화학 이론 | 화학의 영역

 

 

 

화학이란 물체의 구성이나 성질 및 구조에 대하여 연구하는 학문이다. 어떤 물체는 하나 또는 그 이상의 화학원소로 이루어져 있다. 원소(element)란 화학반응에 의하여 간단한 형태로 더 이상 분해되지 않는 물체의 한 형태이다. 현재 100개가 넘는 원소들이 알려져 있으며 한 원소는 다른 원소들과 구별되는 고유한 특성이 있다. 각 원소의 기호(symbol)는 주로 영어나 라틴어의 약자로 표시되었고, 이 기호는 원소의 원자를 표시하는데 사용하고 있다(표 1 참조).

 

화합물(compound)은 둘 또는 그 이상의 서로 다른 원소들이 일정한 질량비로 화학적인 결합을 하여 생긴 것으로서 각 구성원소의 특성을 잃고 그 자체의 특성을 지닌다. 물질(substance)은 어떤 순수한 원소나 순수한 화합물을 나타낼 때 사용되는 용어로 모든 물체는 하나의 물질이거나, 혹은 물질의 혼합체이다.

 

물질을 확인하거나 구별할 수 있도록 하는 물질의 특성을 그 물질의 성질(properties)이라고 한다. 잘 알려진 성질의 예로는 물질의 색깔, 경도, 증발성, 연소성 및 인화성 등이 있다. 여러 가지 물질의 실질적인 용도는 그들의 성질에 의하여 결정된다. 예를 들면 집은 목재, 흙, 돌 그리고 벽돌 등으로 짓고 더울 때 녹는 밀랍(wax)으로는 짓지 않는다. 석탄이나 가솔린은 연료로 쓰이는데, 가솔린은 쉽게 기화되는 액체이므로 석탄보다는 내연기관의 연료로 적합하다.

 

원소 이름	기 호	원소기호의 출처
안티몬	Sb	Stibium
구 리	Cu	Cuprum
금	Au	Aurum
철	Fe	Ferrum
납	Pb	Plumbum
수 은	Hg	Hydrargyrum
칼 륨	K	Kalium
은	Ag	Argentum
나트륨	Na	Natrium
주 석	Sn	Stannum
텅스텐	W	Wolfram

표 1 몇 가지 원소들의 이름과 기호

 

물질을 확인하는데 유용하게 이용되는 물리적 성질은 측정할 수 있고, 또 이 측정한 값을 숫자로 표시할 수 있다. 고체가 액체로 변화할 때의 온도를 녹는점(melting point)이라 하고, 액체가 기체로 변화할 때의 온도를 끓는점(boiling point)이라고 한다. 또 입자들의 조밀성을 나타내는 것을 밀도(density)라고 한다.

 

혼합물(mixture)은 둘 또는 그 이상의 물질로 되어 있고 물질들의 상대적인 양은 임의로 변할 수 있으며 이것을 구성한 물질들의 특성은 대부분 그대로 지닌다. 예를 들면 물과 모래의 혼합물은 그 속에 포함되어 있는 각 물질의 상대적인 양에 관계없이 양쪽 물질의 특성을 지니고 있다. 혼합물에서 균일한 혼합물(homogeneous mixture)은 현미경 아래에서도 한 종류의 물질만으로 구성되어 있는 것처럼 보이고, 이를 용액(solution)이라고도 한다. 공기, 놋쇠 그리고 물에 녹은 설탕물과 같은 균일한 혼합물은 용액의 한 예이다.

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이에 반하여 불균일한 혼합물(heterogeneous mixture)은 육안으로도 뚜렷하게 구별되는 여러 종류의 물질들로 구성되어 있다. 화합물과 균일한 혼합물은 물리적 성질의 비교로써 쉽게 구별된다. 즉 어떤 시료가 녹는점과 끓는점이 한 온도에서만 나타내는지 또는 여러 온도에 걸쳐 나타내는지를 결정하면 순수한 물질인지 또는 혼합물인지를 구별할 수 있다(표 2 참조).

 

	화합물		혼합물
	설탕 (슈크로오스)	물	물에 녹은 설탕 용액
겉모양	흰 고체	맑은 액체	맑은 액체
조 성	42.1% C	11.1% H	임의적
	6.4% H	88.9% O
	51.5% O
녹는점	185～186℃	0℃	0℃ 이하 : 조성에 따름
끓는점(1atm에서)	분해	100℃	100℃ 이상 : 조성에 따름
밀 도(1atm에서)	1.588g/㎤	1.00g/㎖	1.00g/㎖ 이상 : 조성에 따름

표 2  화합물 및 혼합물의 비교

 

현대 화학자의 중요한 활동중의 하나는 물질의 구조(structure)에 의하여 그 성질을 설명하며, 그러한 지식에 기초를 두고 그 밖의 다른 성질들도 예측하는 일이다. 설탕(슈크로오스)의 구조는 그 물질의 결정(crystal)을 규칙적인 기하학적 형태로 나타낼 수 있다. 그러나 보다 자세한 척도로 보면 설탕은 2개의 간단한 당인 포도당과 과당의 조합으로 구성되어 있다.

 

더욱 더 작은 척도에서 본다면 포도당과 과당의 구조는 이들의 구성원자들에 대한 배열이 어떻게 다른가에 따라 2개의 다른 당이 만들어지는 것을 알 수 있다. 즉 이 당들은 모두 탄소, 수소 및 산소로 구성되어 있다. 따라서 설탕의 구조는 먼저 탄소, 수소 및 산소 원자의 구조가 고찰되어야 한다.

 

 

 

 

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