Ch5 물질의 상태 변화 Lesson 1 물질의 상태 변화

5. 물질의 상태변화

 

여러분이 초등학교때 배운 것처럼 물질에는 고체, 액체, 기체의 세가지 상태로 존재합니다. 이러한 세가지 상태에 대한 기본을 알아보고 물의 경우에 보다시피 물질은 세가지 상태로 변할 수 있습니다. 이러한 상태 변화에 영향을 끼치는 요인을 알아보고 그 영향으로 인해 물질의 구성입자가 어떤 변화를 겪는지 알아봅시다.

 

1. 물질의 상태변화

 

우리가 주변에서 많이 보는 물만 보더라도 고체상태인 얼음, 액체 상태인 물, 그리고 기체 상태인 기체 의 세가지 상태로 존재합니다. 그럼 각 상태의 특징에 대해 알아보고 상태변화가 일어날 때 물질을 이루고 있는 입자의 배열은 어떻게 변하는지 알아봅시다.

 

A. 물질의 세가지 상태

1) 물질의 세가지 상태

우리 주변에 있는 물질은 다양하지만 물질을 고체, 액체, 기체의 세가지로 구분 할 수 있습니다.

 

2) 물질의 세가지 상태의 특징

a) 고체상태

핸드폰이나 필기구 처럼 흐르는 성질이 없고, 단단하고, 담는 용기에 관계없이 모양과 부피가 일정합니다.

 

b) 액체상태

우리 주변에서 흔히 볼 수 있는 물과 같은 액체는 담는 용기에 따라 모양이 달라지지만, 부피는 일정하며 흘러 내리는 성질이 있습니다.

 

c) 기체상태

눈에 보이진 않지만 우리 주변을 둘러싸고 있는 공기와 같이 담는 용기에 따라 모양도 바뀌고, 온도와 압력에 따라 부피도 변합니다. 또한 흘러 내리는 성질이 있으며 공간으로 확산하는 성질이 있습니다.

 

3) 물질의 상태에 따른 입자 배열

 

물질은 입자로 이루어져 있습니다. 이 입자에 대해서는 나중에 배웁니다. 물질을 쪼개고 쪼개고 해서 더 이상 쪼개지지 않는 입자로 “원자”라는 것을 배우는데 원자는 물질을 이루는 기본 입자입니다. 그 원자에 대해서는 나중에 좀더 공부해 보도록 합시다. 고체, 액체, 기체의 특징이 앞에서 처럼 차이가 나는 것은 물질에 상태에 따라 구성하고 있는 입자 배열이 다르기 때문입니다.

 

a) 고체상태

입자들이 규칙적으로 배열되어 있고, 입자 사이의 거리가 매우 가깝습니다. 거리가 가까우니 입자간에 서로 잡아두는 힘 – 인력이라고 합니다. – 이 강해서 입자간 운동이 활발하진 않고 제자리에서 진동합니다. 왜 고체가 형태가 유지되는지에 대해 생각해 보시면 쉽게 아실 수 있습니다. 형태가 유지될려면 입자들이 쉽게 움직이지 못해야 하고 입자들의 배열도 규칙적으로 오밀조밀 하게 붙어 있어야 겠죠?? 어떻게 배열해야 형태가 유지가 되는지 머리속에 잘 그려보세요

 

b) 액체상태

입자들이 고체보다는 불규칙적으로 배열되어 있고, 입자 사이의 거리가 고체보다 멀리 떨어져 있습니다. 그래서 입자간의 힘이 아무래도 고체보다는 약하겠죠 그래서 입자의 운동이 상대적으로 자유롭습니다. 그래서 액체가 어느정도의 형태는 있으나 고정적이진 못하죠 용기에 따라 달라집니다.

 

c) 기체상태

자 그럼 기체상태의 입자 상태에 대해 설명하기 전에 고체와 액체를 보고 예측을 해 봅시다. 당연히 입자들이 매우 불규칙적으로 배열이 되어 있고, 입자 사이의 거리가 매우 멀 것입니다. 그 결과로 입자 사이의 인력이 매우 작으므로 입자의 운동이 매우 자유롭고 활발한 편입니다.

 

다음 그림으로 고체, 액체, 기체의 세가지 상태들을 비유적으로 알아 봅시다.

 

B. 물질의 상태 변화

 

1) 물질의 상태 변화

a) 상태변화

우리가 물의 예에서 잘 보다시피 물을 냉동실에 넣으면 고체인 얼음이 되고 계속 가열하면 끓어서 수증기가 됩니다. 아이스크림을 배달 시키면 들어있는 드라이아이스도 가만히 놔두면 바로 기체로 변해버리죠 이와 같이 물질은 어느 한 가지 상태로만 존재하는 것이 아니라 다른 상태로 변할 수 있는데, 이때 물질의 상태가 변하는 현상을 상태변화라 합니다.

