[화학] 물질의 상태란 무엇인가?

물질(Matter)은 ‘공간을 차지하는 질량을 가진 어떤 것’으로 정의하며, 우리 주변에서 언제나 찾을 수 있다. 고체와 액체는 기체보다 더 명확한 물질이다. 우리는 그것이 어떤 공간을 차지하는 것을 쉽게 알 수 있고, 그것의 무게는 그것이 질량을 가진다는 것을 의미한다. 당연히 기체도 물질이다. 기체가 공간을 차지하지 않으면 풍선이 기체로 채워질 때 팽창하지 않을 것이다. 고체, 액체, 기체는 지구에서 흔히 발견되는 물질의 세 가지 상태이다(그림). 고체는 단단하고 명확한 모양을 가지고 있다. 액체는 흐르는 물질이며, 중력이 작용할 때 평평하거나 약간 휘어진 표면을 가진다는 점을 제외하면, 용기의 모양과 같다. (무중력 상태에서 액체는 구형이다) 액체 시료와 고체 시료 모두 압력과 거의 무관하게 부피를 가지고 있다. 기체는 용기의 모양과 같은 부피를 가진다. 

 

물질의 가장 일반적인 세 가지 상태는 고체, 액체 및 기체

 

물질의 네 번째 상태인 플라스마(plasma)는 별의 내부에서 자연적으로 생긴다. 플라스마는 엄청 많은 전하를 띤 입자를 포함하는 기체 상태의 물질이다. 이러한 하전 입자의 존재는 플라스마가 기체와 구별되는 물질 상태로 분류하는 것이 맞는다는 고유 특성을 부여한다. 별 외에도 플라스마는 낙뢰 및 미량의 금속을 감지할 때 사용하는 특수 분석 장비처럼 다른 고온 환경(자연 및 인공 모두)에서 발견된다.

 

플라스마(plasma): 고도로 이온화된 기체 상태로 전기적 중성을 띤 입자 집단. 태양의 코로나, 방전(放電) 중인 방전관에서 볼 수 있음.

 

일부 물질의 시료는 고체, 액체 및/또는 기체의 특성을 동시에 가질 수 있다. 이것은 시료가 수많은 작은 조각으로 구성되었을 때 발생한다. 예를 들어, 모래는 많은 작은 단단한 모래 알갱이로 구성되어서 마치 액체처럼 모래를 어떤 용기에 부을 수 있다. 또, 물질은 구름과 같이 혼합물일 때 둘 이상의 상태를 가질 수 있다. 구름은 기체처럼 보이지만 실제로는 공기(기체)와 작은 물 입자(액체 또는 고체)의 혼합물이다.

 

물체의 질량(mass)은 그 안에 있는 물질의 양을 측정한 것이다. 질량은 물체를 가속하는 데 필요한 힘을 나타낸다. 자동차는 질량이 훨씬 더 크기 때문에 자전거보다 자동차를 가속하는 데 더 많은 힘이 필요하다. 물체의 질량을 결정하는 가장 일반적인 방법은 저울을 사용하여 표준 질량과 비교하는 것이다.

 

물체의 중량(weight, 무게)은 질량과 관련이 있지만 같은 것은 아니다. 무게는 중력이 물체에 작용하는 힘을 나타낸다. 이 힘은 물체의 질량에 정비례한다. 물체의 무게는 중력에 따라 변하지만 질량은 변하지 않는다. 우주비행사의 질량은 달에 가도 변하지 않는다. 하지만 달의 중력이 지구 중력의 6분의 1이므로 달에서 측정한 무게는 지구에서 측정한 무게의 6분의 1이다. 우주비행사는 비행 중에 무시할 수 있는 외력(중력 또는 기타)을 경험할 때 ‘무중력’을 느낄 수 있지만, 그것이 결코 ‘질량이 없는’ 상태는 아니다.

 

물질 보존 법칙(law of conservation of matter)은 물질에 대한 많은 과학적 관찰을 요약한다. 이 법칙은 물질이 어떤 종류에서 다른 종류로 바뀌거나(화학적 변화) 고체, 액체 또는 기체 상태 사이에 바뀌어도(물리적 변화) 존재하는 물질의 총량은 감지할 수 있는 변화가 없다는 것이다. 

 

예를 들면, 맥주를 만들거나 배터리가 작동할 때 물질이 보존된다(그림). 맥주를 만드는 동안 물, 효모, 곡물, 맥아, 홉 및 설탕 같은 성분은 실제 물질이 손실 없이 물, 알코올, 탄산 및 향신료로 구성된 맥주로 바뀐다. 이것은 포도당이 에탄올과 이산화탄소로 바뀌어도 물질의 전체 질량은 바뀌지 않는다. 이것은 자동차 배터리도 마찬가지다. 전기를 생산할 수 있는 원래 물질인 납, 산화납 및 황산은 실제 질량이 바뀌지 않고, 전기를 생산하지 않는 황산납 및 물과 같은 다른 물질로 바뀐다.

 

(a) 맥주의 생산 (b) 배터리의 전기 생산

 

이 보존 법칙은 물질의 모든 변화에 적용되지만, 실험실의 통제된 조건 외에는 특정 변화 중에 생성된 모든 물질을 거의 수집하지 않기 때문에 설득력 있는 예는 거의 없다. 예를 들어, 음식을 먹고, 소화하면 원래 음식의 모든 물질이 보존된다. 하지만 그 물질의 일부는 몸에 포함되어 버렸고, 많은 양이 여러 종류의 노폐물로 배설되기 때문에, 측정으로 확인하기가 어렵다.

 

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