1단원 물질의 특성

1. 물질의 고유한 성질

물질의 특성이란 어떤 물질이 다른 물질과 구별되는, 그 물질만의 고유한 성질을 말합니다. 가장 중요한 포인트는 물질의 양(크기)에 관계없이 항상 같은 값을 가진다는 것입니다. 물 10 g이든 100 g이든 밀도는 똑같이 1 g/cm³이고, 녹는점도 똑같이 0℃인 것처럼요. 이렇게 양에 관계없이 일정하기 때문에 물질의 특성은 미지의 물질이 무엇인지 확인(감별)하는 도구로 사용될 수 있습니다.

반면 질량, 부피, 길이는 물질의 양이 많아지면 그만큼 커지므로 물질의 특성이 될 수 없습니다. 온도 역시 물질의 특성이 아닌데, 온도는 주변에서 얼마나 가열·냉각했는지에 따라 계속 달라지는 "상태값"일 뿐, 그 물질만이 갖는 고유한 값이 아니기 때문입니다. (단, 상태가 변하는 특정한 온도인 녹는점·어는점·끓는점은 물질마다 고유하게 정해지므로 물질의 특성에 해당합니다.)

겉보기 성질

겉보기 성질은 도구 없이 눈, 코, 혀, 손 등 감각으로 바로 확인할 수 있는 성질입니다. 색·냄새·맛·굳기·광택·결정 모양이 대표적입니다.

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2. 밀도

밀도는 물질의 단위 부피당 질량으로, 다음과 같이 계산합니다.

밀도(g/cm³) = 질량(g) ÷ 부피(cm³)

단위는 g/cm³ 또는 g/mL를 사용합니다(1 cm³ = 1 mL). 물의 밀도는 1 g/cm³입니다. 같은 물질이라면 질량과 부피가 함께 커지거나 작아져도 그 비율(밀도)은 변하지 않으므로, 밀도는 물질의 특성입니다.

밀도와 뜨고 가라앉기

어떤 물체가 액체에 뜨거나 가라앉는 것은 물체의 밀도와 액체(주변 물질)의 밀도를 비교해서 결정됩니다. 물체의 밀도가 액체보다 작으면 물체가 뜨고, 크면 가라앉습니다. 무거운 배가 물에 뜨는 것도 배 전체의 평균 밀도가 물보다 작기 때문입니다.

상태에 따른 밀도, 온도·압력의 영향

일반적으로 입자 사이의 거리가 가까울수록 밀도가 큽니다. 고체와 액체는 입자가 서로 빽빽하게 붙어 있어 밀도가 크고, 기체는 입자 사이 거리가 매우 멀어 밀도가 훨씬 작습니다. 그래서 보통 고체 ≥ 액체 ≫ 기체 순서가 됩니다. (단, 물은 예외적으로 고체인 얼음이 액체인 물보다 밀도가 작습니다.)

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3. 용해도

용해도란 어떤 온도에서 용매 100 g에 최대로 녹을 수 있는 용질의 g 수를 말합니다. 용질(녹는 물질)과 용매(녹이는 물질)가 섞인 것을 용액이라고 하며, 용질이 더 이상 녹지 않는 최대 상태의 용액을 포화 용액, 용해도보다 적게 녹아 있어 더 녹일 수 있는 상태를 불포화 용액이라고 합니다.

고체의 용해도

대부분 고체 물질은 온도가 높을수록 용해도가 커집니다. 온도가 높아지면 용매 입자의 움직임이 활발해져 고체 입자와 더 잘 부딪히고 떨어져 나와 녹아 들어가기 쉬워지기 때문입니다. 반면 고체와 액체는 압력을 가해도 부피가 거의 변하지 않으므로, 압력은 고체의 용해도에 거의 영향을 주지 않습니다.

기체의 용해도

기체는 고체와 반대로 온도가 낮을수록, 압력이 높을수록 용해도가 커집니다. 온도가 높아지면 이미 녹아 있던 기체 입자의 움직임이 활발해져 액체 밖으로 빠져나가기 쉬워지므로 용해도가 작아지고, 압력이 높아지면 기체 입자가 액체 표면으로 더 세게 밀려 들어가 녹는 양이 많아집니다.

• 탄산음료의 뚜껑을 열면 병 속 압력이 낮아져 녹아 있던 이산화 탄소의 용해도가 작아지므로 기포가 발생한다.
• 여름철 수온이 오르면 물속 산소의 용해도가 작아져, 물고기가 산소가 부족해 수면 위로 올라와 뻐끔거린다.

용해도 곡선과 석출량 계산

온도에 따른 용해도 값을 그래프로 나타낸 것이 용해도 곡선입니다. 질산 칼륨(KNO₃)처럼 곡선의 기울기가 가파른 물질은 온도 변화에 따라 용해도가 크게 변하고, 염화 나트륨(NaCl)처럼 곡선이 완만한 물질은 온도가 변해도 용해도가 거의 변하지 않습니다.

