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물질은 한 가지 상태로만 존재하는 것이 아니라 다른 상태로 변할 수 있습니다.
융해되었다가 응고되고, 기화했다가 다시 액화됩니다. 이처럼, 이와 같이 물질의 상태가 변하는 것을 상태 변화라고 부릅니다.
우리가 물이라고 부르는 물질을 생각하면, 대부분은 액체상태의 흐르는 물을 생각합니다. 하지만, 물을 얼리면 얼음이 되기도 하고, 끓였을때 수증기가 되는 것을 경험했습니다.
이 상태변화는 고체, 액체, 기체로 나누어 구분합니다. 각각의 상태에 대해 더 알아보도록 하겠습니다.
다음 표에서 보는 바와 같이 고체는 입자가 규칙적으로 배열되어 일정한 형태를 갖추고 고정된 모양을 유지합니다. 고체는 분자나 원자가 서로 밀접하게 묶여 있으며, 질량과 부피가 모두 고정되어 있습니다. 또한, 고체는 일반적으로 압력과 온도의 변화에 덜 민감합니다.
액체는 고체와 기체 사이에 위치한 상태로, 고체에서의 단단했던 입자배열이 느슨해져서 어느 용기에 담느냐에 따라 형태가 변하게 됩니다. 하지만, 용기에 따라 담긴 형태는 달라지지만 전체 부피는 일정하게 유지됩니다. 액체는 고체와 마찬가지로 분자나 원자가 서로 밀접하게 묶여 있지만, 이들은 일부 이동성을 가지며, 서로 간의 상호작용은 약합니다. 따라서 액체는 일반적으로 고체보다 압력과 온도의 변화에 민감합니다.
기체는 분자나 원자가 서로 자유롭게 이동할 수 있는 상태로 입자간의 거리가 훨씬 더 멀어지고 자유롭게 운동하게 됩니다. 따라서 기체는 부피와 공간을 가지며, 압력과 온도의 변화에 민감합니다. 기체의 분자나 원자는 서로 간의 상호작용이 적고, 분자 간 거리가 큽니다.
| 고체 |  |
- 입자가 규칙적으로 배열되어 있다. - 모양과 부피가 일정한 형태를 갖추고 있다. |
| 액체 |  |
- 입자가 고체와 비교할때 불규칙하게 배열되어 있으며 입자간의 거리가 고체보다 멀다. - 모양이 일정하지 않고 담는 용기에 따라 변하지만 부피는 일정하다. |
| 기체 |  |
- 입자가 매우 불규칙하게 배열되어 있으며, 입자간의 거리가 가장 멀다. - 모양과 부피가 일정하지 않다. |
액체와 기체의 상태변화
물이 끓으면 액체 상태의 물이 기체 상태의 수증기로 변합니다. 이처럼 물질의 상태가 액체에서 기체로 변하는 현상을 기화 라고 합니다. 반대로, 우리 주변의 수증기가 차가운 음료수컵 표면에 물방울로 변합니다. 이처럼 물질의 상태가 기체에서 액체로 변하는 현상을 액화라고 합니다.
• 기화의 예
- 수족관의 물이 줄어든다.
- 땀이 나서 젖었던 옷이 마른다.
• 액화의 예
- 안경을 쓰고 라면을 먹으면 안경에 김이 서려 뿌옇게 흐려진다.
- 추운 날 입김을 불면 하얗게 보인다.
- 새벽 풀잎에 이슬이 맺힌다.
• 기화와 액화 현상의 활용
- 염전에서 바닷물을 기화시켜 소금을 얻는다.
- 바닷물을 증류하여 식수를 얻는다.
- 액화질소를 이용한 용가리과자 (2017년 액화질소가 과자 내에 남아있는 상태로 먹은 초등학생에게 위 천공이 생기는 사고 발생했었음.)
- 액화하여 기체를 운반한다. (터미네이터2의 액화질소 장면)
영화 터미네이터2에서는 액화질소 탱크가 파손되면서 액화질소에 가해지던 압력이 없어지게 되어 기체로 상태변화가 일어나면서 주변의 열에너지를 흡수하여 T1000을 얼려버리는 장면이 나옵니다.
