0. 목차
- 기체, 액체, 고체
- 액체와 기체 사이에서의 상태 변화
- 온도와 압력이 물질의 상태를 변화시킨다.
1. 기체, 액체, 고체
'원자와 분자의 운동의 정도'를 우리는 보통 '온도(Temperature)'라고 한다. 그리고 이들의 운동의 정도는 '운동 에너지(Kinetic energy)'이다. 결국 온도가 높을수록 분자는 격렬하게 움직이고 있고, 온도가 낮을수록 분자의 운동은 약해진다. 다만, 같은 온도에서 모든 분자가 같은 속력으로 움직이는 것은 아니다. 예컨대 같은 20℃ 공기에서도 분자의 속력은 제각각이다. 그리고 물질은 일반적으로 온도가 높은 쪽부터 차례로 '기체(gas)', '액체(liquid)', '고체(solid)의 세 가지 상태를 취한다. 이를 '물질의 3태'라고 부른다.
- 기체(gas): '기체'는 분자가 맹렬한 속력으로 날고 있는 상태이다. 분자 자체가 회전하거나 신축하며 진동하고 있으며, 분자의 밀도에 따라 분자끼리 빈번하게 충돌을 되풀이한다. 보통을 알아차릴 수 없지만, 눈앞의 공기 속에는 산소 분자와 질소 분자가 초속 수백 m로 날아다니며 서로 빈번하게 충돌한다. 충돌과 충돌 사이에 직선으로 날아가는 거리는 10000분의 1mm 정도이다.
- 액체(liquid): 원자나 분자끼리는 적당하게 접근하면, 서로 인력이 작용한다. 기체의 온도가 내려가 분자의 속력이 느려지면, 분자끼리 접근했을 때 서로의 인력에 의해 모이게 된다. 이렇게 분자가 모인 것이 '액체(liquid)'이다. 단 액체의 경우, 분자끼리는 아직 자유롭게 이동할 수 있다. 분자 자체가 회전하거나 신축하는 것은 기체와 마찬가지이다.
- 고체(solid): 온도가 더 내려가면, 인력이 증가해 분자가 자유롭게 이동할 수 없어 한곳에 멈추게 된다. 이것이 '고체(solid)'이다. 단, 고체라도 원자나 분자가 완전히 멈추어 있는 것은 아니고, 항상 그 자리에서 진동하고 있다. 진동은 온도가 높을수록 격렬해진다. 냉동고 안의 얼음조차도 원자 수준에서 보면 물 분자가 부들부들 떨고 있다.
원자·분자 사이의 인력의 강도는 물질의 따라 다르며, 인력이 약할수록 저온에서도 액체나 고체가 되기 어렵다. 즉, '끓는점(비등점)'이나 '어는점(빙점)'이 낮다. 물체가 기체인지 액체인지 고체인지는 구성하는 원자나 분자의 성질이 결정한다.
1-1. 물질의 상태 변화
물질의 상태가 변할 때는 '열(heat)의 출입이 생긴다. 예컨대 어떤 물질의 '증발(Evaporation)'에 필요한 열량은 그 물질이 '응결(condensation)'될 때 생기는 열량과 같다.
1-2. 다양한 물질의 녹는점과 끓는점
아래의 표는 1기압 기준, 다양한 물질의 '녹는점'과 '끓는점'을 정리한 것이다. 원자나 분자 사이에 작용하는 힘의 크기는 '결합의 종류'에 따라 달라진다. 공유결합이 대체로 가장 결합의 세기가 강하고, 그다음으로 이온결합·금속결합, 그 다음으로 '분자간력(분자간 힘)' 순서이다. 결합력이 클수록 물질의 녹는점과 끓는점이 높아진다.
