4-1-3. 액체와 고체
물질이 존재하는 상태 중에서
액체와 고체는 우리 눈에 보이기 때문에 더욱 친숙하죠.
이번에 공부할 내용은 액체와 고체가 각각 어떤 행동을
하는지를 알아보는 것입니다.
(1) 증발과 증기 압력
증발은 액체 표면의 분자가 공간으로 기화하는 현상을 말합니다.
액체 상태에서 분자는 기체일 때만은 못하지만
비교적 자유롭게 움직일(병진 운동이라 한다) 수 있습니다.
이 때 표면에 있는 분자는 액체 속에 있는 분자보다
이웃 분자에 둘러싸인 정도가 반밖에 안되므로
분자 간 충돌에 의해 얻은 운동 에너지가
분자 간의 인력을 이길 만큼 충분해진 분자는
공간으로 뛰쳐 나가게 됩니다.
이런 현상을 증발이라 합니다.
밀폐된 용기 안에서 증발이 일어나는 것을 관찰하면
액면의 높이가 낮아지다가 일정하게 유지됨을 알 수 있는데,
이것은 표면에서 증발하는 속도와
공간에 있는 기체 분자가 액체로 되돌아 오는
응축(또는 응결) 속도를 비교할 때,
처음에는 증발 속도가 빨라서 액면이 낮아지다가
차차 증발 속도와 응결 속도가 같게 되어
액면은 더 이상 변화가 일어나지 않습니다.
겉보기로는 마치 증발이 일어나지 않는 것 같은 상태를
동적 평형이라 하고, 이 때 공간의 증기 압력을
포화 증기 압력이라 합니다.
(2) 증기 압력 곡선
증기 압력은 액체의 고유한 성질로서
온도에 따라서만 달라집니다.
온도가 높아지면-열을 받으면- 분자가 활발하게 움직이게 되고
이에 따라 증발도 많이 일어나게 되어
-왜냐 하면, 분자 간의 인력을 이길 만한
운동 에너지를 갖는 분자들이 늘어나기 때문에-
공간의 증기가 많아지므로 증기 압력이 높아지게 됩니다.
(3) 끓음
주전자에 물을 넣고 데우면서 끓을 때를 관찰해 보면
전체에서 부글 부글 거품이 올라오는 것을 볼 수 있습니다.
액체가 기체로 되려면 부피가 최소한 1000배 이상 커져야 합니다.
(표준 상태-섭씨 0도, 1기압-에서 물 18g은
물의 밀도가 1이므로 18mL이지만
수증기 18g은 22.4L이므로 부피가 1200배 정도 차이가 난다.)
따라서 액체 속의 분자가 기체로 되려면
1000배 이상의 넓은 영역을 차지하기 위해
주변의 액체를 밀어내야 하는데,
외부에서 압력-보통은 대기압-이 작용하고 있으므로
그에 맞설 만한 증기 압력을 가져야 합니다.
위 그림에서 증기 압력이 (a) = 1000mmHg,
(b) = 760mmHg, (c) = 530mmHg라면
물의 끓는점은 (a) ; 110도, (b) ; 100도, (c) ; 90도입니다.
이것은 외부 압력이 760mmHg일 때
끓기 위해서는 증기 압력도 그만큼이어야 하고,
외부 압력이 변하면 끓는 데 필요한 증기 압력도 다르므로
끓는점이 달라집니다.
그러나, 증기 압력 자체는 외부 압력과는 무관하고
오로지 온도에만 영향을 받습니다.
같은 온도에서 증기 압력이 큰 액체는 분자 간의 인력이 약하고
액체를 기체로 만드는 데 필요한 증발열이 작고, 끓는점이 낮습니다.
액체를 냉각시켜 가면 자유롭게 움직이던 입자들의 움직임이
점점 느려지다가 마침내 병진 운동은 없고
제자리에서 진동 운동만 하게 되는 상태가 되는데,
이런 상태를 고체라 합니다.
고체는 입자 배열이 규칙적인 결정 고체와
불규칙적인 비결정 고체로 나눕니다.
비결정 고체는 플라스틱, 엿, 유리, 고무 따위와 같이
입자 배열이 불규칙해서 녹는점도 일정하지 않지요.
결정 고체는 결정을 이루는 입자와 결합의 종류에 따라
분자 결정, 이온 결정, 금속 결정, 원자 결정이 있습니다.
(1) 분자 결정
분자가 결정의 단위인 결정입니다.
분자 내부의 원자 간에는 공유 결합이죠.
예를 들자면 드라이아이스(고체 이산화탄소
-아이스크림 통에서 많이 봤을 거다), 얼음...
(2) 이온 결정
이온 결합을 이루는 물질의 결정으로서
녹는점, 끓는점이 높은 편이죠.
예를 들어 NaCl, MgO...
(3) 금속 결정
결정을 이루는 단위가 금속 원자이고
금속 결합으로 이루어져 있습니다.
(4) 원자 결정
공유 결합으로 이루어져 있으며,
그물 구조로 되어 있어서 녹는점, 끓는점이 매우 높습니다.
예를 들어 다이아몬드, 흑연, 석영, 수정...
* 결정 구조와 단위 세포
단위 세포는 같은 모양을 되풀이 하는 최소 구조를 말하며,
여러분들은 주어진 결정 구조에서
단위 세포당 입자수를 셈할 수 있는 정도면 충분합니다.
