과학천재의 비법노트_물리화학편

당신은 과학과 친합니까? 누군가 이렇게 물어본다면 어떻게 대답이 나올까요. 저는 아마도 '아니요'라고 대답할 것 같습니다. 일단 과학이라는 분야에 거대한 장벽이 느껴집니다. 내가 학창 시절에도 과학을 좋아하던 학생도 아니었고 그렇다고 성적에 과학이라는 과목이 효자노릇을 했다면 그것 또한 아니기 때문입니다. 직업군도 과학과 관계 전혀 없어요까진 아니더라도 상당히 동떨어졌었기 때문에 과학과 친한 부류는 왠지 괴기한 과학자 또는 안경 쓴 과학천재들 같은 범인이 접근할 수 없는 막연한 이미지가 있는 것이 사실입니다. 하지만 현대사회를 살아가는 저에게는 아무리 나랑 멀게 느껴져도 과학분야는 밀접하게 연관되어 있습니다. 우리가 숨 쉬고 살아가는 세상에 과학의 발전이 없었다면 암울했겠죠?

이왕 어울려 살아가게 된 거 기왕이면 친해져봅시다 하는 책이 있습니다. 이름하여 어느 날 과학이 나에게로 온 <과학천재의 비법노트>입니다. 

 

물질과 원자

물질은 우리가 눈으로 보고, 손으로 만질 수 있으며, 코로 냄새를 맡을 수 있고, 피부로 느낄 수 있는 모든 것을 일컬어. 질량을 가지고 있고 공간을 차지하는 모든 것을 물질이라고 말하지. 심지어 공기를 포함한 거의 모든 것이 물질에 포함돼. 물질을 이루는 가장 작은 단위를 원자라고 불러. 금속 한 조각을 셀 수 없을 정도로 많은 조각으로 잘랐을 때, 그 금속의 성질을 여전히 지니고 있는 가장 작은 조각을 원자라고 하는 거야. 양성자와 중성자가 서로 달라붙어서 원자의 중심을 형성하는데, 이를 원자핵이라고 해. 원자핵은 양전하를 띠고 있어. 전자는 원자핵의 궤도를 돌거나 주위를 빙빙 돌고 있지만, 속도가 너무 빨라서 정확한 위치가 어디인지 찾기 어려워.

 

원자 모형의 역사 ; 존 돌턴은 원소가 더 이상 쪼갤 수 없는 원자로 구성되어 있다는 이론을 처음으로 제시한 과학자야. 돌턴은 크기가 너무 작아서 우리 눈으로는 볼 수 없는 입자가 존재한다고 생각했어. 그는 이러한 입자를 원자라고 이름 붙였지. 돌턴의 이론은 오늘날 원자설로 알려져 있어. 

조셉 존 톰슨은 원자 속에 음전하를 띤 입자가 있다는 사실을 발견했어. 건포도 쿠키에 박혀 있는 건포도처럼 전자가 양전하를 띤 입자 사이에 단단히 박혀 있다고 설명했지. 어니스트 러더퍼드는 각 원자에는 양전하를 띤 작고 무거운 중심이 있다고 밝히고, 이를 원자핵이라고 불렀어. 그는 전자가 거의 빈 공간에서 원자핵의 궤도를 돌고 있다는 사실도 발견했지. 러더퍼드는 원자핵에 존재하는 양성 입자를 양성자라고 불렀어. 후에 러더퍼드의 제자 제임스 채드윅은 원자핵에 전하를 띠지 않는 입자가 존재한다는 사실을 발견하고 이를 중성자라고 이름 붙였지.

