뿌리학습 · 중학 과학탐구
물질의 특성과 혼합물의 분리
물질마다 고유하게 지니는 성질을 물질의 특성이라 한다. 이 성질은 물질의 양과 관계없이 일정하므로, 정체를 모르는 물질이 무엇인지 알아내는 단서가 된다. 대표적인 것이 밀도와 녹는점·끓는점이다.
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개념 정리
먼저 밀도다. 물에 넣었을 때 무엇이 뜨고 무엇이 가라앉는지를 생각해 보자. 무거운 것이 가라앉는다고 답하기 쉽지만 그렇지 않다. 질량이 훨씬 큰 플라스틱 그릇은 뜨고, 훨씬 작은 압정은 가라앉는다. 질량으로는 설명되지 않는다.
답은 입자가 얼마나 빽빽하게 들어차 있는가에 있다. 나무를 확대해 보면 입자들이 듬성듬성 놓여 빈 공간이 많고, 쇠는 입자들이 촘촘히 채워져 있다. 이 빽빽한 정도가 밀도다. 밀도가 작으면 뜨고 크면 가라앉는다.
그런데 물질마다 속을 들여다볼 수는 없으니, 잴 수 있는 값으로 바꿔야 한다. 질량이 같은 두 물체를 비교하면 부피가 작은 쪽이 더 빽빽하다. 부피가 같은 두 물체를 비교하면 질량이 큰 쪽이 더 빽빽하다. 즉 밀도는 질량에 비례하고 부피에 반비례한다. 그래서 질량을 부피로 나눈 값으로 정의한다. 공식이 먼저가 아니라 이 관계가 먼저다.
이 구분이 서면 얼음이 물에 뜨는 이유도 정확히 말할 수 있다. 물이 얼 때 질량은 그대로이고 입자 사이 공간이 넓어져 부피가 늘어난다. 질량은 같은데 부피가 커졌으니 밀도가 작아진 것이다. 가벼워져서가 아니다.
부피를 잴 때 주의할 점도 있다. 모양이 불규칙한 물체는 눈금 실린더에 물을 채우고 넣어 늘어난 만큼을 부피로 삼는데, 물에 뜨는 물체라면 그대로 재면 안 된다. 완전히 잠기도록 해야 정확한 값이 나온다.
밀도는 물질마다 정해진 값이므로 물질을 구별하는 데 쓸 수 있다. 정체 모를 물체의 질량과 부피를 재어 계산한 값이 어떤 물질의 밀도와 같다면 그 물질로 볼 수 있다. 다만 온도와 압력에 따라 조금씩 달라지므로 조건을 함께 밝혀야 한다.
다음은 녹는점과 끓는점이다. 얼음을 계속 가열하며 온도를 재면 네 구간이 나온다. 온도가 오르는 구간, 0도에서 멈춰 있는 구간, 다시 오르는 구간, 100도에서 멈춰 있는 구간이다. 멈춰 있는 두 구간이 상태가 바뀌는 구간이고, 그때의 온도를 각각 녹는점과 끓는점이라 한다.
여기서 놓치기 쉬운 것이 있다. 온도가 멈춰 있는 구간에는 두 상태가 함께 존재한다. 0도 구간에는 얼음과 물이 섞여 있고, 100도 구간에는 물과 수증기가 섞여 있다. 구간마다 상태가 하나씩 배정되어 있는 것이 아니다.
녹는점과 끓는점도 물질마다 다르다. 물은 100도에서 끓지만 에탄올은 그보다 낮은 온도에서 끓는다. 금속도 마찬가지여서, 철은 아주 높은 온도라야 녹고 어떤 금속은 손으로 감싸는 정도의 온기로도 녹는다. 그래서 같은 금속이라도 상온에서 어떤 상태로 있는지가 달라진다. 이 값들 역시 물질을 구별하는 단서가 된다.
가장 자주 틀리는 대목은 여기다. 물의 양을 두 배로 늘리면 더 높은 온도에서 끓을까. 그렇지 않다. 끓는점은 그대로 100도이고, 다만 그 온도에 도달하기까지 시간이 더 걸릴 뿐이다. 불꽃을 세게 해도 마찬가지로 도달 시간만 짧아진다. 끓는점은 열을 얼마나 주었는지가 아니라 상태가 바뀌는 온도이기 때문이다. 양과 가열 세기는 시간을 바꾸지 온도를 바꾸지 않는다.