| 물질 | 결합의 종류 | 녹는점 | 끓는점 |
| 헬륨 | 분자간력 | 없음(1기압에서는 고체가 안됨) | -269℃ |
| 수소 | 분자간력 | -259℃ | -253℃ |
| 질소 | 분자간력 | -210℃ | -195.79℃ |
| 염화나트륨(NaCl) | 이온 결합 | 801℃ | 1485℃ |
| 철 | 금속 결합 | 1536℃ | 2863℃ |
| 금 | 금속 결합 | 1064℃ | 2840℃ |
| 물질 | 결합의 종류 | 승화점 |
| 흑연 | 공유 결합 | 3370℃(1기압에서는 액체가 안됨) |
2. 액체와 기체 사이에서의 상태 변화
여기에서는 액체와 기체 사이에서 상태 변화가 일어날 때, 어떤 일이 생기는지 자세히 살펴보자. '기화'는 액체로부터 기체가 되는 현상 전부를 가리킨다. '기화'에는 '증발'과 '비등(끓음)'이 있다. 한편, 기체로부터 액체가 되는 현상은 '응축(condensation)'이라고 한다.
2-1. 증발
컵에 든 물의 표면을 원자 수준에서 생각 보자. 일정한 온도에서도 물 분자의 운동 속력은 다양하다. 따라서 물이 끓어오르는 100℃보다 낮은 온조에서도 액체의 물속에는 수면에서 공기 속으로 튀어나갈 정도의 소력을 가진 것이 적게나마 있다. 결국 100℃ 이하에서도 일부 물 분자는 증발한다. 즉, 증발은 온도와 관계없이 일어나는 현상인 것이다.
물 분자가 증발할 때는 분자 간의 인력을 떨쳐버리는 데 에너지를 사용하기 때문에, 분자의 속력이 떨어지고 온도가 내려간다. 일반적으로 1mol의 액체가 증발할 때 주위로부터 빼앗는 열량을 '증발열(기화열)'이라고 한다. 소독용 알코올을 피부에 바르면 시원하게 느껴지거나, 무더운 날 지면에 물을 뿌리면 시원해지는 이유도 증발할 때 열을 빼앗기기 때문이다. 보통 일정한 온도에서 1g의 물질을 '증발(기화)'하는데 필요한 열량으로 나타내는데, 100℃에서 물 1g의 기화열은 539.8cal이다. 기호는 cal/g를 쓴다.
2-2. 응축
한편, 공기 속에도 수증기가 포함되어 있기 때문에, 물 분자가 공기 속에서 '수면(물의 겉면)'으로 뛰어드는 경우도 있다. 물 분자의 '응축(condensation)'이다. 이 경우, 서로 결합했던 물 분자는 결합 전보다 속력이 빨라지고 온도도 올라간다. 이처럼 기체가 액체로 응결될 때 방출하는 열량을 '응축열(condensation heat)'이라고 한다.
만일 물 분자가 같은 양만큼 수면에서 나오거나 수면으로 들어가면, 수면의 높이는 변하지 않는다. 컵에 뚜껑을 씌우지 않은 상태에서 공기가 건조해 주위에 충분한 수증기가 없는 경우에는, 증발한 물 분자가 확산되어 물 분자는 점차 증발한다.
2-3. '기액 평형'과 '포화 증기압'
'증발 속도'와 '응축 속도'가 같은 상태, 다시 말해 같은 양의 분자가 액체 표면에서 출입하는 상태를 '기액 평형(vapor-liquid equilibrium)' 이라고 한다. 또 '기액 평형'을 때의 압력을 '포화 증기압(saturated vapor pressure)' 또는 '증기압(vapor pressure)'이라고 한다.
'포화 증기압'은 물질에 따라 다르다. 또 온도만 변하지 않으면, 기체의 부피가 변하거나 다른 종류의 기체와 함께 있어도, 일정한 값을 유지한다. 예컨대 '기액 평형'에 있는 기체의 부피를 감소시켰을 때, 일시적으로 기체의 밀도가 높아지기 때문에 '응축(응결)'이 진행된다. 하지만 다시 '기액 평형' 상태가 되어 기체는 원래의 '증기압'과 같은 값을 취한다. 한편, '포화 증기압'은 온도가 높을수록 커진다. 액체 속에서 결합을 떨쳐내고 튀어나오는 데 필요한 속력을 가진 분자의 비율이 늘어나, 액체 표면에서 분자가 밖으로 튀어나오는 '증발'이 진행된다.
