1. 물질
물질은 질량을 가지고 공간을 차지하는 것을 말한다. 물질은 고체, 액체, 기체의 세 가지 상태로 존재하나 이 단원에서의 물질은 물체를 이루고 있는 재료의 의미로만 사용하며, 물질의 상태를 구체적으로 구분하지는 않는다.
2. 물질의 성질
① 물질은 겉보기 성질, 어는점, 녹는점, 끓는점, 밀도, 용해도 등의 고유한 성질이 있다. 이 단원에서는 겉보기 성질을 중심으로 여러 가지 물질의 성질을 알아본다.
② 물질의 겉보기 성질은 겉으로 보았을 때 쉽게 구분되는 성질로, 감각 기관이나 간단한 도구를 사용하여 쉽게 확인할 수 있는 물질의 성질(색깔, 냄새, 맛, 촉감, 굳기 등)을 말한다.
3. 여러 가지 물질의 특성
•금속: 수은을 제외한 모든 금속은 상온에서 고체이며 불투명하다. 또한, 광택이 있어 잘 닦으면 빛을 반사한다. 금속은 열이나 전기가 잘 통하며 얇게 펴거나 가늘게 뽑을 수 있어 여러 가지 물체를 만드는 데 많이 사용된다. 캔, 철사, 못, 가위 등을 만들 수 있다.
•나무: 고유한 향과 무늬가 있고 다른 재료에 비해 가볍고 단단하다. 또한, 전기나 열에 대한 절연성이 높다. 반면에 불에 타기 쉽고 습기가 많은 환경에서 잘 썩으며 뒤틀림, 갈라짐 등의 변형이 일어난다. 책상, 의자, 서랍장, 조리 도구 등을 만들 수 있다.
•플라스틱: 플라스틱에 일정한 온도를 가하면 물렁물렁해지므로 다양한 모양으로 쉽게 만들 수 있으며 녹슬거나 썩지 않는다. 또한, 가볍고 다양한 색깔로 물체를 만들 수 있기 때문에 여러 가지 물체를 만드는 데 이용한다. 뚜껑이 있는 그릇, 컵, 얼음 틀, 플라스틱 상자 등을 만들 수 있다.
•고무: 탄성이 강하고 열이나 전기가 통하지 않는 성질이 있다. 또한, 잘 미끄러지지 않고 물에 젖지 않는다. 고무는 잘 늘어나면서도 질기고 진동 및 완충 작용에 뛰어나 고무줄, 타이어, 풍선, 고무장갑, 지우개 등의 생활용품을 만드는 데 많이 사용되고 있다.
4. 물에 뜨는 물질과 가라앉는 물질(밀도)
밀도란 질량을 부피로 나눈 값으로서 단위 부피당 질량을 의미한다.(밀도 = 질량 부피) 밀도는 물질의 종류에 따라 다르며 같은 종류의 물질에서는 양과 관계없이 일정하므로 물질의 성질이라고 할 수 있다. 물이 담긴 수조에 금속 막대, 나무 막대, 플라스틱 막대, 고무 막대를 넣었을 때, 나무 막대와 플라스틱 막대는 물에 뜨고 금속 막대와 고무 막대는 물에 가라앉는다. 이는 나무와 플라스틱의 밀도는 물의 밀도보다 작고, 금속과 고무의 밀도는 물의 밀도보다 크기 때문이다. 밀도는 우리의 일상생활에서도 많이 활용하고 있다. 잠수부는 잠수를 할 때 물속에 쉽게 가라앉도록 벨트에 납덩어리를 매달고 잠수를 한다. 이는 납의 밀도가 물의 밀도보다 크기 때문이다. 반대로 물속에 빠지지 않도록 구명조끼를 입는 것은 구명조끼에 든 공기가
물의 밀도보다 작기 때문이다.
5. 경도, 강도, 강성
•경도(Hardness)
경도란, 재료의 단단하고 무른 정도를 의미한다. 이러한 경도를 측정하는 대표적인 방식이 여러 가지 물질을 서로 긁어보는 것이다. 금속 막대와 플라스틱 막대를 서로 긁으면 플라스틱 막대가 긁히는 것은 금속이 플라스틱보다 경도가 크기 때문이다. 한편 다이아몬드는 모스 경도 10으로 모든 광물보다 경도가 높다. 다이아몬드를 연마재로 사용하는 것은 이러한 성질을 이용한 것이다.
•강도(Strength)
강도는 재료에 힘이 작용했을 때 재료가 파괴되기까지의 저항의 크기, 즉 물체의 강한 정도를 의미한다. 일반적으로 강도가 높은 재료일수록 잘 부서지지 않는 것으로 이해할 수 있다. 예를 들어 나무로 만든 의자보다는 금속으로 만든 의자가 더 단단하며, 금속은 나무보다 강도가 크다고 말할 수 있다. 한편, 경도와 강도를 혼동하는 경우가 많은데, 나무 막대와 유리 막대의 예를 생각하면 쉽게 이해할 수 있다. 나무 막대와 유리 막대를 강하게 서로 부딪치면 유리 막대가 깨진다. 나무가 유리보다 강도가 세기 때문이다. 하지만 나무 막대로 유리 막대를 긁으면 긁히지 않지만 유리 막대로 나무 막대를 긁으면 긁힌다. 유리는 나무보다 경도가 더 높기 때문이다.
•강성(Stiffness)
강성이란, 물질에 힘이 작용했을 때 모양이나 부피 변형에 저항하는 정도를 의미한다. 강성이 큰 물질은 힘을 받아도 변형이 잘 일어나지 않는다. 강성이 무한한 물체는 어떠한 힘에도 변형되지 않으며, 이러한 물체를 강체라고 한다. 반대로 강성이 0인 물체는 이상적인 조건에서 아주 작은 힘에도 무한한 변형을 일으킬 수 있는데 대표적인 예로 물이 있다. 고무줄은 잡아당기면 작은 힘으로도 큰 변형이 일어나나 쇠사슬을 잡아당기면 강한 힘으로 잡아당겨도 변형이 거의 일어나지 않는다. 이는 고무줄은 강성이 작고 쇠사슬은 강성이 크기 때문이다.
6. 플라스틱의 개발
예전에는 당구공의 재료로 코끼리 상아를 사용했었다. 그런데 코끼리 상아는 가격이 너무 비싸 많은 양의 당구공을 만들 수가 없었다. 1869년 미국의 존 하이엇(John. W. Hyatt)은 코끼리 상아를 대체할 물질을 찾으려고 노력한 끝에 최초의 플라스틱인 셀룰로이드(Celluloid)를 만들었다. 그러나 셀룰로이드는 깨지기 쉽다는 단점으로 인해 정작 당구공의 재료로는 이용되지는 못하였고 틀니, 만년필 등을 만들 때 주로 이용되었다. 그 후, 레오 베이클랜드(Leo Hendr ikBaekeland)가 페놀과 포름알데히드를 반응시켜 베이클라이트를 합성하였다. 존 하이엇이 만든 셀룰로이드는 천연수지 플라스틱이었으나 베이클라이트는 천연 원료를 사용하지 않았기 때문에 합성수지라고 하게 되었다.