 

b) 상태변화의 원인

이러한 상태 변화의 원인은 위에서 든 예를 통해 알 수 있듯이 주로 온도입니다. 물론 몇몇 특이한 경우는 압력에 의해서도 상태변화가 일어날 수 있습니다. 기체를 높은 압력을 가하면 액체로 존재하거나 할 수가 있기 때문이죠 온도와 압력이라고 원인을 정리해 두시고 주로 온도가 주원인이다 라고 생각하시면 좋을 듯 합니다.

 

2) 상태 변화의 종류

각각 고체와 액체 그리고 기체로 변화해 하는 과정은 특별한 용어가 있는데 각 용어를 잘 정리해 두셔야 합니다.

 

a) 융해와 응고

고체에서 액체로 상태가 변하는 현상을 융해, 액체에서 고체로 상태가 변하는 현상을 응고라고 합니다.

 

ㄱ) 융해와 응고의 예시

융해의 예	응고의 예
- 얼었던 강물이 녹는다 - 아이스크림이 녹아 내린다. - 불을 붙인 양초에서 촛농이 흘러내린다. - 뜨거운 프라이팬 위에서 버터가 녹는다.	- 추운 날씨에 강물이 얼어붙는다. - 용암이 식어서 돌이 된다. - 흘러내리던 촛농이 굳어간다. - 고깃굿이 식으면 기름이 굳는다.

 

ㄴ) 융해와 응고의 이용

- 솜사탕

설탕을 가열하여 녹임 – 융해 – 니다. 이 액체 설탕을 작은 구멍으로 내보내면 실 모양으로 식어서 굳어지는데 – 응고 – 이것을 뭉치면 솜사탕이 됩니다.

 

- 금속 캔의 재활용

- 고철 캔이나 알루미늄 캔을 수거하여 뜨거운 용해로 에서 녹인 – 융해 – 후, 액체로 된 금속을 원하는 모양의 틀에 부어 식히면 굳어 – 응고 – 새로운 금속 제품이 됩니다.

 

b) 기화와 액화

액체에서 기체로 상태가 변하는 현상을 기화, 기체에서 액체로 상태가 변하는 현상을 액화라고 합니다.

 

ㄱ) 기화와 액화의 예시

기화의 예	액화의 예
- 손에 뿌린 손 소독제가 사라진다. - 젖은 머리카락을 말린다. - 염전에서 바닷물을 가두어 소금을 얻는다. - 젖은 빨래가 마른다.	- 안개가 생긴다. - 이슬이 맺힌다. - 욕실 유리에 김이 서린다. - 뜨거운 차를 따를 때 하얀 김이 생긴다.

 

ㄴ) 기화와 액화의 이용

- 와카 워터

물이 부족한 일부 아프리카 지역에서 낮과 밤의 기온차이가 큰곳에서 물을 얻는 방식이입니다. 공기숭의 수증기가 그물 사이의 물방울로 – 액화 – 맺히게 되는데 이런 물방울을 모아 식수로 사용합니다.

 

- 액화 천연가스

기체 상태는 운반과 저장이 어렵습니다. 따라서 온도를 낮춰서 액체로 만든 후 – 액화 – 운반과 저장을 합니다.

 

c) 승화

고체에서 액체를 거치지 않고 바로 기체로 상태가 변하거나 기체에서 액체를 거치지 않고 바로 고체로 상태가 변하는 현상을 승화라고 합니다.

 

ㄱ) 승화의 예시

고체에서 기체로의 승화	기체에서 고체로의 승화
- 드라이아이스의 크기가 점점 작아진다. - 얼어있던 명태가 마른다. - 나프탈렌의 크기가 점점 작아진다. - 눈사람의 크기가 점점 작아진다.	- 겨울철 서리가 내린다. - 겨울철 유리창에 성에가 생긴다. - 냉동실 벽면에 성에가 생긴다. - 겨울철 높은산에서 상고대가 생긴다.

 

ㄴ) 승화의 이용

- 라면수프와 인스턴트 커피

식품을 급속냉동시켜 얼음으로 만들고 나서 엄음을 수증기로 승화시켜 수분을 제거하는 동결건조법을 사용합니다.

 

- 우주 식품의 제조

우주 식품은 우주공간에서 우주인이 먹을 수 있게 만든 음식입니다. 조리기구 쓰기가 불가능한 우주이다 보니 간편하게 먹을 수 있어야 하기 때문에 주로 위에서 언급한 동결건조법을 활용합니다.

 

C. 상태 변화와 입자 배열의 변화

1) 상태 변화에 따른 물질의 성질 변화

상태 변화가 일어나도 물질을 이루는 입자 자체의 변화는 없습니다. 따라서 물질의 성질 자체는 변화가 없습니다.

 

a) 초콜릿

초콜릿을 가열하면 액체로 바뀌지만 초콜릿의 달달한 맛은 변함이 없습니다.

 

b) 물

물의 기본적인 성질은 수증기나 얼음이 되어도 변하진 않습니다. 다음 실험을 통해서 물의 상태변화에도 기본적인 성질의 변화는 없음을 파악해 봅시다.

