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물질이 입자로 이루어져 있다는 생각은 고대 그리스부터 제기되어 왔으나 확실히 인정받게 되기까지는 무척 오래 걸렸다. 특히 기체는 보이지 않기 때문에 입자라고 보기 보다는 연결되어 있다고 생각하기 쉽다. 학교에서 원자론에 대해서 배웠기 때문에 자신이 있다고 생각하는 사람들도 기체를 연속적으로 보려는 경향이 많다. 아무튼 물질의 입자성은 감각적으로 이해하기 어렵다는 한계에도 불구하고 현대 과학의 중요한 개념으로 받아들여지고 있다.
문제
현상 1 공기 뽑아내기
1-1 위의 그림처럼 장치한 후 1L 플라스크 속의 공기중의 일부를 핸드펌프로 뽑아냈다. 만일 여러분이 공기입자를 볼 수 있는 안경을 썼다고 가정할 때 공기를 빼내기 전과 후의 플라스크 내의 공기를 가장 잘 나타낸 것은?
1-2 위 보기 그림의 점 사이에는 무엇이 있을까?
① 아람 : 입자들이 빽빽해서 빈 공간은 없다.
② 보람 : 먼지나 세균이 있다.
③ 한솔 : 산소나 질소같은 우리 눈에는 보이지 않는 기체들이 있다.
④ 예솔 : 점과 점 사이에는 아무 것도 없다.
1-3 기체입자들이 바닥에 쌓여있지 않고 공중에 떠있는 까닭은?
① 아람 : 입자 사이 공간에는 입자를 그 자리에 둘 수 있는 공기가 있기 때문이다.
② 보람 : 입자들 스스로 고유의 운동을 하기 때문이다.
③ 한솔 : 입자사이에 서로 떨어져 있도록 하는 반발력이 있기 때문이다.
④ 예솔 : 공기 밀도가 매우 작기 때문이다.
현상 2 기체 입자의 운동
무색의 액체가 들어있는 플라스크 두개가 있다. 첫번째 플라스크 마개를 열고 붉은색 리트머스 시험지를 입구에 대었더니 파랗게 변했다. 이어 첫번째 플라스크를 닫고 두번째 플라스크를 열어서 파란색 리트머스 시험지를 입구에 대었더니 이 시험지가 붉은색으로 변했다.
2-1 리트머스 시험지의 색깔이 변한 이유에 대해 가장 합리적인 의견을 제시한 사람은?
① 아람 : 액체를 이루는 입자가 퍼져나와 시험지에 닿았기 때문이다.
② 보람 : 리트머스 시험지를 이루는 입자가 공기입자와 만났기 때문이다.
③ 한솔 : 같은 무색의 액체지만 시험지에 흡수되는 성질이 달라지기 때문이다.
④ 예솔 : 리트머스 시험지는 민감해서 액체주변에 가까이만 가도 색이 변해버리고 만다.
현상 3 다른 종류의 입자가 만나면 어떻게 될까?
유리관(길이 30cm) 양끝에 아래 그림과 같이 솜마개를 꽂는다. 약 1분이 지난 뒤 흰고리가 한 쪽에 치우쳐 나타나는 것을 관찰한다.
3-1 위의 현상에서 흰 고리가 만들어지는 과정을 그림으로 그려보라.
3-2 흰 동그라미가 한 가운데 나타나지 않는 이유는?
① 아람 : 각 분자가 공기 입자와 결합하는 속도가 다르기 때문이다.
② 보람 : 각 분자 자체의 운동속도가 다르기 때문이다.
③ 한솔 : 각 분자를 공기 입자가 날라다 주는 속도가 다르기 때문이다.
④ 예솔 : 두입자의 운동속도 보다 두입자의 결합속도 때문이다.
정답
1-1 (나) ④ 크게 보아 (가)는 연속설을 (나)는 입자설을 대표한다. 눈에 보이지 않는 공기입자를 그려 보면 자신이 생각하고 있는 기체상태 물질의 구조에 대해 실감할 수 있을 것이다. 자신이 생각한 그림이 (가)보다 (나)일수록 또 ①②③보다 ④에 가까울수록 기체상태가 입자로 돼 있다는 사실을 확실하게 알고 있는 사람이다.
1-2 ④ 위에서 기체를 입자라고 대답한 사람도 점(기체입자) 사이에는 또다른 물질(먼지 세균 다른 기체 등)이 있다고 생각하기 쉽다. 과학을 10년이나 배운 고2학생들도 연속설의 견해를 갖고 있는 경우가 의외로 많다. 이를 통해 물질의입자성이라는 개념을 확실하게 갖는다는 것이 매우 어렵다는 것을 알 수 있다. '입자설'을 확실히 갖고 있는 사람은 주저함이 없이 예솔양의 의견을 택할 것이다.
1-3 ② 위에서 그린 기체입자들이 공중에 떠있다는 것은 아무래도 불안하게 느껴진다. 그래서 또 다른 공기가 떠받쳐 준다든가 공기가 원래 가벼워 떠있다는 대답을 하기 쉽다. 그러나 공기는 스스로 운동하여 기체상태를 유지한다. 오히려 냉각돼 자유운동을 못하게 되면 기체상태에서 액체상태로 바뀌게 된다. 이것이 액화다.
2-1 ① 기체는 보이지 않는 기체들로 이뤄져 있고 그 자체의 운동성에 의해 액체상태에서 탈출할 수 있다. 이 실험은 진한 염산과 진한 암모니아수에 의해 리트머스 시험지의 색깔이 변화하는 모습을 보는 것이다. 이 실험내용을 몰라도 결과만 가지고도 액체에서 탈출한 입자들이 리트머스 종이의 색깔을 변하게 했음을 알 수가 있다. 그러나 떨어져 있는 두 물질 사이에 어떤 변화가 일어나면 그 변화를 설명하기 어렵다고 느끼는 경우가 많다. 이럴 때 조금 귀찮더라도 그림으로 그려보면 모든 것이 훨씬 명확해진다.
3-1 이 실험은 암모니아분자와 염화수소분자의 확산실험이다. 보통 분자량과 확산속도 사이의 관계식을 설명하기 위해 사용되지만 여기서는 '기체분자의 고유 운동'을 알아보기 위해 문제로 제시됐다. 실제로 유리관을 세워서 실험을 해 보고 비교·토론하면 좀 더 확실한 개념을 가질 수 있을 것이다.
3-2 ② 입자는 고유운동을 하며 서로 다른 입자는 서로 다른 속력으로 퍼져 나간다. 공기입자는 스스로 움직인다고 생각한 사람도 다른 기체들은 공기가 날라다 준 것으로 생각하기 쉽다. 배고플 때 부엌쪽에서 바람과 함께 날아온(?) 구수한 된장찌개 냄새를 맡아본 경험 때문일 것이다. 그러나 어떤 물질이든지 기체가 되면 충분한 운동에너지를 갖기 때문에 스스로 퍼져 나간다.