다만 압력은 다르다. 압력이 높아지면 입자가 밖으로 빠져나오기 어려워져 더 높은 온도라야 끓고, 압력이 낮아지면 더 낮은 온도에서도 끓는다. 그래서 끓는점을 말할 때는 압력 조건을 함께 밝힌다. 흔히 말하는 값들은 1기압 기준이다.
끝으로 혼합물이다. 지금까지의 이야기는 한 가지 물질로만 이루어진 순물질에 해당한다. 소금물처럼 섞인 것을 가열하면 그래프가 달라진다. 수평 구간이 뚜렷하지 않고 온도가 조금씩 변한다. 또 소금물처럼 끓지 않는 물질이 녹아 있는 경우에는 순물질인 물일 때보다 높은 온도에서 끓고, 얼릴 때는 더 낮은 온도에서 언다. 섞인 물질이 기화와 응고를 방해하기 때문이다. 다만 얼마나 달라지는지는 무엇이 얼마나 섞였는지에 따라 다르므로, 값을 외우기보다 수평 구간이 뚜렷하지 않다는 특징으로 혼합물을 알아보는 편이 낫다.
겨울철에 눈이 쌓인 길에 염화 칼슘을 뿌리는 것이 이 원리다. 다만 이는 소금물처럼 녹아 있는 물질이 있는 경우의 이야기이며, 모든 혼합물이 같은 방향으로 달라지는 것은 아니다. 그 물질이 눈을 녹이는 것이 아니라, 물과 섞여 어는점을 낮춤으로써 낮은 온도에서도 얼지 않게 만드는 것이다.
지금까지 본 성질들은 물질을 구별하는 데만 쓰이는 것이 아니다. 섞여 있는 것을 갈라내는 데도 쓰인다. 어떤 성질이 다른지에 따라 방법이 정해진다.
끓는점이 다르면 증류를 쓴다. 섞여 있는 액체를 가열하면 끓는점이 낮은 쪽이 먼저 기체가 되어 빠져나오고, 그 증기를 다시 식히면 순수한 액체로 모인다. 끓이는 것과 식히는 것이 한 쌍이라는 점이 중요하다. 끓여서 날려버리는 것이 아니라 날아간 것을 받아내는 것이다. 바닷물을 끓여 식수를 얻는 것도, 원유에서 여러 기름을 갈라내는 것도 이 원리다. 원유 증류탑에서는 위로 올라갈수록 온도가 낮아지므로, 끓는점이 높은 물질일수록 먼저 식어 아래쪽에서 빠져나온다.
밀도가 다르고 서로 섞이지 않는 액체라면 분별 깔때기를 쓴다. 그냥 두면 밀도가 작은 쪽이 위, 큰 쪽이 아래로 나뉘므로 아래쪽 콕을 열어 빼내면 된다. 이때 위쪽 마개를 열어 두어야 한다. 마개를 닫아 두면 액체가 빠져나간 만큼 안쪽 공간의 압력이 낮아져 흐름이 곧 멈추기 때문이다. 마개를 열면 위에서 공기가 눌러 주므로 액체가 계속 내려온다. 고체도 밀도 차이로 가를 수 있다. 두 고체 사이의 밀도를 가진 액체에 넣으면 한쪽은 뜨고 한쪽은 가라앉는다. 다만 그 액체에 고체가 녹아버리면 쓸 수 없다.
용해도가 다르면 거름을 쓴다. 어떤 용매에 한쪽만 녹으면, 녹지 않은 쪽은 거름종이에 남고 녹은 쪽은 빠져나간다. 이때 남기려는 쪽에 주목하면 거름이고 빠져나온 쪽에 주목하면 추출이다. 두 조작은 함께 일어나지만 무엇을 얻으려는지가 다르고, 그에 따라 고르는 용매가 달라진다.