 

<관련 실험>

물의 상태변화 관찰하기

 

과정 및 결과

1) 유리 막대로 물을 찍은 후, 푸른색 염화 코발트 종이에 대어 색 변화를 관찰한다.

-> 푸른색 염화 코발트 종이가 붉은색으로 변한다.

 

2) 물이 들어 있는 비커 위에 얼음이 담긴 시계 접시를 올려놓고 가열하면서 변화를 관찰한다.

-> 비커 안의 물이 기화하여 수증기가 되고, 수증기가 차가운 시계 접시에 닿으면 액화하여 물이 된다.

 

3) 시계 접시의 아래쪽에 푸른색 염화 코발트 종이를 대어 색의 변화를 관찰한다

-> 푸른색 염화 코발트 종이가 붉은색으로 변한다.

 

결과해석 및 정리

1) 푸른색 염화 코발트 종이는 물과 만나면 붉은색으로 변하는 성질이 있으므로 물을 확인하는데 사용합니다. 과정 1) 과 3)에서 푸른색 염화 코발트 종이가 모두 붉은색으로 변하였으므로, 물의 상태가 변해도 물이 가진 본래의 성질을 변하지 않는다는 점을 파악할 수 있습니다.

 

2) 상태 변화가 일어날 때 물질을 이루는 입자의 종류, 개수, 크기 등은 변하지 않으므로 물질의 성질은 변하지 않는다.

 

2) 상태 변화에 따른 물질의 질량 변화

상태 변화가 일어나도 물질을 이루는 입자의 종류, 개수, 크기 등은 변하지 않으므로 물질의 질량은 변하지 않습니다.

 

3) 상태 변화에 따른 물질의 부피 변화

상태 변화가 일어날 때 물질을 이루는 입자의 배열이 달라지므로 물질의 부피는 변화가 생깁니다.

 

a) 융해와 응고

융해가 일어날때는 고체가 액체가 되는 것이므로 입자사이의 거리가 멀어지고 부피는 증가합니다. 그러나 응고가 일어나면 입자 사이의 거리가 가까워지므로 부피가 줄어들게 됩니다. 물론 예외가 있긴 합니다 물은 얼음이 되면 부피가 증가합니다 근데 이 부분은 물 분자의 구조가 얼음이 되면서 빈공간이 많은 구조가 되어 부피가 증가하는 것입니다. 조금 예외적인 경우긴 합니다. 이 부분도 나중에 살펴보도록 하겠습니다.

 

b) 기화와 액화

기화가 일어날때는 액체에서 기체로 바뀌는 것이므로 입자 배열이 매우 불규칙적이고 입자사이의 거리가 매우 멀어지므로 부피가 크게 증가합니다. 반대로 액화가 일어날 때는 입자 배열이 비교적 규칙적이되고, 거리가 비교적 가까워지므로 부피가 크게 감소하게 됩니다.

 

c) 승화

고체에서 기체로 되는 승화의 경우 입자의 배열이 불규칙해지고, 입자간 거리가 더 멀어져서 부피가 증가하게 되고, 기체에서 고체로 되는 승화의 경우는 입자의 배열이 규칙적이 되고 입자간 거리가 매우 가까워져서 부피가 감소하게 됩니다.

 

d) 상태 변화에 따른 입자 배열의 변화

일반적으로 고체 -> 액체 -> 기체로 상태변화가 발생하면 부피가 증가합니다. 입자의 규칙성과 입자간의 거리를 생각해 보면 쉽게 이해하실 수 있으실 겁니다. 반대로 기체 -> 액체 -> 고체로 상태변화가 일어나면 부피가 감소하게 됩니다. 고체와 액체 그리고 기체의 입자배열과 입자간 거리를 잘 생각해 봅시다.

이러한 사실을 다음의 실험을 통해 파악해 봅시다.

 

<관련 실험>

양초의 상태 변화 관찰하기

 

과정 및 결과

1) 양초를 조각내어 비커에 넣은 후 질량을 측정한다.

 

2) 조각낸 양초를 가열하여 모두 녹인다.

-> 고체에서 액체로 융해

 

3) 녹은 양초가 담긴 비터의 질량을 측정하고 녹은 양초의 부피를 표시한다.

-> 질량은 변함이 없다.

 

4) 양초를 서서히 식혀서 양초가 모두 굳으면 굳은 양초가 담긴 비커의 질량을 측정한다

-> 액체에서 고체로 응고가 일어난다 마찬가지로 질량은 변화가 없다.

 

5) 굳은 양초의 부피를 비커에 유성펜으로 표시하고, 양초가 굳기 전과 후의 부피를 비교한다.

-> 질량은 변하가 없지만 부피는 녹은 양초일때가 굳은 양초일때보다 크다.

 

결과해석 및 정리

1) 고체 양초가 융해하거나 액체 양초가 응고할 때 양초의 질량은 변하지 않습니다.

2) 액체 양초가 응고할 때 입자 배열이 규칙적으로 변하고 입자 사이의 거리가 가까워지므로 양초의 부피가 줄어든다.