석출량 계산은 다음 비례식으로 구합니다.

(높은 온도의 용해도 − 낮은 온도의 용해도) : 용매 100 g = 석출량 : 사용한 용매의 질량

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4. 끓는점과 녹는점

순물질을 가열하면 고체 → 액체로 상태가 변하는 동안 온도가 잠시 멈추는데, 이때의 온도가 녹는점입니다. 계속 가열해서 액체 → 기체로 변하는 동안 멈추는 온도는 끓는점입니다. 반대로 냉각할 때 액체가 고체로 변하며 온도가 멈추는 지점은 어는점입니다.

왜 이 구간에서 온도가 멈출까요? 가해 준 열에너지가 온도를 올리는 데 쓰이지 않고, 입자 배열을 바꾸거나 입자 사이의 결합을 끊는 상태 변화에만 쓰이기 때문입니다(이 열을 잠열이라고 부릅니다). 상태 변화가 모두 끝나야 다시 온도가 오르기 시작합니다. 같은 원리로 같은 물질의 녹는점과 어는점은 항상 같습니다.

물질의 양과 녹는점의 관계

물질의 양이 많아지면 상태 변화에 필요한 총 열량이 많아지므로, 녹는점에 도달하는 시간과 수평 구간이 지속되는 시간은 길어집니다. 하지만 녹는점(온도) 자체는 물질의 종류에 따라 정해지는 값이므로 양이 많아져도 절대 변하지 않습니다.

끓는점과 압력

끓는점은 압력의 영향을 크게 받습니다. 압력이 높아지면 액체 표면의 입자가 기체로 빠져나가기 더 어려워지므로 끓는점이 올라가고, 압력이 낮아지면 반대로 끓는점이 내려갑니다.

1기압에서 물의 녹는점은 0℃, 끓는점은 100℃입니다.

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5. 순물질과 혼합물

순물질은 한 종류의 물질(입자)로만 이루어진 물질입니다. 예를 들어 물은 물 분자(H₂O)로만 이루어져 있고, 소금은 염화 나트륨(NaCl) 입자로만 이루어져 있습니다. 구성 성분의 비율이 항상 일정하기 때문에 녹는점·어는점·끓는점·밀도 같은 값이 항상 똑같이 정해집니다.

혼합물은 두 종류 이상의 순물질이 화학적으로 결합하지 않고 물리적으로 섞여 있는 것입니다. 섞이는 비율이 자유롭게 달라질 수 있기 때문에(예: 진한 소금물 vs 묽은 소금물) 녹는점·끓는점 같은 값이 혼합 비율에 따라 달라지고, 정확히 한 지점으로 정해지지 않습니다. 혼합물은 다시 두 가지로 나뉩니다.

• 균일 혼합물: 어느 부분을 떼어 봐도 성분의 비율이 같아서, 눈으로 봤을 때 경계가 보이지 않고 고르게 섞여 있는 혼합물
• 불균일 혼합물: 부분마다 성분의 비율이 달라서, 눈으로 봐도 성분들이 구분되어 보이는 혼합물

가열 곡선으로 구분하기

순물질을 가열하면 상태가 변하는 동안(녹는점·끓는점) 온도가 잠시 일정하게 멈추는 수평 구간이 뚜렷하게 나타납니다. 반면 혼합물은 성분마다 끓는점이 달라서 먼저 끓는 성분부터 증발하며 남아 있는 액체의 농도(성분비)가 계속 바뀌기 때문에, 온도가 수평 구간 없이 계속 서서히 변합니다.

혼합물이 되면 어는점은 낮아지고, 끓는점은 높아진다

다른 물질이 섞이면 순수한 결정을 만들기가 더 어려워져서 어는점이 낮아지고, 반대로 끓어서 증발하려는 용매 입자의 비율이 줄어들어 끓는점은 높아집니다. 이 성질은 실생활에서 많이 활용됩니다.

• 눈길에 염화 칼슘을 뿌리면 물의 어는점이 낮아져 얼음이 녹는다.
• 자동차 부동액(에틸렌 글리콜)을 냉각수에 섞으면 겨울철에 냉각수가 얼지 않는다.
• 라면을 끓일 때 물에 소금·스프를 넣으면 끓는점이 조금 높아져 더 뜨거운 물에서 조리된다.

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1. 밀도 차를 이용한 분리

밀도 차를 이용한 분리

끓이지 않고도, 두 물질의 밀도 차이를 이용해 분리할 수 있습니다. 밀도가 큰 것은 가라앉고 작은 것은 뜨는 원리를 이용합니다.

서로 섞이지 않는 액체의 분리 – 분별 깔때기

물과 식용유처럼 서로 섞이지 않는 두 액체는 분별 깔때기를 이용해 분리합니다. 밀도가 큰 액체가 아래층에 위치하므로, 아래쪽 마개(콕)를 열어 밀도가 큰 액체부터 조심스럽게 흘려보냅니다.

