물질이란 무엇일까요? 당연히 알고 있는 쉬운 단어처럼 느껴지면서도 정확하게 대답하기는 어렵습니다. 세상에 존재하는 많은 것들이 해당한다는 것은 확실합니다. 그렇다면 열, 빛은 물질이라고 말할 수 있을까요? 정답은 ‘물질이 아니다’입니다. 우리가 살아가면서 주변에 있는 대부분의 것들은 물질에 속하지만, 그렇지 않은 것들을 착각하는 경우도 있습니다. 오늘은 물질의 정의 및 구성에 대해 깊이 파헤쳐 보려고 합니다.
물질의 정의 및 구성
물질이란?
과학에서 말하는 물질은 공간의 일부를 차지하고 질량을 가지며 다양한 자연 현상을 일으키는 실체입니다. 또는 물질은 질량과 부피를 갖는 자연의 구성요소라고 정의하기도 합니다.
주변에서 볼 수 있는 물질들은 원자들로 이루어져 있습니다. 원자가 질량을 가지기 때문에 원자로 구성된 물질 또한 질량을 가지며, 원자 자체가 지닌 크기가 있고 원자와 원자 사이에 거리가 있기 때문에 물질은 질량과 부피를 가지게 됩니다.
쉽게 생각하면 물질은 우리 주변의 모든 물체와 물체를 이루는 구성 요소입니다. 우리가 보는 나무, 금속, 플라스틱, 종이, 물, 돌, 음식, 책 등은 모두 물질에 속합니다. 눈에 보이지는 않지만 ‘공기’도 물질입니다. 정의에 나와있듯 질량이 있고 부피를 가지기 때문이죠. 각각의 물질은 고유한 물리적, 화학적 특성을 가지고 있습니다.
물질의 구성
물질은 입자들의 결합으로 만들어집니다. 이 작은 입자들을 설명하는 단어들이 있는데, 다음과 같습니다.
- 분자: 물질에서 화학적 형태와 성질을 잃지 않고 분리될 수 있는 최소한의 입자
- 원자: 화학 반응으로 더 이상 쪼갤 수 없는 가장 작은 물질
- 원소: 더 이상 다른 물질로 분해되지 않으면서 물질을 이루는 기본 성분
- 이온: 전기적으로 중성인 원자가 전자를 잃거나 얻어 전하를 띠는 입자
분자는 원자가 결합하여 만들어지며, 원자는 원자핵과 전자로 이루어지며, 원자는 원자핵과 전자로 이루어집니다. 또 원자핵은 양성자와 중성자로 구성되고, 양성자와 중성자는 다시 쿼크로 구성됩니다. 이 관계를 그림으로 나타내면 다음과 같습니다.
원소를 이해하기 위해 물을 생각해봅시다. 물은 H2O로 나타낼 수 있습니다. 물을 분해하면 수소인 H와 산소인 O로 나누어지므로 물은 원소라 할 수 없습니다. 이 분해과정으로 생긴 H와 O는 더 이상 분해되지 않으므로 원소입니다. 현재까지 118개의 원소가 알려져있습니다.
원소들의 결합으로 물질이 생기게 되고, 이 결합에 참여하는 원소의 종류와 수가 다양하기 때문에 매우 다양한 물질이 만들어질 수 있습니다. 따라서 118개의 원소로 조합되는 물질의 종류는 굉장히 많습니다.
원자는 원자핵과 전자로 구성됩니다. 원자핵은 원자의 중심에 위치하며 (+)전하를 띱니다. 전자는 원자핵 주위를 돌며, (-)전하의 성질을 띱니다. 또한 원자가 전자를 잃으면 양이온이 되고, 전자를 얻으면 음이온이 됩니다.
공유 결합 물질과 이온 결합 물질
공유 결합 물질
원자가 전자쌍을 공유하면서 생성되는 결합으로 만들어지는 물질입니다. 보통 일정한 수의 원자가 공유 결합하게 되면, 독립적인 분자를 이룹니다. 예외적으로 원자 결정과 같이 일정한 수가 하나의 분자 덩어리를 이루지 않고 지속적인 공유 결합을 하는 물질도 있습니다.
공유 결합 물질은 이온 결합 물질에 비해 상대적으로 끓는점, 녹는점이 낮아서 보통 상온에서는 기체/액체 상태로 존재합니다.
공유 결합 물질의 예로는 물(H2O), 메테인(CH4), 과산화 수소 분자(H2O2) 등이 있습니다. 물 분자인 H2O는 수소(H) 원자 2개와 산소(O) 원자 1개로 이루어진 형태이며, 메테인은 탄소(C) 원자 1개에 수소(H) 원자 4개가 붙어있는 형태입니다.
이온 결합 물질
양이온과 음이온 사이의 정전기적 인력에 의한 결합으로 이루어진 화합물입니다. 이온이 결합하여 생긴 물질은 분자처럼 독립된 입자로 존재하지 않습니다.
대표적인 예로는 소금과 같이 양성이 강한 금속과 음성이 강한 비금속의 결합물이 있습니다. 보통 양이온 주위를 여러 개의 음이온이 정전기적 인력으로 둘러싸 결정구조를 이루고 있습니다. 이러한 상태의 물질은 입자들이 사방으로 결합하여 결정을 이루어서 분자라고 부르지 않습니다.
소금, 즉 염화나트륨(NaCl)은 수많은 나트륨 이온(Na+)와 염화 이온(Cl-)이 결합하여 거대한 결정을 이룬 형태로 존재합니다.
오늘은 물질의 정의와 또 물질이 어떻게 구성되는지 자세히 알아봤습니다.
과학은 과학자들에 의해 끊임없이 연구되는 학문입니다. 예를 들어 본문에 소개된 ‘쿼크’는 1968년이 되어서야 존재가 입증된 것이죠. 이러한 화학, 물리학 분야의 연구로 알게된 것들을 잘 이해하고 활용하길 바랍니다.