물질의 상태변화에 대한 이야기

물질의 상태변화에 대한 이야기

Matter and Atoms (물질과 원자) 

Matter(물질)는 우리가 보고, 느끼고, 냄새맞고 만질수 있는 모든 것들을 말해. 다른 말로, 물질은 질량을 가진, 공간을 채우는 것들 ( 공기와 거의 모든 것들을 포함하는 ) 을 말하지. 

가장 작은 단위의 물질을 Atom (원자)라고 불러. 만약 철의 한 조각을 엄청나게 많은 조각으로 자른다면 원자라고 불리우는 철의 값을 가진 가장 작은 조각을 얻을 수 있을꺼야. 

Matter (물질) : 공간을 채우는 질량을 가진 것

Atom (원자) : 물질의 가장 작은 단위 

원자모형 <이미지 출처: 구글 이미지>

Atom은 그리스어에서 온 단어로, 의미는 더이상 "나눌수 없는" 이라는 의미야. 

Atomic Models (원자 모델) (모델이란 우리가 볼수 없는 것들을 대표하는 방법이야) 

원자들은 더 작은 부분들로 만들어져 있어. 

Protons (양성자) - 양 전하를 띈 입자

Neutrons (중성자) - 전기적으로 전하가 없는 중성입자

Electrons (전자) - 음 전하를 띈 입자로 질량이 거의 없다. 

Protons (양성자) 과 Neutrons (중성자)는 원자의 Nucleus (핵) 을 이루고, 서로 붙어서 원자의 가운데에 자리잡아. 이 핵은 양 전하를 띠고 있지. Electrons (전자) 는 핵의 주변궤도를 돌아 그렇지만 엄청나게 빠른 속도로 돌고 있어서 정확한 위치를 잡아내기 어렵지. 

Nucleus (핵) - 원자의 중심에 위치해서 중성자와 양성자로 이루어져 있다. 

최근의 원자 모델은 개별 전자의 모습보단 전자 구름으로 보여져. 궤도를 도는 전자를 찾을 가능성이 가장 높은 곳을 보여주는거야. 구름의 밀도가 높은 영역은 더 높은 확률을 보여주는거지. 

최근 원자의 모습   <이미지 출처 : 구글 이미지>

원자 모델의 간략한 역사이야기

John Dalton(존 달튼)은 Element (원소)가 파괴 할 수없는 Atom (원자)로 구성되어 있다고 제안한 최초의 과학자였어. 그는 우리가 볼 수 없을 정도로 작은 입자가 있다고 생각했지. 그는이 입자들을 원자라고 불렀고, 물질에 대한 그의 이론은 Atomic Theory of Matter (물질의 원자 이론)으로 알려졌어.

Joseph John (J.J) Thomson (조셉 존 톰슨)경은 원자에서 음전하를 띤 입자(Electrons (전자))의 존재를 발견하고, 오트밀-건포도 쿠키에있는 건포도와 같은 양전하를 띠는 입자로 박혀있는 모습을 그렸어.

Ernest Rutherford (어니스트 러더 포드)는 각각의 원자가 작고 무거운 양전하를 띤 중심을 가지고 있다는 것을 알아 냈지. 그리고, 전자가 대부분 빈 공간에서 핵을 공전하고 있다는 것을 알아 냈어. 그는 핵 양성자부분(Nucleus protons)을 양의 입자(Positive particles)라 불렀어.

러더 포드의 학생 인 James Chadwick (제임스 채드윅 경)은 핵의 중심에 전하를 띄지 않는 부분이 있다고 제안했고, 이를 중성자(Neutron)라 불렀어. 

John Dalton (존 달튼) - 물질의 원자이론	Joseph John Thomson (조셉 존 톰슨) - 전자의 발견	Ernest Rutherford (어니스트 러더 포드) - 양전하 중심발견	James Chadwick (제임스 체드윅) - 중성자 제안

Physical and Chemical properties and changes (물리적 화학적 특성 및 변화) 

우리가 보고, 느끼고, 냄새 맞고, 맛을 보는 이러한 방법들을 우리는 물리적 특성이라고 해. 이러한 특징으로 물질을 분류하면 쉽게 물질을 분류할 수 있어. 물질을 구별하는 데 사용되는 몇 가지 일반적인 물리적 특성을 알려줄께. 

