[화학] 측정과 단위란 무엇인가?

측정(measurement)은 화학의 거시적 영역과 미시적 영역 모두에서 물질과 에너지의 거동을 설명하는 가설, 이론 및 법칙을 알려주는 많은 정보를 제공한다. 모든 측정은 세 가지 종류의 정보를 제공한다. 측정의 크기 또는 척도(숫자), 측정에 대한 비교 표준(단위), 측정의 불확실성을 나타낸다. 수량을 기록할 때 숫자와 단위가 명시적으로 표시되지만, 불확도는 측정 결과의 한 측면으로 더 암시적으로 표현되며 나중에 설명한다.

 

측정값의 숫자는 십진법 형식 및 과학적 표기법을 포함하여 다양한 방식으로 나타낼 수 있다. 예를 들어, 보잉 777-200ER 여객기의 최대 이륙 중량은 298,000kg이며, 2.98×10⁵kg으로도 쓸 수 있다. 평균 모기의 질량은 약 0.0000025kg, 2.5×10^-6kg으로 쓸 수 있다.

 

리터, 파운드 및 센티미터와 같은 단위(unit)는 측정 비교 표준이다. 2리터 청량음료병에는 허용되는 1리터 용량의 두 배인 음료가 들어 있다. 0.25 파운드 햄버거를 준비하는 데 사용되는 고기의 무게는 허용 무게인 1파운드의 4분의 1이다. 단위가 없으면 숫자는 무의미하거나 혼란스러울 수 있으며 생명을 위협할 수 있다. 의사가 환자의 발작을 조절하기 위해 페노바르비탈을 처방하고 단위를 지정하지 않고 ‘100’의 복용량을 명시한다고 가정해 보자. 이것은 복용량을 투여하는 의료 전문가에게 혼란을 줄 뿐만 아니라 그 결과는 끔찍할 수 있다. 하루에 세 번 100mg을 투여하면 항경련제로 효과적일 수 있지만, 100g을 1회 투여하면 치사량의 10배 이상이다.

 

7가지 기본 특성(‘기본 단위’)에 대한 측정 단위는 다음 표에 나열되어 있다. 이러한 단위에 대한 표준은 국제 협약으로 정해졌으며, 국제단위 체계 또는 SI 단위계(프랑스어, Le Système International d'Unités)라고 한다. SI 단위계는 1964년부터 미국 NIST(National Institute of Standards and Technology)에서 사용해 왔다. 다른 특성의 단위는 이러한 7개의 기본 단위에서 파생될 수 있다.
 

SI 단위계의 기본 단위

측정 특성	단위 이름	단위 기호
길이	미터	m
질량	킬로그램	kg
시간	초	s
온도	캘빈	K
전류	암페어	A
분자량	몰	mol
광도	칸델라	cd

 

일상적인 측정 단위는 종종 다른 단위의 분수 또는 배수로 정의한다. 우유는 일반적으로 1갤런(4쿼트), 1쿼트(0.25갤런) 및 1파인트(0.5쿼트)의 용기에 포장된다. 이와 같은 접근 방식이 SI 단위에도 사용하지만, 이러한 분수 또는 배수는 항상 10의 거듭제곱이다. 분수 또는 다중 SI 단위는 접두어와 기본 단위의 이름을 사용하여 명명한다. 예를 들어, 접두사 kilo가 ‘천’을 의미하기 때문에 1,000미터의 길이는 1킬로미터라고도 하며, 과학적 표기법에서는 10³(1km = 1,000m = 10³m)이다. 사용된 접두사와 10이 발생하는 권한은 다음 표와 같다.

접두어	기호	계수	예시
펨토	f	10-15	1 fs = 1 × 10-15 s
피코	p	10-12	1 pm = 1 × 10-12 m
나노	n	10-9	4 ng = 4 × 10-9 g
마이크로	μ	10-6	1 μ L = 1 × 10-6 L
밀리	m	10-3	2 mmol = 2 × 10-3 mol
센티	c	10-2	7 cm = 7 × 10-2 m
데시	d	10-1	1 dL = 1 × 10-1 L
킬로	k	103	1 km = 1 × 103 m
메가	M	106	3 MHz = 3 × 106 Hz
기가	G	109	8 Gyr = 8 × 109 yr
테라	T	1012	5 TW = 5 × 1012 W

 

SI 기본 단위

결국 SI 시스템으로 발전한 미터법의 초기 단위는 프랑스 혁명 기간 프랑스에서 설립되었다. 미터와 킬로그램에 대한 원래 표준은 1799년에 채택되었으며 결국 다른 국가에서 채택되었다. 이 장에서는 화학에서 일반적으로 사용되는 4가지 SI 기본 단위를 소개한다. 다른 SI 단위는 다음에 소개할 것이다.

 

길이

SI 미터법과 원래 미터법의 표준 길이 단위는 미터(m)이다. 미터는 원래 북극에서 적도까지의 거리가 1/10,000,000으로 지정되었다. 이제 진공 상태의 빛이 1/299,792,458초로 이동하는 거리로 정의한다. 미터는 야드보다 약 3인치 더 길다. 1미터는 약 39.37인치 또는 1.094야드이다. 더 긴 거리는 종종 킬로미터(1km = 1,000m = 10³m)로 보고되는 반면 더 짧은 거리는 센티미터(1cm = 0.01m = 10^-2m) 또는 밀리미터(1mm = 0.001m = 10^-3m)로 기록할 수 있다.

