우리는 수많은 물질에 둘러싸여 살고 있다. 물질 중에는 딱딱한 돌이나 쇠가 있는가 하면 부드러운 스폰지나 종이도 있다. 그리고 잘 깨지는 유리, 아무리 던져도 끄떡없는 고무, 맛있는 설탕, 소태같이 짠 소금도 바로 물질이다. 또 향기로운 장미 꽃냄새가 있는가 하면 화장실냄새도 있다. 이렇게도 많은 물질들은 어떻게 해서 모두 다른 성질을 갖고 있을까. 또 이러한 성질은 무엇으로부터 결정되는 것일까.
여러 범위의 다양한 물질을 비교하려면 우선 기준을 잡아야 한다. 먼저 대상의 범위를 눈에 보이는 것부터 잡고 그 성질의 원인인 물질의 구조를 몇가지로 나누어 생각해 보자.
문제
물질의 구조의 네가지 유형
1 물질의 구조를 비교해 보기
다음은 네 학생이 자기 주위의 물질을 위의 표에 나타난 구조와 비교해서 설명한 것이다. 잘못된 것은?
① 아람 : 부엌의 밀가루는 가루가 층층으로 쌓여 있으므로 '층형구조'를 이룬다.
② 보람 : 모직 바지에서 뜯은 실밥은 당연히 '섬유형 구조'다.
③ 한솔 : 물은 '입자형'과 '3차원 튼튼 구조형'의 중간형태다.
④ 예술 : 공기는 눈에 보이지 않지만 '입자형'에 가깝다.
2 물질의 구조를 알 수 있는 간단한 방법
미지의 고체 물질의 구조를 알 수 있는 가장 간단하고 좋은 방법은?
① 여러 방향으로 두드리거나 부숴 그 조각을 살펴본다.
② 냄새를 맡아 본다.
③ 조금 떼어내 물에 녹여 맛을 본다.
④ 광학 현미경으로 자세히 관찰해 본다.
3 구성입자가 결합하는 방식 과학자들은 '구성입자가 결합하는 방식에 따라 물질의 성질이 결정된다'고 말한다. 이 말이 맞는지 알아보기 위해 유리를 두드렸더니 큰 조각으로 부서졌다. 어떤 유리는 잘 부서지지 않아 세게 두드렸더니 잘게 부서졌다. 유리가 깨진 것을 보고 그 구조를 바르게 예측한 것은?
① 잘게 깨진 쪽이 더 규칙적인 결합을 하고 있다.
② 큰 조각으로 부서진 쪽이 더 규칙적인 결합을 하고 있다.
③ 깨진 면쪽에 있던 구조가 그렇지 않은 쪽보다 구조상의 차이가 작다.
④ 깨진 조각의 크기가 크고 작은 것은 부수는 힘의 차이일 뿐 구조와 상관이 없다.
4 진흙은 왜 미끄러울까?
강이나 바다의 바닥에 만들어진 진흙은 매우 미끄럽다. 그 이유는 진흙에 포함된 운모성분 때문이라고 한다. 운모의 어떤 성분 때문일까?
① 운모는 판상구조로 얇게 벗겨지기 때문이다.
② 운모가 절연체의 구실을 잘 해내기 때문이다.
③ 운모의 판상 조각들이 차곡차곡 쌓일 수 있기 때문이다.
④ 수직압력에 강하고 수평압력에 약하기 때문이다.
문제해설
1 답은 ①이다.
처음 보는 물질이라도 물질의 여러가지 성질을 정확히 관찰하면 그 구조를 알 수 있다. 모직바지에서 뜯은 실밥은 '섬유형 구조'로 볼 수 있고 수소결합의 특징을 갖고 있는 물은 '입자형'과 '3차원 튼튼 구조형'의 중간형태다. 공기는 눈에 보이지 않지만 압축이나 팽창이 모든 방향으로 잘 되고 다시 원래의 위치로 돌아오는 것으로 봐서 '입자형 구조'로 볼 수 있다.
그러나 밀가루는 가만히 쌓여 있다고 해서 '층형구조'로 볼 수는 없다. 왜냐하면 밀가루는 한 방향으로만 잘 쌓이지 않고 가루형태의 물질들이 일반적으로 그렇듯이 산모양으로 소복이 쌓이기 때문이다. 이런 구조는 수직방향의 힘보다 수평방향의 힘에 약하므로 층형구조가 아닌 입자형구조로 보아야 한다.
2 답은 ①이다.
물질의 구조는 특수한 기계를 통해야만 알 수 있는 것은 아니다. 냄새를 맡거나 맛을 보는 것도 그 한 방법이다. 냄새가 나는 물질은 대부분 입자 사이의 결합력인 약해 쉽게 기체가 되는 것이다.
또 단 맛이 나는 물질은 C(탄소)에-OH(수산 기)가 많이 붙어있다.
그러나 보다 쉽게 물질의 구조를 파악하려면 다음 세 방법을 활용해야 한다. 두드려서 울리는 소리를 들어보거나, 여러 방향으로 힘을 주어 그것에 견디는 정도를 알아보거나, 깨진 조각의 모양을 보고 판단할 수 있다. 산부인과에서 태아의 발육상태를 알아보기 위해 사용하는 초음파나 고기떼를 추적하는 데 쓰는 '소나'등도 같은 원리다. 대개 과학자들은 물질의 결정을 연구하는데 X선을 사용한다. 물질의 구조를 가장 간단히 알 수 있는 방법으로 두드리거나 부수는 방법을 권하고 싶다.
3 답은 ①이다.
유리가 깨지는 원인은 유리를 이루는 구성입자 사이의 결합이 달라 외부 충격을 골고루 받아들이지 못하기 때문이다. 예컨대 양편에 세사람씩 줄다리기를 할 때보다 한 쪽은 세사람 다른 쪽은 다섯사람이 줄다리기 할 경우, 평형이 이동돼 승부가 나기 쉽다. 그러므로 큰 조각으로 깨진 유리가 잘게 깨진 쪽보다 외부충격에 강하고 잘 깨지지 않는다.
교통사고 현장에서 잘게 부서진 유리조각을 본 적이 있을 것이다. 차창의 유리는 안전을 고려해서 강화유리를 사용한다. 강화유리는 외부 충격에 강하도록 보통 유리를 다시 가열해 급히 냉각시킨 유리다. 다시 말해 입자가 모일 시간이 없도록 빨리 만든 것이다.
4 답은 ③이다.
운모는 화강암을 이루는 광물로 쉽게 부서지는 성질이 있다. 대개 운모의 결정들은 투명하거나 흑색이지만 둘다 쉽게 층상으로 벗겨지는 특성이 있다. 화강암이 비나 바람에 오래 씻기면 그 속에 있던 운모가 잘게 부서지는 데 이 운모 조각은 강바닥에 차례대로 쌓인다. 이런 방법으로 만들어진 진흙 속에는 판모양의 운모가 쌓여 있어 자연 미끄럽게 된다. 이런 성질은 현재 광범위하게 활용되고 있다. 예컨대 운모와 같은 층상구조를 갖는 흑연이 윤활제로 사용되고 있는 것이다.