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2. 용해도 차를 이용한 분리 (거름 · 재결정)

용해도 차를 이용한 분리 – 거름

거름(여과)은 용매(물)에 녹는 물질과 녹지 않는 물질이 섞인 혼합물을 거름종이를 이용해 분리하는 방법입니다. 혼합물을 물에 넣으면 녹는 물질은 용액이 되어 거름종이를 그대로 통과하고, 녹지 않는 고체 입자는 거름종이 위에 걸러져 남습니다.

이처럼 거름은 물에 녹는 성질(용해 여부)이 서로 다른 고체 혼합물을 분리할 때 사용합니다.

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용해도 차를 이용한 분리 – 재결정

재결정은 온도에 따른 용해도 차가 큰 물질을 뜨거운 용매에 녹인 뒤 서서히 냉각시켜, 용해도가 크게 줄어드는 주성분만 순수한 결정으로 얻어 내는 방법입니다. 불순물은 대개 양이 적거나 온도에 따른 용해도 변화가 작아 냉각해도 계속 녹아 있는 채로 남습니다.

• 붕산이 섞인 소금에서 붕산은 온도에 따라 용해도가 크게 변하므로, 뜨거운 물에 다 녹인 뒤 냉각시켜 붕산 결정만 분리한다.
• 질산 칼륨과 염화 나트륨의 혼합물에서 질산 칼륨의 용해도 곡선 기울기가 훨씬 크므로, 냉각시키면 질산 칼륨만 다량 결정으로 석출된다.
• 천일염을 물에 녹여 불순물을 거른 뒤 다시 결정화하여 정제 소금을 얻는다.

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3. 끓는점과 녹는점 차를 이용한 분리 (증류 · 분별 증류 · 녹는점 차)

끓는점 차를 이용한 분리 – 증류

증류는 액체 혼합물을 가열하여 끓는점이 낮은 성분을 먼저 기화시킨 뒤, 이를 냉각·응축시켜 순수한 성분을 분리하는 방법입니다.

• 탁한 술을 증류하면 끓는점이 낮은 알코올(78℃)이 먼저 증발하여 소주를 얻는다.
• 바닷물을 증류하면 물(100℃)만 증발하고 소금은 남아 식수를 얻는다.
• 원유의 분별 증류: 원유를 가열하면 끓는점이 낮은 성분일수록 증류탑 위쪽에서, 끓는점이 높은 성분일수록 아래쪽에서 액체로 분리된다.

증류탑은 아래쪽일수록 온도가 높고 위로 갈수록 온도가 낮습니다. 그래서 끓는점이 낮은 성분(가벼운 성분)은 위쪽까지 올라가 응축되고, 끓는점이 높은 성분(무거운 성분)은 아래쪽에서 먼저 액체로 남습니다.

확인 문제

끓는점·녹는점 차를 이용한 분리 – 녹는점 차 분리

녹는점이 서로 다른 두 고체 혼합물을 가열하면, 녹는점이 낮은 물질만 먼저 녹아 액체가 되고 녹는점이 높은 물질은 그대로 고체로 남으므로 이를 이용해 분리할 수 있습니다.

• 납(녹는점 327℃)과 철(녹는점 1538℃)의 혼합물: 두 녹는점 사이의 온도로 가열하면 납만 녹아 액체가 되고 철은 고체로 남아 분리된다.
• 모래와 나프탈렌의 혼합물: 나프탈렌(녹는점 약 80.2℃)만 녹아 액체가 되고, 녹는점이 매우 높은 모래는 그대로 고체로 남는다.

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4. 혼합물 분리의 이용 (실험 설계 및 수행)

지금까지 배운 밀도 차·용해도 차·끓는점 차·녹는점 차·거름·자석 등 여러 분리 방법을 실제 혼합물에 어떤 방법을, 왜 선택하는지 스스로 설계할 수 있어야 합니다. 성취기준 [9과08-03]에 해당하는 탐구 활동으로, 단순 암기보다 원리를 적용하는 능력을 평가합니다.

실험 설계 예시

분리 방법 선택 기준 정리

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📎 참고 — 교과서 범위 밖

이동 속도 차를 이용한 분리 – 크로마토그래피

크로마토그래피는 종이 등의 고정상 위에서 용매(이동상)를 따라 이동하는 각 성분의 속도 차이를 이용해 분리하는 방법입니다. 성분마다 고정상에 붙는 힘과 용매에 녹는 정도가 달라 이동하는 거리가 서로 다르게 나타납니다.

크로마토그래피는 성분의 수가 많고 양이 매우 적어도 분리할 수 있고, 분리 속도가 매우 빠르다는 큰 장점이 있습니다.

• 사인펜 잉크의 색소를 분리한다.
• 운동선수의 도핑 테스트에서 금지 약물 성분을 검출한다.
• 식물 잎의 색소(엽록소, 카로틴 등)를 분리한다.

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