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얼음 등대 - 물질의 상태 변화 목록

조회 : 8802 | 2011-01-11






미시간호수의 얼어버린 등대 (cc) by Tom Gill






얼음 등대를 보신 적이 있나요? 이 사진은 작년 겨울에 미시간호수의 등대를 찍은 사진입니다. 얼마나 추운지 밀려오던 파도가 등대 모양으로 그대로 얼어버렸습니다. 겨울엔 많은 것이 꽁꽁 얼어버립니다. 얼마 전에 미국 미주리 주의 캔자스시티에서는 수도관이 터져 근처에 있던 집이 물벼락을 맞았습니다. 그런데 기온이 너무 낮아서 물이 흘러내릴 새도 없이 얼어버렸다고 하는군요. 마당에 있는 나무들도, 자동차도 얼어붙었고, 집 전체가 이글루처럼 변했습니다. 북아메리카 대륙 오대호의 하나인 이리호에도 얼음 등대가 생겼다고 합니다. 이처럼 계절의 변화에 따라 우리 주변의 물질들이 달라지는 것을 자주 볼 수 있는데, 이런 것을 상태 변화라고 합니다. 물이 얼음이 되거나 수증기가 되고, 또 그 반대로 수증기나 얼음이 물이 되는 것 등이 모두 상태 변화입니다. 그렇다고 해서 다른 물질로 바뀌는 것은 아닙니다. 얼음, 물, 수증기를 이루고 있는 것은 여전히 H2O 분자들입니다. 그래서 물질의 상태가 변하는 것은 화학적 변화가 아니라 물리적 변화입니다. 이번 주에는 물질의 세 가지 상태에 대해 알아보고 우리 주변에서 일어나는 상태 변화의 예를 찾아보겠습니다.




*알아보기*
- 물질의 상태: 고체·액체·기체
- 물질의 상태 변화




*관련 단원*
- 우리 생활과 물질 (3학년 1학기)
- 날씨와 우리 생활 (3학년 1학기)
- 액체와 기체의 부피 (3학년 2학기)
- 모습을 바꾸는 물 (4학년 1학기)
- 기체의 성질 (6학년 1학기)




물질의 상태: 고체·액체·기체
물질은 고체, 액체 또는 기체, 이렇게 세 가지 상태로 존재합니다. 물질을 이루고 있는 원자나 분자의 배열, 입자 사이의 인력, 온도나 압력 같은 주변 조건 등에 따라서 상태가 달라집니다. 고체 상태일 때는 입자들이 지정된 자리에, 서로 가까이 배열하고 있습니다. 그래서 일정한 모양과 일정한 부피를 갖게 되지요. 고체 상태의 입자는 운동성이 별로 없어서, 고정된 자리에서 가볍게 진동하는 정도의 운동만 합니다. 하지만 그것은 원자나 분자 수준의 진동이기 때문에 우리 눈으로 보면 고체는 전혀 움직이지 않는 것처럼 보입니다. 고체는 크게 결정성 고체와 비결정성 고체로 나눌 수 있습니다. 결정성 고체란 일정한 패턴의 격자 구조를 갖는 것이고 비결정성은 그렇지 않은 것입니다. 액체 상태의 물질은 입자들이 고체일 때보다는 움직임이 활발해진 상태로 흐르는 성질을 갖고 있습니다. 하지만 여전히 입자 사이의 거리가 가까운 편이라서 더 압축하기는 어렵습니다. 그러므로 액체는 일정한 부피를 갖지만 모양은 담겨있는 그릇(용기)에 따라 달라집니다. 기체 상태의 입자들은 자유롭게 움직일 수 있습니다. 기체는 세 가지 상태 중 가장 큰 운동성을 갖습니다. 압력에 따라 달라지기는 하지만 같은 조건을 기준으로 보면 기체 상태일 때 입자 사이의 평균 거리가 가장 멉니다. 그래서 기체는 압축할 수도 있습니다. 기체는 부피도 모양도 일정하지 않습니다. 같은 개수의 기체 입자라 하더라도 어디에 들어 있느냐에 따라 부피와 모양이 달라집니다. 고체는 빼고, 액체와 기체를 합해 유체라고 합니다.








물질의 상태에 따른 입자의 배열과 운동성을 보여주는 모형




물질의 상태 변화
어떤 물질이든 늘 한 가지 상태로만 존재하지는 않습니다. 여러분 주위를 둘러보면 여러 가지 물질들이 세 가지 상태 중 하나로 존재하고 있다는 것을 알 수 있습니다. 물질의 상태는 각 물질의 특성과 물질이 놓여 있는 조건(온도와 압력)에 따라 달라지기 때문에, 온도나 압력이 변하면 상태가 바뀌게 됩니다. 우리 주변에서 일어나는 상태 변화의 예를 찾아보고 분류해보겠습니다.

