일상에서 우리는 사물의 무게, 부피, 크기, 모양 같은 정보로 사물을 구별한다. 하지만 이 값들은 양에 따라 변한다 — 같은 물이라도 양에 따라 무게가 다르다. 그렇다면 '그 물질이 무엇인지'를 알려주는 값은 무엇일까?
과학자들은 양에 상관없이 일정한 값을 찾아냈다. 이런 값들을 물질의 특성이라 하며, 다음 네 가지가 대표적이다.
SECTION 01 · 도입
양이 달라도 같은 값
두 개의 컵에 물이 담겨 있다. 하나는 100 mL, 다른 하나는 500 mL. 무게도 다르고 부피도 다르다. 그런데 둘 다 끓이면 정확히 같은 온도(100°C)에서 끓는다. 양에 관계없이 같은 값을 가지는 이런 성질을 우리는 특성이라 부른다.
SECTION 02 · 네 가지 특성
밀도·용해도·녹는점·끓는점 — 물질의 지문
이 네 가지는 어떤 양으로도 변하지 않는다. 그래서 물질을 식별하는 지문처럼 쓸 수 있다.
⚖️
DENSITY · 밀도
밀도
물질의 단위 부피당 질량. 같은 부피일 때 어느 것이 더 무거운지 알려준다.
밀도 = 질량 ÷ 부피 (g/cm³)
🥄
SOLUBILITY · 용해도
용해도
일정한 온도에서 100 g의 물에 최대로 녹을 수 있는 양. 물질·온도에 따라 다르다.
단위: g / 물 100 g
🧊
MELTING POINT · 녹는점
녹는점
고체가 액체로 변하는 온도. 같은 물질은 어디서나 같은 녹는점을 가진다.
물: 0°C, 철: 1538°C
♨️
BOILING POINT · 끓는점
끓는점
액체가 기체로 변하는 온도. 양과 관계없이 일정.
물: 100°C, 에탄올: 78°C
이 네 가지가 모든 물질의 특성을 다 보여주는 것은 아니지만, 가장 쉽고 유용한 식별 도구이다. 모르는 액체를 받았을 때, 끓는점을 측정해 78°C가 나오면 에탄올, 100°C가 나오면 물이라고 강하게 추측할 수 있다.
SECTION 03 · 밀도
밀도 — 같은 부피에 누가 더 무거운가
"쇠덩어리는 무겁지만 솜은 가볍다"고 흔히 말한다. 하지만 같은 양이라면 어떨까? 같은 1 m³의 솜과 쇠는 어느 것이 무거울까? 답은 분명히 쇠이다. 이렇게 같은 부피일 때의 무게 비교가 밀도이다.
밀도(density)는 물질의 단위 부피당 질량으로 정의된다. 단위는 g/cm³ 또는 kg/m³를 쓴다. 물의 밀도는 약 1.0 g/cm³로, 다른 물질의 밀도를 비교하는 기준이 된다.
· 물보다 밀도가 큰 물질(예: 철 7.87) → 물에 가라앉는다
· 물보다 밀도가 작은 물질(예: 기름 0.92) → 물에 뜬다
밀도 계산기 — 질량과 부피를 바꿔보자
실제 물질 프리셋
50 g
50 cm³
밀도 = 질량 ÷ 부피
1.00g/cm³
물의 밀도(1.0)와 같아서 물에 잠겨 떠 있다.
DENSITY · 일상의 밀도
금괴 — 작아도 무겁다
금의 밀도는 19.3 g/cm³로 물의 19배. 작은 1 kg 금괴(부피 약 52 cm³)가 어른 손바닥에 올려도 묵직하게 가라앉는 이유.
같은 부피라면 알루미늄(2.70)의 7배, 철(7.87)의 2.5배 무겁다. 그래서 위조 금괴는 무게로 곧장 들통난다.
© Wikimedia Commons · Public Domain
SECTION 04 · 용해도
물 100 g에 얼마까지 녹는가
물에 소금을 한 숟갈씩 넣으면 처음엔 다 녹지만, 일정 양 이상은 더 녹지 않고 쌓인다. 일정한 온도에서 물 100 g에 최대로 녹을 수 있는 양이 용해도이다. 단위는 g / 물 100 g.
용해도는 물질의 종류와 온도에 따라 달라진다. 예를 들어 질산 칼륨(KNO₃)은 온도가 올라갈수록 매우 잘 녹지만, 소금(NaCl)은 온도가 올라도 거의 변하지 않는다. 두 물질의 용해도 곡선이 완전히 다른 것이다.
