[화학을 시작하기 전에] 물질의 상태와 에너지









물질은 세 가지 상태로 분류할 수 있다.

고체 상태에서 물질은 경직되어 있고 일정한 모양을 가지며 온도나 압력으로 인한 변화는 크게 일어나지 않는다. 결정상태의 고체의 경우에는 고체를 구성하는 각 입자가 결정격자 내에서 일정한 자리를 차지하고 있으며 결정의 세기는 이 입자들 사이의 인력으로 결정된다. 

액체 상태에서 각 입자들은 주어진 부피에 한정되어 있지만 흐를 수 있고 모양도 변할 수 있다. 액체를 구성하는 입자들의 상호인력은 그 액체의 점성, 끓는점, 증기압 등을 결정한다. 

기체는 압력이나 온도에 의해 그 부피가 변하며 분자들 사이의 거리가 멀리 떨어져 있다. 기체가 차지하는 부피는 분자 자체의 부피가 아니라 기체들이 미치는 압력으로 인한 것이다.


물질의 세 가지 상태에 대한 묘사


에너지는 일을 하거나 또는 열을 전달할 수 있는 능력이다. 에너지에는 역학적 에너지, 빛에너지, 전기에너지, 열에너지, 화학에너지 등 여러 가지가 있지만 사실은 운동에너지와 위치에너지의 두 가지로 분류할 수 있다.

운동에너지는 운동하고 있는 물체가 가지고 있는 에너지로서 질량에 비례하고 속도의 제곱에 비례한다. 위치에너지는 두 물체의 상대적인 거리에 의해 결정되는데 두 물체 사이에 인력이 작용하면 가까울수록 위치에너지가 작고 척력이 작용하면 멀수록 위치에너지가 작아진다. 화학반응이 일어날 때 에너지의 출입이 있는 것을 우리는 잘 알고 있다. 이는 화학결합에 있던 위치에너지가 다른 형태의 에너지로 전환된 것이다.


절대온도와 섭씨온도 척도의 비교


온도는 물체가 뜨겁거나 차거나 하는 열의 세기를 측정한다. 우리가 일상적으로 사용하는 섭씨온도 척도는 스웨덴의 천문학자인 엔더스 셀시우스 (Anders Celsius, 1701-1744)가 물의 어는점과 끓는점을 기준으로 하여 고안하였다. 

섭씨온도 척도는 우리 생활과 가장 밀접한 관계를 가지고 있는 물의 특성을 기준으로 했기 때문에 일상생활에서는 매우 편리하다. 그러나 화학에서는 분자 운동을 기준으로 고안된 절대온도 또는 캘빈 (Kelvin) 온도 척도를 사용하는 것이 편리할 때가 많다. 

섭씨온도와 캘빈 온도는 모두 물의 끓는점과 어는점 사이를 100℃로 나누었기 때문에 1℃의 간격은 동일하지만 캘빈온도 척도에서 0℃는 섭씨온도의 -273.15℃가 된다. 따라서 섭씨온도를 캘빈온도로 바꿀 때는 섭씨온도에 273.15만 더해주면 된다. 

그렇다면 온도는 무엇을 나타내는 것일까? 더운 여름의 공기와 추운 겨울의 공기는 무엇이 다른가? 그것은 바로 분자의 운동에너지이다. 


온도와 운동에너지


온도는 곧 운동에너지를 측정하는 것이다. 같은 분자라면 온도가 높을수록 빠른 속도로 운동하고 있다. 예를 들어 실온에서 산소 분자는 평균 약 400m/sec의 속도로 운동하고 있지만 1000℃가 되면 평균속도가 약 두 배 빨라진다. 캘빈 척도에서는 바로 이 분자의 운동 속도가 0이 되는 온도를 0K로 정한 것이다.







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