녹아 있는 물질을 다시 고체로 되찾을 때는 재결정을 쓴다. 방법은 두 가지인데 물질에 따라 갈린다. 온도가 오를 때 용해도가 크게 늘어나는 물질이라면, 뜨겁게 해서 많이 녹인 뒤 천천히 식히면 녹아 있지 못한 만큼이 결정으로 가라앉는다. 반대로 온도에 따라 용해도가 거의 변하지 않는 물질이라면 아무리 식혀도 나오지 않으므로 용매를 증발시켜야 한다. 냉각이 언제나 답은 아니라는 뜻이다. 이 방법으로 용해도 변화가 큰 물질과 작은 물질이 섞인 것을 갈라내는 것을 분별 결정이라 한다. 원리는 재결정과 같고 목적만 다르다.
이 단원 시험에서 묻는 것
학교 시험은 교육과정 성취기준을 바탕으로 출제됩니다. 이 단원의 성취기준은 다음을 할 수 있는지 확인하도록 정하고 있습니다.
- [9과08-03]물질의 특성을 이용하여 혼합물이 분리되는 원리를 이해하고, 이를 이용한 사례를 주변에서 찾을 수 있다.
- [9과08-01]물질의 특성의 의미를 알고, 실험을 통해 밀도, 용해도, 녹는점, 끓는점 등을 설명할 수 있다.
- [9과08-02]물질의 특성을 근거로 우리 주변의 물질을 순물질과 혼합물로 분류할 수 있다.
자주 하는 착각
밀도
- 무거운 물체가 가라앉고 가벼운 물체가 뜬다고 본다. 일상 경험이 그렇게 가르치기 때문이다. 질량이 백 배쯤 큰 물체가 뜨고 작은 물체가 가라앉는 경우가 실제로 있다. 뜨고 가라앉음을 결정하는 것은 질량이 아니라 밀도다.
- 밀도를 공식으로만 외우고 의미를 말하지 못한다. 부피분의 질량이라는 형태가 먼저 각인되기 때문이다. 밀도는 입자가 얼마나 빽빽하게 들어차 있는지를 나타내는 값이고, 공식은 그것을 재기 위한 도구다.
- 물을 얼리면 질량이 줄어 뜬다고 본다. 뜨는 것을 가벼워진 결과로 읽기 때문이다. 질량은 그대로이고 부피가 늘어나 밀도가 작아진 것이다.
- 물에 뜨는 물체의 부피를 눈금 실린더로 그대로 잰다. 방법만 기억하기 때문이다. 물체가 완전히 잠겨야 부피가 정확히 측정된다.
녹는점·끓는점
- 물질의 양이 많으면 더 높은 온도에서 끓는다고 본다. 양이 많으면 더 많은 열이 필요하다는 감각 때문이다. 양이 많으면 끓는점에 도달하는 시간이 길어질 뿐 끓는점 자체는 변하지 않는다. 자주 나타나는 오개념으로 관측된다.
- 불꽃을 세게 하면 끓는점이 높아진다고 본다. 5번과 같은 구조다. 가열 세기도 도달 시간에만 영향을 준다.
- 온도가 일정한 구간에 한 가지 상태만 있다고 본다. 구간마다 이름이 하나씩 붙기 때문이다. 상태 변화 중에는 두 상태가 함께 존재한다.
- 끓는점을 조건 없이 고정된 값으로 본다. 물은 100도라고 외우기 때문이다. 압력이 달라지면 끓는점도 달라지므로 압력 조건을 함께 말해야 한다.
혼합물
- 혼합물도 순물질처럼 온도가 일정하게 유지된다고 본다. 그래프 모양을 하나로 기억하기 때문이다. 혼합물은 수평 구간이 뚜렷하지 않고 온도가 조금씩 변한다. 이 특징이 순물질과 혼합물을 가르는 가장 확실한 단서다.
- 눈이 온 길에 뿌리는 물질이 눈을 녹인다고 이해한다. 결과만 보기 때문이다. 어는점을 낮춰 이미 낮은 온도에서도 얼지 않게 만드는 것이다.
