화학의 기초지식: 물질과 힘, 그리고 에너지

물질의 정의

우리 주변에 존재하고 있는 대부분은 물질로 이루어져 있습니다. 스마트폰, 가방, 집, 음식, 옷 등등 물질들입니다. 물질을 정확히 정의하려면, 입자 물리학의 개념을 이용하지 않고는 기술하기가 어렵습니다. 하지만 단순하게 설명하자면 질량을 가지고 공간을 차지하는 모든 것이라고 할 수 있습니다. 우리의 몸도 사실 물질의 형태입니다. 하지만 빛, 전자기 복사선 등은 물질이 아닙니다. 

화학에서 말하는 물질(matter)은 순물질(substance)과 의미의 차이를 분명히 해야 합니다. 순물질은 물질의 단일하고 정제된 형태를 말합니다. 예를 들어 금과 물은 명확한 순물질입니다. 공기는 여러 가지 기체의 혼합물이므로 순물질은 아닙니다. 육체 또한 여러 가지 다양한 순물질의 혼합물이므로 화학의 표현으로 순물질이라고 할 수 없습니다. 

순물질과 물질은 일반적으로 물질의 상태에 따라 일반적으로 고체, 액체, 기체로 존재합니다. 

고체는 물질의 단단한 상태입니다.

액체는 일정한 표면을 가지는 물질의 유체 상태로, 용기의 모양에 따라 형태를 달리합니다. 

기체는 용기를 가득 채우는 유체 상태입니다. 

 

물질의 성질

물질의 물리적 성질은 물질의 정체성을 바꾸지 않으면서 우리가 관찰하거나 측정할 수 있는 특징을 말합니다. 대표적인 물의 물리적 성질로는 고체가 액체로 변하는 온도인 녹는점, 경도, 색, 물질의 상태, 밀도 등이 있습니다. 물질의 화학적 성질은 순물질을 다른 순물질로 변화하는 능력을 말합니다. 예를 들어 순물질인 수소와 산소가 반응하여 또 다른 순물질인 물을 생성하는 것입니다. 

 

물질의 성질을 나타내는 방법

물리적 성질을 측정한 결과는 단위의 배수로 보고합니다. 예를 들어 질량이 10 kg인 물질을 1 kg의 10배라는 의미입니다. 과학자들은 국제적으로 약속된 단위인 국제 표준(SI: System International)단위를 사용하기 때문에, 측정값을 특정 단위에서 SI 단위로 변환하기도 합니다. SI 단위로 나타내는 물리량은 다음과 같습니다. 

길이의 단위: 미터, m

질량의 단위: 킬로그램, kg

시간의 단위: 초, s

길이, 질량, 시간보다 복잡한 성질인 부피, 밀도 등은 유도 단위를 사용할 수 있습니다. 

부피의 단위는 세 가지 길이의 곱이므로, ㎥로 표시합니다. 

밀도의 단위는 질량의 기본 단위를 부피의 유도 단위로 나눈 것을 사용하므로 kg/㎥ 등으로 표시합니다.  

물리량은 크기 성질과 세기 성질로 구분할 수 있습니다. 크기 성질은 질량에 의존하는데, 모래 1 kg에 비해 2 kg은 두배 더 큰 부피를 가지는 것과 같은 원리로 설명할 수 있습니다. 반면 세기 성질은 온도와 같이 질량과 상관없는 성질로, 시료의 색, 밀도, 녹는점, 끓는점 등이 있으며 이들은 물질에 따라 고유한 값을 가지고 있습니다.  

 

이러한 성질을 측정할 때, 측정의 정밀도와 정확도를 나타내는 것은 중요합니다. 정밀도는 실험적으로 반복한 측정값들이 서로 얼마나 유사한지를 보여주며, 정확도는 측정값 또는 평균값이 참값에 얼마나 가까운지를 보여줍니다.

아무리 정확한 측정값이라고 하더라도 두 종류의 오차를 수반하게 되는데, 우연 오차와 계통 오차입니다. 우연 오차는 무작위로 변화하는 오차로 여러 번 측정을 반복하면 우연 오차를 최소화할 수 있습니다. 계통 오차는 반복되는 측정 모두에 존재하는 오차로 실험에서 오염된 시약을 사용했다거나, 저울에 오류가 있어 측정값 전체에 영향을 준 경우입니다. 계통 오차는 단독으로 발견하기 쉽지 않고 다른 실험값으로 얻은 측정값과 비교하여 제거하는 방법으로 최소화해주는 것이 가능합니다. 예를 들어 검정곡선을 만들 때 서로 다른 표준시약을 준비하여 확인하거나, 분동을 이용하여 저울을 교정하여 사용하는 방법도 있습니다.  

 

물체의 운동 상태를 변화시키는 힘

힘이 물체의 운동 방향과 같은 방향으로 주어지면 속도의 크기는 변하지만 운동 방향은 변하지 않습니다. 만약 적당한 힘이 작용한다면 물체의 운동 방향도 변화시킬 수 있습니다. 즉, 힘은 물체의 속도의 크기나 방향, 또는 크기와 방향 모두를 변화시킬 수 있습니다. 물체의 속도의 크기는 속력이라고 부르며 운동 방향에 무관한 물체의 위치의 변화율이며, 속력이라고 부릅니다. 뉴턴의 운동의 제2 법칙에 따르면, 물체가 힘을 받으면 가속도가 붙게 됩니다. 물체의 가속도는 솓도의 변화율로 작용시킨 힘(물체가 받은 힘)에 비례합니다.  

 

에너지에 대해서는 이어서 설명하도록 하겠습니다.