고체와 액체의 상태변화
고체 상태의 얼음이 녹으면 액체 상태의 물로 변하게 됩니다. 이처럼 물질의 상태가 고체에서 액체로 변하는 현상을 융해라고 합니다. 반대로 액체 상태의 물이 얼면 고체 상태의 얼음으로 변하게 됩니다. 이처럼 물질의 상태가 액체에서 고체로 변하는 현상을 응고라고 합니다.
융해와 용해는 단어의 뜻만을 놓고 볼때 둘 다 녹는다는 의미를 가지고 있지만, 과학에서 볼때는 차이가 있으니 주의해야합니다. 융해는 얼음, 초콜릿, 버터, 치즈 등을 가열할 때 고체 상태에서 액체 상태로 상태가 변하는 것을 말하고, 용해는 설탕이나 소금 등의 용질이 용매에 녹는 현상을 말합니다.
• 융해의 예
- 얼음이 녹는다.
- 여름날 초콧렛이 녹는다.
- 용광로 안의 철이 녹는다.
• 응고의 예
- 흘러나온 용암이 굳는다.
- 촛불의 흐른 촛농이 식어 굳는다.
• 융해와 응고 현상의 활용
- 용접할 때는 금속을 가열하여 융해시킨 다음 두 금속을 응고시켜 이어 붙인다.
- 설탕을 녹인 다음 작은 구멍으로 내보내면 액체 설탕이 식으면서 실 모양으로 굳어져 솜사탕이 만들어진다.
- 금을 가열하여 녹인 후 틀에 부은 다음 응고시켜 반지를 만든다.
고체에서 바로 기체로? 승화!
아이스크림이나 냉동식품을 배달시켰을때 볼 수 있는 드라이아이스를 보셨지요? 드라이아이스는 이산화탄소의 고체상태입니다. 드라이아이스는 액체 상태를 거치지 않고 바로 기체 상태의 이산화탄소로 변합니다. 이처럼 물질의 상태가 고체에서 액체를 거치지 않고 바로 기체로 변하는 현상을 승화라고 합니다. 반대로 기체에서 곧바로 고체로 상태가 변하기도 하는데 이러한 상태 변화도 승화라고 합니다.
• 승화(고체 > 기체)의 예
- 응달에 있는 눈사람이 녹지 않고 크기가 줄어든다.
- 옷장 안 고체 방향제의 양이 줄어든다.
• 승화(기체 > 고체)의 예
- 겨울 새벽 서리가 내린다.
- 구름 속 수증기가 눈 결정이 된다.
- 겨울 자동차 유리창에 성애가 낀다.
• 승화 현상의 활용
- 극저온, 극저압의 환경에서 음식을 얼리는 동시에 그 안의 수분을 제거하는 동결건조 방식은 승화 현상을 활용한다. 동결건조의 예로 라면의 수프, 인스턴트커피 제조 과정이 포함된다.
일상생활에서의 승화 활용 : 드라이아이스
드라이아이스는 기체인 이산화탄소를 고압으로 고체로 만들어 영하 78.5℃의 낮은 온도를 유지하고 있습니다. 그래서, 냉동식품의 배송, 근거리 아이스크림 포장 등 낮은 온도 유지가 필요할때 냉각제로 사용되고 있습니다. 고체 이산화탄소 덩어리인 드라이아이스는 열을 받으면 곧바로 승화되어 기체가 됩니다. 그래서, 실내로 꺼낸 드라이아이스에서는 연기가 나는 것처럼 보입니다.
드라이아이스는 위에도 언급된 것처럼 영하 78.5℃로 손으로 직접 만지면 다치니 주의해주세요. 드라이아이스를 잠깐 만지는 것은 괜찮지만, 장시간 피부에 접촉하면 동상으로 피부가 손상될 수 있습니다. 저도 장갑을 끼고 집었습니다. 살랑 살랑 흔들면 승화해서 기체로 변하는 모습을 볼 수 있습니다.
드라이아이스에 물을 넣으면 물로부터 열에너지를 흡수하여 기체로 승화하는 속도가 더 빨라집니다.