혼합물의 분리
- 증류에서 끓어 날아간 물질이 사라진다고 본다. 끓는 장면만 보기 때문이다. 증류의 핵심은 기화시킨 증기를 다시 식혀 액체로 되돌리는 데 있다. 끓이는 것은 절반이고 식히는 것이 나머지 절반이다.
- 원유 증류탑에서 끓는점이 높은 물질이 위쪽에서 나온다고 본다. 높은 끓는점을 높은 위치와 연결하기 때문이다. 위로 갈수록 온도가 낮으므로 끓는점이 높은 물질일수록 먼저 액화되어 아래에서 빠져나온다. 방향이 반대다.
- 거름으로 두 고체를 가를 때 두 물질이 모두 녹는 용매를 써도 된다고 본다. 녹이기만 하면 걸러진다고 여기기 때문이다. 한쪽만 녹고 다른 쪽은 녹지 않는 용매를 골라야 하며, 녹지 않은 물질을 거름종이로 걸러 두 물질을 분리할 수 있다.
- 모든 물질이 냉각하면 석출된다고 본다. 재결정을 냉각과 한 묶음으로 외우기 때문이다. 온도에 따라 용해도가 크게 변하는 물질만 냉각으로 석출되고, 변화가 작은 물질은 용매를 증발시켜야 한다.
- 밀도가 다른 두 고체를 가를 때 액체의 종류는 중요하지 않다고 본다. 뜨고 가라앉는 결과만 기억하기 때문이다. 액체의 밀도가 두 고체의 밀도 사이에 있어야 한쪽은 뜨고 한쪽은 가라앉으며, 그 액체에 고체가 녹지 않아야 한다.
- 분별 깔때기에서 위쪽 마개를 닫은 채 콕만 열어도 된다고 본다. 빼내는 곳은 아래라서 위쪽은 상관없다고 여기기 때문이다. 마개를 닫으면 액체가 빠진 만큼 안쪽 압력이 낮아져 흐름이 멈춘다. 위에서 공기가 눌러 주어야 계속 내려온다.
이런 오개념, 나도 갖고 있을까?
물체가 물에 뜨는지 가라앉는지는 그 물체의 질량에 의해 결정된다.정답 보기
X (흔한 오개념이에요)
일상에서 무거운 돌은 가라앉고 가벼운 나뭇잎은 뜨는 경험을 자주 하다 보니, 질량이 클수록 가라앉는다고 생각하기 쉬워요. 그러나 질량이 훨씬 큰 물체라도 밀도가 물보다 낮으면 뜨고, 질량이 작은 물체라도 밀도가 물보다 높으면 가라앉아요. 실제로는 물체의 질량이 아니라 밀도가 뜨고 가라앉음을 결정하는 기준이에요.
밀도는 입자가 얼마나 빽빽하게 들어차 있는지를 나타내는 값이며, 공식은 그것을 수치로 나타내기 위한 도구일 뿐이다.정답 보기
O (맞는 설명이에요)
'질량 ÷ 부피'라는 공식이 먼저 반복적으로 등장하다 보니, 공식을 외우는 것 자체가 밀도를 아는 것이라고 느끼기 쉬워요. 실제로는 공식보다 '단위 부피 안에 입자가 얼마나 빽빽하게 들어차 있는가'라는 의미가 밀도의 본질이에요. 공식은 그 빽빽함의 정도를 재기 위한 수단이지, 밀도의 의미 그 자체는 아니에요.
물을 얼리면 질량이 줄어들기 때문에 얼음이 물 위에 뜬다.정답 보기
X (흔한 오개념이에요)
물체가 뜨는 모습을 보면 '가벼워졌다'고 느끼기 쉬워요. 그래서 얼음이 뜨는 것을 질량이 줄어든 결과로 이해하기 쉽답니다. 실제로는 물이 얼 때 질량은 그대로이고 부피만 늘어나요. 부피가 늘어나면 같은 질량이 더 넓게 퍼지는 셈이라 밀도가 작아지고, 그 결과 얼음이 물 위에 뜨게 되는 거예요.
나머지 OX 문제와 4지선다 문제는 앱에서 풀어볼 수 있어요.
자주 묻는 질문
교육부 고시 제2022-33호 과학탐구 교육과정 기반