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물질의 성질

우리가 다루는 물체의 양인 길이·크기·무게 등을 측정해서는 각각의 물체를 구별하기 어려울 때가 있다. 물체를 구성하고 있는 물질에는 제각기 특유한 성질이 있다. 예를 들면, 힘이나 열·전기·빛 등에 대한 성질(물리적 성질)과 다른 물질과 작용하면 변화하는 성질(화학적 성질)이 있다. 여기서는 주로 물리적 성질에 대해 알아보기로 한다.

기계적 성질

연성과 전성

軟性－展性 고체인 물질은 단단한 것, 무른 것 등 성질이 여러 가지이다. 철이나 구리, 그 합금인 강철이나 황동 등은 잡아 늘이면 철사처럼 되고, 두드려서 펴면 판자 모양이 된다. 금이나 은은 얇은 박으로 만들 수도 있다. 이와 같이, 잡아 늘일 수 있는 성질을 연성, 얇은 판자나 박으로 되는 성질을 전성이라고 한다. 연성이나 전성은 금속의 특성이며, 금속으로 여러 가지 물건을 만드는 데 이용되고 있다. 금은 연성·전성이 모두 최대인데 지름 0.002㎝의 철사를 만들 수도 있고, 두께 0.00001㎝의 박을 만들 수도 있다.

용해성

화학 변화에 의한 용해

化學變化－溶解 마그네슘은 찬물에는 녹지 않으나 묽은 염산에는 거품을 내면서 녹아버린다. 이러한 예는 보통의 용해와는 달리 처음에 녹인 물질을 원래의 형태대로 회복할 수 없는, 이른바 화학 변화를 일으켜서 녹는 것이다. 이것도 물질을 구별하는 데 이용된다. 예를 들면, 탄산칼슘의 가루는 물에는 잘 녹지 않지만 묽은 염산에는 이산화탄소를 발생하면서 녹으므로 석고와 같은 물질과 구별할 수가 있다.

기체의 용해

氣體－溶解 기체를 구별하는 데도 용해성을 이용할 수 있다, 수소·산소·질소 등은 물에 비교적 잘 녹지 않는다. 이산화탄소나 아세틸렌은 20℃에서는 물과 같은 부피만큼 녹는다. 이산화황은 물의 부피의 약 80배, 염화수소는 약 450배, 암모니아는 약 700배 녹는다. 또, 이산화탄소,이산화황,염화수소 등은 물에 녹아서 산이 되므로 알칼리성의 수용액에 잘 녹는다. 암모니아처럼 물에 녹아 알칼리성이 되는 기체는 산성 수용액에 잘 녹는다. 이산화탄소와 일산화탄소는 일산화탄소가 물이나 알칼리성 수용액에 잘 녹지 않으므로 구별이 된다. 이산화질소와 일산화질소는 빛깔로도 구별할 수 있지만, 일산화질소가 대체로 물에 잘 녹지 않는다.

녹는점과 끓는점

녹는점의 측정

나프탈렌을 넣은 시험관에 온도계를 꽂고, 물이 채워진 비커에 세운 다음 밑에서 서서히 가열한다. 30초마다 온도를 측정하고 세로축은 온도로, 가로축은 시간으로 하여 그래프로 나타내면 이 곡선(가열 곡선) 중간에 시간이 경과해도 온도가 변화하지 않고 수평으로 되는 부분이 생긴다. 이 온도가 녹는점이다. 다음에 완전히 용해한 나프탈렌을 서서히 냉각시키면서 그 온도를 30초마다 잰다. 이것을 오른쪽과 같은 방법으로 그래프로 만든다. 이 곡선(냉각 곡선)에도 수평이 되는 부분이 생긴다. 이 온도가 어는점이다. 주의해서 정확하게 실험을 하면 녹는점과 어는점은 일치한다. 그러나 순수한 물질을 아주 서서히 냉각시키면 어는점에 이르러도 결정화하지 않는 일이 있다. 이 현상을 과냉각이라고 한다. 이것의 온도를 더욱 내리면 결정이 생기기 시작함과 동시에 온도가 올라가서 어는점의 온도가 된다. 실험에 따라 가열 곡선과 냉각 곡선을 그릴 때는 냉각 곡선 쪽이 그리기가 쉽다. 왜냐하면, 온도를 조금씩 올리는 일은 상당히 어려운 일이기 때문이다. 또, 시험관에 측정할 물질을 넣은 경우, 외부로부터 가열되기 때문에 중심에 있는 온도계가 나타내는 온도와 결정이 용해하는 온도 사이에 차이가 생기는 수가 있다. 온도를 급격히 변화시키면 이 영향이 커지므로, 가열할 때나 냉각시킬 때 온도를 서서히 변화시킬 필요가 있다. 이 영향을 가능한 한 줄이기 위해서는 결정의 양을 가급적 줄이는 것이 좋지만, 그러면 곡선의 수평 부분이 잘 나타나지 않는다. 그러나 결정이 융해하는 온도는 잘 볼 수 있게 된다. 실제로는, 한 끝을 가열하여 막은 길이 5㎝ 정도의 유리 모세관에 나프탈렌의 결정을 갈아서 바닥에 1∼2㎝가량 채운다. 나프탈렌이 들어있는 모세관을 고무 호스를 잘게 자른 것으로 온도계에 고정시킨다. 모세관의 가루가 들어간 부분이 온도계의 구부와 같은 높이가 되도록 한다. 이것을 물을 넣은 시험관(녹는점 측정용의 각종 플라스크도 있다) 속에 매단다. 그런 다음, 시험관을 서서히 가열하여 온도를 올려 나프탈렌의 횐 가루가 갑자기 투명해지면서 모세관 속에 액면이 생겼을 때의 온도를 읽는다. 이 온도가 녹는점이다. 녹는점이 100℃ 이상인 것은 물 대신 글리세린이나 진한 황산을 넣고 가열한다.

끓는점의 측정

끓는점도 녹는점과 마찬가지로 서서히 가열하고, 30초마다 온도를 재서 온도와 시간의 그래프를 만든다. 이 곡선이 시간이 경과해도 온도가 변화하지 않아 일정하게 수평이 되는 지점의 온도가 끓는점이다. 온도계 전체가 증기 또는 끓고 있는 액체에 접촉해 있지 않으면 정확한 끓는점보다 낮은 온도를 보일 수 있다. 또, 기압도 영향을 주므로 정밀한 측정을 위해 온도계의 노출 부분과 기압에 대한 보정(補正)을 해야 한다. 액체를 가열할 때 갑자기 끓어 넘치는 현상이 일어나는 수가 있는데, 이것을 방지하기 위해 비등석을 넣어 둔다. 소량의 액체의 끓는점을 잴 때는 시험관 속에 액체를 넣고, 그 속에 온도계의 구부를 잠기게 한다. 한쪽 끝을 막은 모세관을 액체 속에 거꾸로 세우고 서서히 가열한다. 처음에는 불연속적으로 거품이 일다가 한순간 거품이 멎고 액체가 모세관 속으로 약간 들어온다. 그리고 다음에는 계속 거품이 인다. 이 경계의 온도가 끓는점이 된다.