Color	Size	Density
Malleability (유연성) (얼마나 쉽게 평평하게 만들거나, 모양을 만들거나, 눌렀을 수 있는지)
Magnetism (전자기) (자기 여부)
Boiling point and Melting point (끓는점 및 용해점) (물건이 끓거나 녹는 온도)
Solubility (용해도) (물건이 다른 물질에 얼마나 쉽게 용해되는지)

 물리적 변화는 물리적 특성 즉 크기, 모양, 혹은 상태 (고체, 액체, 혹은 기체 ) 와 같은 물질의 특성이 변화하는 걸 말해. 물리적 변화가 있었다고 해도 그것은 여전히 같은 물질이야. 예를 들어 물을 가열하거나 차갑게 해서 얼음, 눈, 혹은 수증기로 변화시킬 수 있어. 얼음, 수증기 그리고 물은 모두 같은 물질이야. 단지 다른 상태를 하고 있는거지. 

Chemical properties (화학정 특성)은 어떤 물질이 다른 화학적 변화를 겪을 수 있다는 것을 설명해. 

화학적 변화의 예>

Flammability (인화성) (불이 붙는 정도) 

Reactivity (반응성) (무엇이 산소, 물, 빛 등에 반응하는 정도)  

이러한 화학적 성질이 변하면, 물질은 화학적 변화를 통과하게 돼. 철문의 녹이나, 통나무를 태우고 재를 생성하는 것은 화학적 변화의 예라고 할 수 있어. 화학적 변화에는 다음이 포함될 수 있어:

색의 변화 - 이것은 얇게 썬 사과를 놔두면 갈색으로 변하는 것

에너지의 변화 - 화학 물질이 반응하여 밝은 빛과 열의 형태로 에너지를 방출하는 것

냄새의 변화

기체 또는 고체의 형성 : 식초와 베이킹 소다 등 두 가지 물질을 더하면 거품이 자주 보이지. 기포 또는 가스 형성은 성분이 화학적 변화를 겪었다는 신호야.

화학적 변화는 종종 물리적 변화보다 되 돌리는 것이 훨씬 더 어렵워. 재를 다시 통나무로 되돌리려는 시도를 한번 상상해봐. 

합성 물질은 자연에서 발생하지 않는 물질이지만 화학적 변화를 겪는 천연 자원으로 만들어진다. 예를 들어 폴리 에스터는 공기, 물, 석탄 및 석유로 만든 합성 섬유이다. 산과 알코올은 화학 반응을 일으켜 폴리 에스터 섬유를 생성하는 데 사용된다. 

Conservation of Mass (질량의 보존) 

상태나 구성성분이 물리적인 혹은 화학적 변화를 겪어서 변하는 동안, 존재하는 물질의 양은 항상 일관되게 유지돼. 이개념을 질량 보존이라고 불러. 질량은 사라지지 않아 - 여전히 존재하지만 다른 상태로 존재하는거지. 원자가 다른 물질의 형태로 재배치되는 거야. 

Reactant (반응물): 물리적 혹은 화학 반응으로 변화된 물질

Product (생성물) : 물리 혹은 화학 반응의 결과물 

Reactant (반응물)는 Product (생성물) 와 같은 질량을 가진다. 

질량 보존  <이미지출처 : Everything you need to ace Science in on big fat notebook>

에너지의 변화

States of Matter (물질의 상태) 

물질은 대개 세가지의 상태- 고체, 액체, 기체상태 -를 가져. 입자들의 행동과 배열이 물질의 상태를 결정해. 입자 사이의 인력은 입자를 서로 가깝게 유지하고, 이동 에너지는 입자가 이러한 인력을 극복 할 수 있도록 해. 

얼음, 나무, 철과 같은 고체는 형태와 크기를 가진 물질이야. 입자들은 서로 가깝게 모여있고 자유롭게 움직일 수 없어 그래서 그 모양과 부피가 한정될 수 있는거야. 여전히 입자들은 앞뒤로 진동할수 있어 그렇지만 입자들간의 인력을 넘을만큼 큰 힘을 가지진 못해. 

액체는 자유롭게 떠다니고 그것을 담고 있는 컨테이너의 형태로 추측할 수 있어. 액체는 부피가 정해져. 액체의 입자들은 인력을 극복할 수 있을 만큼 빨라. 액체 입자들이 자유롭게 움직이지만, 그들은 여전히 함께야. 입자들의 빠르기는 Viscosity (점도)에 따라 달라져. Viscosity는 흐름에 대한 저항을 말해. 