아래 시뮬레이터에서 온도를 바꿔 보자. 물 100 g에 두 물질이 각각 몇 g 녹는지 곡선이 직접 보여 준다.
용해도 곡선 시뮬레이터 — 온도를 바꾸면 곡선의 위치가 움직인다
40 °C
KNO₃ 용해도
64 g
온도에 따라 크게 변한다. 100°C에서 약 245 g 까지 녹는다.
NaCl 용해도
36.5 g
온도가 올라도 거의 변하지 않는다. 36~39 g 사이.
SECTION 04 · 녹는점과 끓는점
물질을 식별하는 두 개의 온도
고체가 액체로 변하는 정확한 온도(녹는점)와 액체가 기체로 변하는 정확한 온도(끓는점). 이 두 값은 물질의 정체를 거의 확실하게 알려준다.
| 물질 | 녹는점 (°C) | 끓는점 (°C) | 밀도 (g/cm³) |
|---|---|---|---|
| 에탄올 | −114 | 78 | 0.79 |
| 물 | 0 | 100 | 1.00 |
| 수은 | −39 | 357 | 13.6 |
| 소금 | 801 | 1465 | 2.17 |
| 알루미늄 | 660 | 2519 | 2.70 |
| 철 | 1538 | 2862 | 7.87 |
| 구리 | 1085 | 2562 | 8.96 |
| 금 | 1064 | 2700 | 19.3 |
위 표는 일부 물질의 특성값들이다. 같은 물질이라면 어디서, 누가, 얼마나 측정해도 이 값들이 같다. 만약 모르는 액체의 끓는점을 측정해 78°C가 나왔다면 — 에탄올일 가능성이 매우 크다.
흥미로운 점은 수은이 상온에서 액체라는 사실이다. 녹는점이 −39°C, 끓는점이 357°C이므로 상온(20~25°C)에서는 액체 상태이다. 그래서 옛날 온도계와 혈압계에 수은이 쓰였다.
MERCURY · 상온의 액체 금속
수은 — 녹는점 −39°C의 비밀
수은은 유일하게 상온에서 액체인 금속이다. 녹는점이 −39°C로 매우 낮고, 끓는점은 357°C로 충분히 높아 일상 온도 범위 전체에서 액체로 존재한다.
온도가 올라가면 균일하게 부피가 늘어나는 성질을 이용해 유리관 안에 가두어 온도계로 만들었다. 다만 수은 증기는 독성이 강해 오늘날에는 알코올·전자식 온도계로 대체되고 있다.
© Wikimedia Commons · CC BY-SA
SECTION 05 · 형성평가
스스로 점검하기
학습한 내용을 확인해 보자. 답을 누르면 즉시 해설을 볼 수 있다.
3문항 점검 퀴즈
맞힌 개수 0/ 3
Q1
다음 중 물질의 특성이 아닌 것은?
해설 · 물질의 특성은 양에 관계없이 일정한 값을 가지는 성질이다. 무게는 양이 많아지면 함께 커지므로 특성이 아니다. 밀도, 끓는점, 녹는점, 용해도는 양과 무관하게 일정하므로 모두 물질의 특성이다.
Q2
질량 80 g, 부피 40 cm³인 어떤 물체의 밀도는?
해설 · 밀도 = 질량 ÷ 부피 = 80 g ÷ 40 cm³ = 2 g/cm³. 이는 물(1.0)의 2배이므로 물에 가라앉는 물질이다.
Q3
모르는 액체의 끓는점을 측정했더니 78°C가 나왔다. 이 액체는 무엇일 가능성이 가장 큰가?
해설 · 끓는점은 물질의 특성이라 양과 관계없이 일정하다. 측정한 끓는점이 78°C라면 이는 에탄올의 끓는점과 일치한다. 이렇게 특성값으로 모르는 물질을 식별할 수 있다.
핵심 정리
CHARACTERISTIC
물질의 특성
양에 관계없이 일정한 값. 물질을 식별하는 지문.
DENSITY
밀도
질량 ÷ 부피 (g/cm³). 물 = 1.0 기준.
MELTING/BOILING
녹는점·끓는점
상태 변화가 일어나는 일정한 온도.
SOLUBILITY
용해도
100 g 물에 녹을 수 있는 최대량. 온도에 따라 다름.