1. 융해(고체 → 액체)와 응고(액체 → 고체)
고체가 액체로 바뀌는 것을 융해라고 합니다. 봄이 오면 얼었던 강이 녹고 따스한 햇살에 눈이 녹는 것, 중탕하면 초콜릿 덩어리가 녹는 것, 따뜻한 밥에 넣어두면 버터가 녹는 것 등이 모두 융해의 예입니다. 액체는 고체일 때보다 에너지가 많은 상태라서 고체가 액체로 바뀌려면 에너지가 필요합니다. 음료수를 시원하게 마시기 위해 얼음을 넣어두면 얼음이 점차 사라지는 것을 볼 수 있지요? 얼음이 녹으면서 주위의 열을 빼앗아가기 때문에 음료수가 시원하게 유지되는 것입니다. 순수한 물질은 대부분 일정한 온도에서 녹는데 이때의 온도를 녹는점이라고 부릅니다. 응고는 액체가 고체로 바뀌는 것이므로, 융해와 반대인 경우를 생각하면 됩니다. 물을 냉동실에 넣어두면 고체인 얼음이 생기는데, 그건 냉동실의 온도가 영하로 유지되고 있기 때문입니다. 온도가 낮아지면 입자들이 점차 에너지를 잃어 운동성이 줄어들게 되고, 결국 고체 상태로 변하게 되는 것입니다. 액체가 고체로 변하기 시작하는 온도를 어는점이라고 합니다. 녹는점과 어는점은 보는 관점에 따라 이름이 다르게 붙어 있지만 같은 온도입니다.








겨울에 얼어붙은 강에서 얼음낚시를 즐기는 사람; 얼음은 액체인 물이 응고하여 고체로 변한 것이다. (cc) by nmurphy3chs





2. 기화(액체 → 기체)와 액화(기체 → 액체)
빨래를 해서 널어두면 축축했던 빨래가 어느 틈엔가 보송보송하게 말라 있습니다. 액체 상태의 물 알갱이들이 수증기가 되어 공기 중으로 날아갔기 때문입니다. 이렇게 액체가 기체로 바뀌는 것을 기화라고 합니다. 기화에는 증발과 끓음(비등), 두 가지가 있습니다. 액체 표면에서만 기화가 일어나는 것을 증발이라고 합니다. 표면에 있는 액체 입자들은 안에 있는 입자들에 비해서 인력을 적게 받기 때문에 비교적 낮은 온도에서도 탈출에 성공하여 기화할 수 있습니다. 빨래가 마르는 현상이나, 비가 온 후 땅 위에 고여 있던 물이 마르는 것 등이 증발의 예입니다. 그에 비해서 끓는 것은 표면 뿐 아니라 액체 전체가 기화하는 것을 말합니다. 액체의 온도가 높아지면 기체 입자들이 점점 많아지게 되는데 기체 입자들이 갖는 압력을 증기압이라고 합니다. 증기압과 대기압이 같아지는 온도를 끓는점이라고 합니다. 높은 산에서 밥을 하면 쌀이 설익는 이유는 대기압이 낮아서 물의 끓는점이 내려가기 때문입니다. 그와 반대로 압력밥솥을 쓰면 섭씨 100도보다 높은 온도에서 물이 끓기 때문에 더 찰진 밥이 됩니다. 기화의 반대는 액화입니다. 기체 입자들이 에너지를 잃고 운동성이 적은 액체로 변하는 것이지요. 추운 곳에서 따뜻한 곳에 들어갈 때 안경에 하얗게 김이 서리는 현상이나 공기 중의 수증기가 구름으로 변하는 것 등이 액화의 예입니다.








구름은 수증기가 액화하여 생긴다. (cc) by cindy47452





3. 승화((고체 → 기체) 또는 (기체 → 고체))
상태 변화가 늘 고체-액체-기체의 순서대로 일어나는 것은 아닙니다. 고체에서 기체가 되거나 기체에서 바로 고체로 되기도 하는데, 이런 현상을 승화라고 합니다. 여러분 중에도 아이스크림을 좋아하는 어린이들이 많지요? 아이스크림 가게에서 집까지 거리가 먼 경우에 드라이아이스를 함께 넣어 포장해주는 것을 본 적이 있을 것입니다. 드라이아이스는 고체 상태의 이산화탄소입니다. 이산화탄소는 상온에서 액체 상태로 존재하지 않기 때문에 드라이아이스는 액체 상태를 거치지 않고 기체로 변합니다. 고체 상태에서 기체 상태로 변하려면 주변의 열을 빼앗아 써야 하기 때문에 드라이아이스는 주변의 온도를 낮게 유지시켜줍니다. 그래서 아이스크림 뿐 아니라 낮은 온도에서 보관해야 하는 다른 식품을 배달할 때도 드라이아이스를 많이 씁니다. 그밖에 나프탈렌이나 아이오딘(요오드) 같은 물질도 승화성 물질입니다.








고체 아이오딘이 승화하면 보라색 기체가 된다. (cc) by Tomihahndorf / Matias Molnar




*한걸음 더!*
☆ 주변에서 볼 수 있는 상태 변화의 예를 더 찾아보고, 분류해보세요.
☆ 방송을 보면 무대에서 드라이아이스를 이용해 안개 효과를 내곤 합니다. 그 원리가 무엇인지 생각해보세요.
☆ 융해와 용해는 어떻게 다른지 알아보세요.
☆ 물질의 세 가지 상태(고체·액체·기체) 이외에 제4의 상태라고 불리는 것이 있습니다. 그것이 무엇인지 알아보세요.
☆ 상태 변화는 물리적 변화라고 했습니다. 물리적 변화와 화학적 변화가 어떻게 다른지 자세히 알아보고, 그 예를 각각 생각해보세요.




주제!
물질 ,변화 ,얼음
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