물질의 상태

모든 순물질은 적어도 이론상으로는 고체, 액체, 기체의 세가지 상태로 존재할 수 있다. 기체에서 분자들 간의 거리는 액체나 고체에서와 다르다. 고체 상태에서 분자들은 거의 움직이지 못하는 정렬된 상태로 서로 붙어있다.

액체 상태의 분자들은 서로 가깝게 있지만 강하게 붙잡혀 있지 않아  서로 움직일 수 있다. 기체 상태의 분자들은 분자의 크기보다 훨씬 서로 멀리 떨어져 있다. 물질의 세 가지 상태는 물질 조성의 변화 없이 상호 변환이 가능하다. 열을 가하면 고체(얼음)는 녹아 액체(물)로 변환된다. 이러한 변환이 일어나는 온도를 녹는점(melting point)이라 한다.

열을 더 가하면 액체는 기체로 변한다. [이 변환은 액체의 끓는 점( boiling point)에서 일어난다.]  반면에 기체를 냉각하면 액체로 응축된다. 액체의 온도를 낮추면 고체 형태로 얼게된다. 물은 다른 일반적인 물질들과는 다르게 분자들이 고체에서보다 액체 상태에서 더 조밀하고 독특한 분자이다.

순물질은 조성뿐만 아니라 그들의 성질에 의해서도 구분된다. 색깔, 녹는점, 끓는점 등은 성질이다. 물리적 성질은 순물질의 조성이나 본질은 변화시키지 않고 측정하고 관측될 수 있다.

예를 들어, 얼음 조각을 가열하면서 얼음이 물로 변하는 온도를 측정하면 얼음의 녹는점을 측정할 수 있다. 물이 얼음과 다른 점은 그 외관이지 조성이 아니다. 따라서 이것은 물리적 변화이며, 물을 얼리면 다시 얼음을 얻을 수 있다. 그러므로 녹는점은 물리적 성질이다. 마찬가지로 헬륨이 공기보다 가볍다는 말은 그 물리적 성질을 말하는 것이다. 

반면에 "수소 기체가 산소 기체 중에서 연소해서 물을 형성한다' 라는 말은 수소의 화학적 성질(chemical property)을 일컫는데, 이 성질을 관측하기 위해서는 화학적 변화(위 예시의 경우에는 연소)를 수반하기 때문이다.

이러한 변화 후에 수소 기체의 화학적 성질은 없어지고, 물이라는 새로운 물질이 생성된다.

하지만 끓임이나 응고와 같은 물리적 변화로 물로부터  수소를 다시 얻어낼 수는 없다. 계란을 삶을 때는 화학적 변화가 일어난다.

100도씨 정도로 온도를 높이면 달걀의 흰자와 노른자는 단순히 물리적 외관만 변하는 것이 아니라 화학적 조직도 변한다. 이것을 섭취하면 우리 몸 속에 있는 효소에 의해 다시 한번 변화하게 된다.

이러한 소화과정은 화학적 변화의 또 다른 예이다. 소화 과정에서 일어나는 변화는 효소와 음식의 종류에 따라 달라진다. 모든 물질의 측정 가능한 성질들은 크기 성질과 세기 성질로 다시 구분한다.

크기 성질(extensive property)의 측정값은 고려되는 물질의 양에 따라 달라진다. 질량(mass)은 주어진 시료 안에 있는 물질의 양을 의미하는 크기 성질이다. 더 많은 양의 물질은 더 많은 질량을 의미한다.

크기 성질의 값들은 서로 더할 수 있다. 즉, 백 원짜리 동전 두개의 질량은 각 동전 질량의 합과 같고, 골프장 두 개의 길이는 각 골프장의 길이의 합과 같다. 길이의 세제곱으로 정의되는 부피(volume)도 크기 성질이다.

크기 성질의 값은 물질의 양에 의존한다. 세기 성질(intensive property)의 측정값은 고려되는 물질의 양에는 상관없는 값이다. 질량 분의 부피로 정의되는 밀도(density)는 세기 성질이다. 온도 역시 세기 성질이다.

같은 온도의 물이 담겨 있는 두 비커가 있다고 하자. 두 비커의 물을 더 큰 비커에 함께 담았을 때 물의 온도는 처음 온도와 같다. 질량, 길이, 부피 등과 달리 온도와 같은 세기 성질은 더할 수 없다.