 

물질의 상태

우리 주변에 있는 대부분의 물질은 고체,액체,기체 세 가지 상태로 존재해. 물질의 상태는 물질을 이루는 분자의 배열과 움직임이 결정하지. 분자 사이의 인력은 분자가 서로를 가깝게 끌어당기게 만들고, 운동에너지는 분자가 움직일 때 분자 간의 인력에서 벗어날 수 있게 해 줘. 고체는 얼음이나 나무, 금속과 같이 정해진 모양과 부피를 가진 물질이야. 물질 속에 있는 분자들은 빽빽하게 배열되어 있어서 자유롭게 돌아다닐 수 없어. 그래서 고체는 정해진 모양과 부피를 가지는 거야. 고체 속 분자는 제자리에서 움직이는 제자리 운동을 하지만 서로를 끌어당기는 힘, 즉 인력을 이기기엔 부족해.

액체는 들어 있는 용기에 따라 모양이 변해. 하지만 부피는 용기에 따라 변하지 않고 고정되어 있지. 액체를 이루는 분자들은 인력을 이겨 낼 만큼 충분히 빨리 움직이고 있어서 고체에 비해 자유롭게 돌아다닐 수 있어. 액체가 흐르는 속도를 액체의 점도에 달려 있어. 점도는 흐름에 대한 저항력을 말해.

기체는 고정된 부피나 모양이 없어. 기체의 모양과 부피는 기체가 들어 있는 용기에 따라 달라. 액체와 달리 기체는 어느 용기에 담든지 그 용기를 가득 채울 수 있어. 기체를 이루는 분자는 널리 퍼질 뿐 아니라 매우 빠른 속도로 돌아다녀. 기체 분자는 너무 빨리 움직이기 때문에 분자 간에 작용하는 인력을 이겨 낼 수 있어. 이러한 성질 때문에 기체 분자는 스스로 흩어질 수 있지. 만약 네가 풍선에 들어 있는 기체를 밖으로 내보내면, 기체는 대기 속으로 골고루 흩어질 거야.

 

상 변화

물질은 늘 같은 상태로 있는 것이 아니야. 압력과 온도가 변함에 따라 물질의 상태가 바뀌는데, 이를 상 변화라고 해. 융해란 물질이 고체에서 액체로 바뀌는 현상을 말해. 이때 고체가 녹기 시작하는 온도를 녹는점이라고 하지. 고체에 가하는 열이 점점 늘어날수록 분자는 더 빨리 움직이고 결국 고체 물질은 녹기 시작해. 분자는 열에서 계속 에너지를 얻게 되면서 점점 더 많이, 빨리 움직이다가 결국 원래 있던 자리에서 벗어나게 되지. 

응고란 물질이 액체에서 고체로 바뀌는 현상이야. 액체의 온도가 떨어져 차가워지면 액체를 이루는 분자의 움직임은 점점 줄어들지. 분자의 운동이 점점 줄어들다가 분자 간에 서로 잡아달기는 힘을 이기지 못하는 순간, 액체가 고체로 변하는 거야. 이때 액체가 얼기 시작하는 온도를 어는점이라고 불러.

기화란 액체가 기체로 변하는 현상을 말해. 땀이 점점 마라는 것은 땀이 기화하거나 증발하는 거야. 이때 증발은 액체 표면에 있는 분자가 공기 속으로 튕겨 나가는 현상으로 액체 표면에서 서서히 일어나, 물을 가열해 끓기 시작하면 액체에서 기체로 변하는 온도에 도달한 거야. 열은 분자를 아주 빨리 움직이게 만들고, 액체 분자가 분자 간의 당기는 힘을 이겨 낼 만큼 빨리 움직이면 액체는 기체로 변해. 

액화는 기체가 액체로 변하는 현상이야. 아주 차가운 음료수를 마실 때 유리컵 표면에 작은 물방울이 맺힌 걸 본 적이 있지? 그건 유리컵 주변의 공기(기체)가 응결하면서 표면에 물방울(액체)로 변했기 때문이야. 즉, 공기 중의 수증기(기체)가 차가운 유리컵에 닿아 열에너지를 잃으면 활발하게 움직이던 분자는 점점 천천히 움직이게 되고, 이 속도가 충분히 느려지면 분자 사이의 인력이 작용해 서로 달라붙어 액체가 되는 거야.