기체 (혹은 가스) 는 부피나 모양이 정해져 있지 않아. 그 형태와 부피는 그것을 담고있는 컨테이너에 좌우되지, 그리고 액체와는 달리, 이 것은 어떤 컨테이너이던 꽉 채워져 있어. 기체의 분자는 매우 멀리 떨어져 퍼져 고속으로 움직인단다.  기체 분자는 너무 빨리 움직여 입자 사이의 인력을 극복 할 수있어 분자가 스스로 분리 될 수 있어. 풍선에서 공기중으로 가스를 흘리면 공기 중에 고르게 분산되지. 

State (상태)	Features (특징)	Movement of particles (입자의 운동)
Solid (고체)	고정된 모양과 부피	진동 가능하지만, 고정된 위치가 있다.
Liquid (액체)	모양은 변하 가능, 부피는 고정, 움직일 수 있다.	자유운동 - 고정된 위치가 없다.
Gas (기체)	모양과 부피는 고정됮 않았고, 컨테이너에 따라 달라진다. 움직일 수 있다.	입자가 빨리 움직이고 멀리 떨어져 있다.

물질의 상태변화

Phase changes (위상 변화) 

상태는 절대적이지 않아. 압력과 온도에 따라 물질은 변하지 - 이러한 것들을 Phase change (위상의 변화)라고 해 

Melting 은 물질이 고체로 부터 액체로 변하는 것을 말해. 이 용해점은 고체가 녹는 온도야. 열로 인해 고체안의 입자들의 움직임이 증가하면서 액체로 변하는 거야. 입자들이 열로 에너지를 얻으면 그들은 자신의 위치에 더이상 있지 않고 움직이게 되는거야. 

100도 이상에서 물은 기체가 되고, 0도 에서 100 도 사이에서 액체상태로 존재해. 0도 이하로 내려가면 물은 고체가 되지. 

Freezing 은 물질이 액체에서 고체로 변하는 것을 말해. 액체를 차갑게 하면 입자들은 점점 움직임이 둔해지고, 어떤 점에서 입자들의 움직임이 인력을 이겨내지 못해, 그리고 액체는 고체가 되는거야. 액체가 어는 온도를 빙점 (어는 점) 이라고 해. 

Vaporization (기화) 는 액체가 기체로 변화하는 것을 말해 땀이 사라지고 말라버렸을때, 이것은 기화되었거나 증발Evaporation(Evaporation) 되었다고 하지. 증발은 표면에서 천천히 발생해 (개개의 분자가 공기중으로 튀어나가는 거야) 물이 끓을때 액체가 기체로 변하는 온도에 도달했음을 의미해. 열은 입자들을 빠르게 움직이게 만들지. 입자들이 인력을 극복할만큼 빨리 움직이면 액체는 기체로 바뀐단다.

Vaporation (기화)  <이미지 출처 : 구글 이미지>

Condensation (응축)은 기체가 액체로 변화하는 걸 말해. 네가 엄청 차가운 음료를 들고 있을때, 컵 주변의 공기는 응축되고 작은 물방울로 컵의 주변에 방울을 맺히게 되지. 수증기가 공기중에서 차가워지면 에너지를 잃고, 그 입자들은 느려지기 시작해. 입자들이 충분히 느려지면 입자간의 인력은 수증기의 분자들을 연결해서 액체의 형태로 만들어. 

Condensation (응축) 현상   <이미지 출처 : 구글 이미지>

때로, 극한의 조건에서 고체가 바로 기체가 되는 경우가 있어 이런 현상을 Sublimation (승화)라고 해. 드라이 아이스를 예를 들어볼께. 이산화 탄소 얼음은 이산화 탄소 증기로 바로 승화된단다. 증기는 때로 고체로 바로 바뀌기도 해 이런 현상을 Deposition (증착)이라고 해. 밤새 잔디에 서리가 증착되는 것 처럼 말야. 

 

상태 변화   <이미지 출처 : 구글 이미지>

Sublimation (승화) - 드라이아이스 <이미지 출처 : 구글 이미지>

 

물의 상태 변화 사이클 <이미지 출처: 구글 이미지>