1. 물질의 상태
우리 주변에 있는 대부분의 물질은 온도와 압력에 따라 고체, 액체, 기체의 세 가지 상태로 존재한다. 고체 상태에서는 분자들이 규칙적으로 배열되어 있으므로 모양이 일정하다. 또 분자 사이의 거리가 매우 가까우므로 압축해도 부피가 거의 변하지 않는다. 액체 상태에서는 분자들이 불규칙하게 배열되어 있어 담는 그릇에 따라 모양이 변한다. 그러나 분자 사이의 거리가 가까우므로 압축해도 부피가 크게 변하지 않는다. 기체 상태에서는 액체보다 더 자유롭게 모양이 변할 수 있다. 기체는 입자의 움직임이 활발해서 한곳에 모아 두기 어렵고, 입자와 입자 사이에 빈 공간이 많기 때문에 부피도 쉽게 변한다. 기체를 모아 놓고 힘을 주어 누르면 부피가 줄어들고, 누르는 힘이 사라지면 원래의 부피로 돌아온다. 이때 기체의 질량이 줄어들거나 없어지는 것은 아니다. 다만 부피가 변할 뿐이다.
2. 물질의 부피의 개념
물질이 차지하는 공간의 크기를 부피라고 한다. 3학년 학생들은 아직 입체의 개념을 배우지 않았기 때문에 정확한 부피의 개념을 적용하면서 가르치는 것은 어렵다. 부피를 나타내는 단위로 세제곱센티미터(㎤)를 사용한다. 1㎤는 가로, 세로, 높이의 길이가 각각 1cm인 정육면체의 부피를 말한다. 일상생활에서는 리터(L)를 사용하며, 1L는 1,000㎤이다.
3. 고체는 왜 모양이 변하지 않을까?
고체 내부에는 고체를 이루는 입자들이 규칙적으로 배열되어 있다. 이러한 입자들 사이에는 서로 끌어당기는 힘이 작용하고, 그 힘도 크다. 따라서 입자들이 자유롭게 움직이지 못하기 때문에 고체는 모양이 변하지 않고 일정하다.
4. 유리는 고체일까?
유리는 우리 주변에서 쉽게 볼 수 있으며, 많은 사람들은 재질이 딱딱해서 유리를 고체라고 생각한다. 그러나 과학적인 관점으로 본다면 유리를 고체라고 할 수 없다. 유리가 단단하고 손에 잡히는 고체로 보이는 것은 유리의 점성이 다른 액체들보다 아주 높기 때문이다. 현대 유리 제조 기술의 발달에 의해서 유리가 더욱 단단해졌지만, 아주 옛날에 만들어진 교회의 스테인드글라스는 수천 년에 걸쳐 서서히 흘러내려 위쪽은 얇고 아래쪽은 두꺼워진 모습을 관찰할 수 있다. 즉, 유리는 흘러 움직이는 성질이 있기 때문에 액체로 본다.
5. 담는 그릇에 따라 모양이 변하는 액체
액체를 구성하는 입자들은 고체 결정처럼 질서 정연하게 배열되어 있는 것도 아니고, 기체처럼 완전히 무질서하지도 않다. 액체 분자들 사이에는 강한 인력이 작용하기 때문에 액체는 일정한 부피를 가지고 있다. 하지만 이 분자들이 유동성을 가지고 있기 때문에 일정한 모양이 없다. 즉, 액체 분자들은 액체 내부에서만 비교적 자유롭게 움직이기 때문에, 부피는 일정하지만 모양은 담긴 그릇의 모양에 따라 변하게 된다.
6. 액체의 부피 측정
3학년에서 액체의 부피 측정을 다루지 않지만, 학생들은 일상생활에서 우유갑이나 음료수병에 적혀 있는 용량, 물약 등을 통해 액체의 부피 측정을 알 수 있다. 그리고 액체의 부피를 측정하는 도구로 눈금실린더가 있다. 눈금실린더에는 눈금과 숫자가 표시되어 있어 액체의 부피를 정확하게 측정할 수 있다.
7. 젤리는 고체일까? 액체일까?
젤리는 가만히 두면 그 모습 그대로를 유지하지만 살짝 건드리면 모양이 변한다. 고체라고 말하기에는 움직임이 자유롭고 액체라고 말하기에는 형태가 어느 정도 고정되어 있는데, 이렇게 액체와 고체 상태의 특성을 동시에 나타내는 물질을 가리켜 ‘콜로이드 상태’에 있다고 말한다. 콜로이드는 아주 미세한 입자들이 액체 속에 완전히 녹지 않고 균일하게 퍼져 있는 상태로 ‘졸’과 ‘겔’로 구분할 수 있다. 물의 함량이 비교적 적어 반고체 상태인 것을 ‘겔(gel)’이라 하고, 물의 함량이 많아 액체 상태인 것을 ‘졸(sol)’이라고 한다. 달걀로 예를 들면 날달걀의 흰자는 액체에 가까운 졸 상태이고, 삶은 달걀의 흰자는 고체에 가까운 겔 상태이다.
8. 바다에서 고체, 액체, 기체를 찾아볼까?
바다는 물질의 고체, 액체, 기체 세 가지 상태를 볼 수 있는 곳이다. 따라서 바닷물, 산호, 돌, 스쿠버다이빙 등의 사진이나 영상을 보여 주고 물질의 세 가지 상태의 성질을 대략적으로 짐작하게 한 다음 탐구 활동을 할 수 있다. 바다에서 볼 수 있는 돌, 자갈, 바닷물, 공기 방울 등을 통해 각 물질의 차이점을 살펴본 다음 고체, 액체, 기체의 특징을 적용할 수 있다.
9. 고체, 액체, 기체로 분류하기 어려운 물질은?
우리 주변의 물질은 대부분 고체, 액체, 기체로 되어 있으나 고체, 액체, 기체로 분류하기 어려운 물질도 있다. 대표적인 것으로 에어로젤(Aerogel)이다. 에어로젤은 무게가 스타이로폼보다 다섯 배나 가벼운데 이처럼 에어로젤이 가벼운 까닭은 전체 부피의 약 98%를 공기가 차지하고 있기 때문이다. 고체의 성질과 공기에 가까운 성질을 동시에 가지고 있어 ‘얼어붙은 공기(frozensmoke)’라고 부르기도 하며, 건축물의 단열 소재, 우주 탐사선의 소재 등 활용 범위가 넓을 것으로 기대되는 신소재이다. 텔레비전이나 스마트 기기의 재료인 ‘액정(Liquid Crystal)’도 액체처럼 흐를 수 있지만 액정 분자는 결정과 같이 일정한 방향으로 배열될 수 있기 때문에 액정은 기존 액체와 고체 결정의 중간 상태에 있는 물질이다.
10. 학교 체육관 안에 있는 공기의 무게
공기의 무게는 기압이나 온도에 따라 달라지지만, 공기의 구성을 대략 질소 78%, 산소 22%로 보고 계산하면 1기압, 27°C, 22.4L의 공기의 무게는 약 28.96g이고 공기 1L의 무게는 약 1.29g 정도이다. 따라서 0°C, 1기압에서 가로 1m, 세로 1m, 높이 1m인 공간의 공기의 무게는 약 1.29kg이다. 보통 학교 체육관은 넓이는 약 661m2 정도이고, 높이는 6m 정도이다. 이때 체육관 안 공기의 무게를 계산하면 약 5,116.14kg으로 다 자란 어른 코끼리(약 5,000kg)의 무게와 비슷하다.