2-4. 비등(끓음)
액체가 기체로 변하는 현상을 '비등(끓음)'이라고 한다. 그러면 '비등(Boiling)'은 끓는점 이하에서 일어나는 '증발(Evaporation)'과 어떤 차이가 있을까? 물이 끓을 때는 물속에서도 거품이 일어나는 것을 볼 수 있다. 끓는점 이하에서 일어나는 '증발'은 액체의 표면에서 일어나지만, 물질이 끓을 때는 액체의 내부에서도 '증발'이 활발히 일어난다.
물질이 끓는 경우, '액체 표면에 가해지는 외압(외부의 대기압)'이 액체의 '포화 증기압'과 같아진다. 만약 '외압'이 '액체의 포화 증기압'보다 높으면, 액체 내부에서 분자가 증발해서 생긴 거품은 바로 꺼져 버린다. 하지만 외압이 같아지면 액체 속에 생긴 거품은 안정적으로 유지된다.
즉, 외압과 증기압이 같을 때의 온도가 물질의 '끓는점'이다. 외압이 낮아지면 같은 물질이라도 끓는점은 내려간다. 그래서 대기압이 높은 산에서 밥을 지으면 물이 100℃가 되지 않아도 끓어 밥이 설익는다. 한편, 압력 밥솥은 보통 2기압까지 올릴 수 있다. 물의 경우, 1기압이 때 100℃에서 끓지만 2기압일 때는 120℃ 정도에서 끓는다. 기압이 높아져서 끓는 온도가 높아지면, 솥의 온도가 그만큼 더 올라가기 때문에 음식이 더 빨리 맛있게 되는 것이다.
3. 온도와 압력이 물질의 상태를 변화시킨다.
'물질의 상태 변화'를 연구하기 시작한 것은 18세기 중엽부터이다. 당시에는 상온·상압에서 액체를 데워 기화시킨 것을 '증기(vapor)'라고 불렀다. 또 상온·상압에서 기체로 존재하는 '염소(Cl)' 등을 '가스(gas)'라고 불렀다.
1823년 영국의 화학자이자 물리학자인 '마이클 패러데이(Michael Faraday, 1791~1867)'는 높은 압력으로 압축시키면 '염소(Cl)'가 액체가 되는 것을 발견했다. 이 발견을 통해, 기체로 존재한다고 생각하던 가스도 압력에 의해 액체가 될 수 있음이 밝혀졌다.
3-1. '임계 온도'가 있음을 발견
이어 1861년에 영국의 과학자 '토머스 앤드루스(Thomas Andrews, 1813~1885)'가 '패러데이의 압력 실험'으로 액체화할 수 없었던 '수소'나 '헬륨' 등을 액화하는 길을 여는 '임계 온도(critical temperature)'가 있음을 발견했다. 기체는 일정 온도보다 높으면, 아무리 압력을 가해도 액체가 되지 않는다는 사실을 발견한 것이다. 이것을 역으로 말하면, 기체가 어떤 온도보다 낮으면 압력을 바꿈으로써 액화할 수 있음을 의미한다. 이 온도가 바로 '임계 온도'이다.
물질은 각각 고유한 임계 온도를 가지고 있다. 예를 들면 '암모니아(NH3)'는 132℃, '이산화탄소(CO2)'는 31℃, 산소는 -119℃가 임계 온도로 알려져 있으며, 이보다 높은 온도에서는 압력을 아무리 크게 해도 액화하지 않는다.
3-2. 상태 방정식을 발표하다.
1873년에는 네덜란드의 물리학자 '요하네스 디데릭 판데르 발스(Johannes Diderik van der Waals, 1837~1923)'가 분자 간 힘을 나타내는 '상태 방정식(equation of state)'을 발표했다. 이로 인해 기체가 압축되어 액체가 될 때까지의 압력·부피·온도의 관계를 수식으로 나타낼 수 있게 되었다. 이로써 물질의 상태를 밝히는 기초가 마련되었다.
다만 이런 수식도 어디까지나 근사적인 것이다. 다양한 물질에 대해, 실제로 어떤 조건에서 어떤 상태를 취하는지는 실험의 결과로 밝혀져 있다. 일정 온도와 일정 압력 아래에서 어떤 상태를 취하는지 나타낸 그림을 '상태도(Phase Diagram)'라고 한다.
