체로 만드는데만 사용하므로 온도가 올라가지 않는다.

 

  ▣ 액체에 열을 계속 가열해 주면 액체 입자들의 분자운동을 증가시켜 점점 온도가 올라간다.

 

  ▣ 액체와 기체가 평형상태를 이루면 기화열은 액체를 기체로 만드는데만 사용하므로 온도 변화가 없다.

 

  ▣ 기체는 분자운동이 활발해져서 온도가 올라간다. 분자운동이 활발해지면 운동에너지

      E = 3/2KT 이므로 입자의 평균 운동 에너지는 절대온도에 비례한다고 하므로 운동이

      활발해지면 온도가 올라간다.

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5. 상도표 (Phase diagram)

가. 상도표 (Phase diagram)

    ▣ 물질의 상태들 간의 관계를 나타낸 그래프

 

[물의 상도표]

 

  ▣ 고체 - 액체 상 경계선이 음의 기울기 (일반적이지 않다)

     ⊙ 얼음에 압력을 가하면 액체가 될 수 있음

  ▣ 상계계 (Phase boundary line) : 두 영역을 나누는 곡선

  ▣ 상중점 (triple point) : 세개의 상경계가 모두 만나는 점

  ▣ 임계온도 (Critical temperature, Tc) : 아무리 높은 압력을 가해 주어도 기체가 액화될 수 없는 온도

  ▣ 임계압력 (Critical pressure, Pc) : 아무리 온도를 높여도 액체가 가화될 수 없는 압력

  ▣ 초임계 유체 (Supercritical fluid) : 유체가 Tc와 Pc 보다 높은 온도와 압력 조건에 있을 때

                     액체와 기체의 구분이 없는 상태

  ※ 물의 고체 - 액체의 기울기가 음수라는 것은 압력을 높여 주면 녹는 점이 낮아지는데

      예를 들어 스케이트를 타면 얼음에 압력이 가해져 녹게 된다. 즉, 얼음의 경우 압력을 높

      여 주면 기울기가 음수여서 녹는 점이 0[℃] 이하가 된다. 압력을 가해 주면 낮은 온도에

      서 얼음이 녹기 때문에 아이스링크에서 일정시간 후에 정빙 시간을 갖게 된다.

  ※ 삼중점은 고체, 액체, 기체가 모두 있는 온도로서 물의 경우는 매우 낮은 온도라서 보통

       은 관측되지 않는다.

  ※ 임계온도는 아무리 압력을 가해도 기체를 액체로 만들 수 없는 온도를 말하는데 기체를

       액체로 만들려면 분자의 운동량을 줄여 주어야 하는데 압력을 가해주면 입자(분자)의

       활동공간이 작아지므로 운동량이 작아 지는데 열을 가해주면 즉 온도를 높이면 입자

       (분자)의 운동량이 커져서 압력에 의한 효과 보다 열에 의한 효과가 커져서 기체가 액체

       로 되지 않는 온도를 말한다.

  ※ 임계압력은 임계 온도와 반대의 경우이다.

  ※ 초임계 유체는 임계압력, 임계온도 위에 있는 경우에만 액체와 기체의 구분이 없는 상태

      가 된다. 플라즈마 처럼 초임계 유체로 만들어서 반응시키는 경우가 있다.