 

질량

SI 시스템의 표준 질량 단위는 킬로그램(kg)이다. 킬로그램은 이전에 IUPAC(International Union of Pure and Applied Chemistry)에서 특정 기준 물체의 질량으로 정의되었다. 이 물체는 원래 1리터의 순수한 물이었고, 최근에는 높이와 지름이 39mm인 백금이리듐 합금으로 만든 금속 실린더였다. 2019년 5월, 이 정의는 몇 가지 기본 물리 상수의 정밀하게 측정된 값을 기반으로 하는 정의로 변경되었다. 1kg은 약 2.2파운드이다. 그램(g)은 킬로그램 질량의 1/1000(10^-3kg)과 정확히 같다.

 

온도

온도는 집약적인 특성입니다. 온도의 SI 단위는 켈빈(K)이다. IUPAC 규칙은 단어에 kelvin(모두 소문자)을 사용하고 단위 기호에 K(대문자)를 사용하고 ‘도(degree)’라는 단어와 도 기호(°)를 사용하지 않는다. 섭씨온도(°C) 또한 SI 시스템에서 ‘도’라는 단어와 섭씨 측정에 사용되는 도 기호와 함께 사용한다. 섭씨는 켈빈과 같은 크기이지만 두 눈금은 서로 다른 위치에 0을 배치한다. 물은 정의에 따라 273.15K(0°C)에서 얼고, 373.15K(100°C)에서 끓으며, 정상적인 인체 온도는 약 310K(37°C)이다.

 

시간

시간의 SI 기본 단위는 초(second (s))이다. 크고 작은 시간 간격은 적절한 접두사로 표현할 수 있다. 예를 들어, 3마이크로 초 = 0.000003초 = 3×10^-6 및 5메가 초 = 5,000,000s = 5×10⁶ s이다. 또는 시간, 일 및 연도를 사용할 수 있다.

 

유도한 단위

7개의 SI 기본 단위에서 많은 단위를 도출할 수 있다. 예를 들어, 길이의 기본 단위를 사용하여 부피 단위를 정의하고 질량과 길이의 기본 단위를 사용하여 밀도 단위를 정의할 수 있다.

 

부피

부피는 물체가 차지하는 공간의 양을 측정한 것이다. 부피의 표준 SI 단위는 길이의 기본 단위로 정의한다. 표준 부피는 세제곱미터(m³), 가장자리 길이가 정확히 1미터인 정육면체이다. 세제곱미터의 물을 분배하기 위해 가장자리 길이가 정확히 1미터인 세제곱 상자를 만들 수 있다. 이 상자에는 세제곱미터의 물이나 기타 물질이 들어 있다.

 

더 일반적으로 사용되는 부피 단위는 데시미터(0.1m 또는 10cm)에서 파생된다. 가장자리 길이가 정확히 1데시미터인 정육면체에는 1세제곱 데시미터(dm³)의 부피가 포함된다. 리터(L)는 세제곱 데시미터의 더 일반적인 이름이다. 1리터는 약 1.06쿼트이다.

 

세제곱센티미터(cm³)는 모서리 길이가 정확히 1센티미터인 정육면체의 부피이다. 약어 cc(세제곱센티미터)는 의료 전문가가 자주 사용한다. 세제곱센티미터는 밀리리터(mL)에 해당하며 리터의 1/1,000이다.

 

밀도

우리는 물질의 밀도를 결정하기 위해 물질의 질량과 부피를 사용한다. 따라서 밀도의 단위는 질량과 길이의 기본 단위로 정의한다.

 

성분의 밀도는 물질 표본의 질량과 부피의 비율이다. 밀도의 SI 단위는 세제곱미터당 킬로그램(kg/m³)이다. 그러나 많은 상황에서 이것은 불편한 단위이며, 고체와 액체의 밀도에는 세제곱센티미터당 그램(g/cm³)을 사용하고, 기체는 리터당 그램(g/L)을 사용하는 경우가 많다. 예외가 있지만 대부분의 액체와 고체의 밀도는 약 0.7g/cm³(휘발유 밀도)에서 19g/cm³(금 밀도) 범위이다. 공기의 밀도는 약 1.2g/L이다. 다음 표는 몇 가지 일반적인 물질의 밀도를 보여준다.

 

일반 물질의 밀도

고체	액체	기체 (25 ℃, 1 atm)
얼음 (0℃) 0.92 g/cm3	물 1.0 g/cm3	건조한 공기 1.20 g/L
오크 (나무) 0.60~0.90 g/cm3	에탄올 0.79 g/cm3	산소 1.32 g/L
철 7.9 g/cm3	아세톤 0.79 g/cm3	질소 1.14 g/L
구리 9.0 g/cm3	글리세린 1.26 g/cm3	이산화탄소 1.80 g/L
납 11.3 g/cm3	올리브 오일 0.92 g/cm3	헬륨 0.16 g/L
은 10.5 g/cm3	가솔린 0.70~0.77 g/cm3	네온 0.83 g/L
금 19.3 g/cm3	수은 13.6 g/cm3	라돈 9.1 g/L

 
물체의 밀도를 결정하는 방법에는 여러 가지가 있지만 아마도 가장 간단한 방법은 물체의 질량과 부피를 별도로 찾은 다음 표본의 질량을 부피로 나누는 것이다. 다음 예에서 질량은 계량을 통해 직접 찾을 수 있지만 부피는 길이 측정을 통해 간접적으로 찾을 수 있다.
$$ density = {mass \over volume} $$

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