드라이아이스를 변기에 넣는 사람들이 있는데, 위험한 행동입니다. 작은 조각이라면, 물에 넣었을때 승화속도가 빨라 연기가 많이 나서 아이들이 좋아하기도 하고 해볼만 하다고 생각합니다. 그런데, 드라이아이스크기가 좀 크거나, 겨울철처럼 변기 물의 온도가 낮다든지 하는 상황에 따라 변기물이 얼어서 부피가 팽창하는 경우 파손될 수도 있으니 주의해야합니다.
2020년 러시아 모스크바에서는 생일파티에서 "증기쇼"를 보여준다며 수영장에 25kg의 드라이아이스를 쏟아부어 3명이 사망하는 사고도 있었습니다. ("수영장에 쏟아진 드라이아이스로 3명 사망", 중앙일보, 입력 2020.03.02 21:08 https://www.joongang.co.kr/article/23720210#home)
과학의 달 행사에 등장하는 물로켓처럼, 드라이아이스를 통안에 넣고, 승화하여 생기는 기체 팽창을 활용하여 드라이아이스 로켓을 만들기도 합니다. 드라이아이스의 양, 발사되는 물체가 어떤 것인지, 충분한 공간인지에 따라 위험할 수도 있습니다. (필름통안에 드라이아이스를 넣고 로켓을 만드는 체험활동이 중학교 과학교과서에 나옵니다.)
조금 더 간단히 해볼 수 있는 것으로는 지퍼백을 활용하는 방법이 있습니다. 지퍼백 안에 드라이아이스를 넣고 승화되는 것을 살펴보는 것인데, 변기 안에 드라이아이스를 넣어보셨겠지만 물을 약간 넣어주면 더 빠른 속도로 승화가 진행되는 과정을 살펴보실 수 있습니다.
다음은 지퍼백에 드라이아이스를 넣고 물을 약간 넣어준 후, 지퍼백이 부풀어 오르는 과정을 촬영한 것입니다. 영상 후반부에 보이지만, 너무 부풀어 터지면 안되니 빵빵해졌다 싶을때 지퍼백을 열어주세요. 아니면 너무 밀봉하지 말고 끝 부분이 살짝 열린 상태로 두는 것도 좋습니다. 물의 양이나 지퍼백의 크기에 따라 다르나 40초 정도면 열어줘야하니 터지지 않도록 주의해주세요. 풍선 터지는 소리도 큰데, 이것도 터지면 안에 고체 드라이아이스도 들어있고 위험할 수 있으니 꼭꼭 주의해주세요.
드라이아이스가 사용되는 곳
식품의 보관 및 운송
드라이아이스는 냉동 및 냉장 식품의 보관 및 운송에 가장 많이 사용됩니다. 특히 육류, 생선, 아이스크림 같은 식품의 포장 및 운반에 매우 유용하게 사용되고 있습니다.
안개 효과
드라이아이스를 뜨거운 물에 넣으면 승화 속도가 빨라지면서, 연기 같은 짙은 안개구름이 바닥에 깔리며 만들어집니다. 이 효과를 이용하여 공연, 방송 등에서 사용되는 것을 자주 볼 수 있습니다.
탄산수 제조
드라이아이스를 용액에 넣으면 이산화탄소 기체가 발생하며 액체 속에 녹습니다. 소다수나 탄산수를 이런 방법을 통해 제조합니다.
방충 및 방제
드라이아이스를 모기나 진드기 덫으로 사용할 수 있습니다. 모기나 진드기는 사람이 내쉬는 숨 속에 들어있는 적은 양의 이산화탄소를 감지하고 모여드는데, 드라이아이스가 승화될 때 사람 1000명이 내쉬는 정도의 이산화탄소가 방출되므로 모기나 진드기를 쉽게 유인하여 잡을 수 있습니다.
배관 공사
수도관 누수가 있을 때 드라이아이스로 누수가 있는 부분의 수도관을 얼려 일시적으로 누수를 막고 공사를 할 수 있습니다. 또한 드라이아이스의 낮은 온도를 활용하여 연결시켜야하는 부분을 일시적으로 수축시킬 수 있으므로, 두 관을 끼워 연결할 때에도 유용하게 사용됩니다.
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