물질의 분류

물질의 분류 

우리 주변의 세계에서 볼 수있는 모든 대상은 물질로 만들어져 있습니다. 물질은 우리가 숨 쉬는 공기, 우리가 걷는 땅, 우리가 먹는 음식, 우리 주변에 사는 동물과 식물을 구성합니다.
심지어 우리 자신의 인체도 물질로 만들어졌습니다.
서로 다른 물제(object)는 서로 다른 유형의 물질(matter) 또는 재료(material)로 만들 수 있습니다. 예를 들어 찬장(cupboard, 물체)는 나무, 못, 힌지 (재료)로 만들어집니다. 재료의 속성은 객체의 속성에 영향을줍니다. 찬장의 예에서 나무와 금속의 강도는 찬장을 강하고 내구성있게 만듭니다. 마찬가지로 나쁜 날씨에 착용하는 비옷은 방수 소재로 만들어져 있습니다. 금속은 전기를 전도 할 수있는 재료이기 때문에 전선의 제료로 사용됩니다. 이와같이 재료의 특성을 이해하는 것이 중요합니다. 올바른 이해에 따라 가정, 산업 및 기타 응용 분야에서 각 물질을 적합하게 사용할 수 있습니다. 이 장에서는 다양한 유형의 재료와 그 속성을 살펴 보겠습니다.
아래 그림은 물질들의 특성에 따라 분류해 놓은 것입니다. 물론 이외에 더 자세히 또는 다른 방법으로 물질을 분류할 수 있으며 이러한 방법들을 소개합니다.

1 혼합물(Mixtures)

우리는 일상 생활에서 항상 혼합물을 봅니다. 예를 들어, 스튜는 고기와 채소와 같은 다른 음식의 혼합물입니다. 해수는 물, 소금 및 기타 물질의 혼합물이며 공기는 이산화탄소, 산소 및 질소와 같은 가스의 혼합물입니다.

정의: 혼합물 
혼합물은 하나 이상의 물질이 결합된 것으로 서로 묶여(binding)되어 있지 않습니다.

혼합물은 다음의 특성을 가집니다.
- 혼합물의 각 성분의 비율은 고정되어 있지 않습니다.
물 250ml가 존재하는 비이커에 모래 20, 40, 100g의 모래를 첨가한 상태는 혼합물입니다.
- 혼합물의 각 성분은 각각의 물리적 특성을 간직합니다.
물과 모래를 혼합할 경우 물, 모래의 각각의 성분은 변함이 없습니다.
- 기계적 수단에 의해 분리될 수 있습니다.
기계적 수단이라는 것은 화학반응과 관련없는 과정을 의미합니다. 물과 모래의 혼합물은 여과지(filter)를 사용하여 둘을 분리할 수 있지요.

혼합물은 그들의 성분들이 균등하게 존재하는가의 여부에 따라 분류할 수 있습니다.

1.1 비균질혼합물(Heterogeneous mixtures) 

이질적인 혼합물은 명확한 조성(composition)을 가지고 있지 않습니다.
예) 치즈, 토마토, 버섯, 고추가 섞인 피자를 생각해보십시오.
 피자를 조각낼 경우 각 조각에 있는 성분들은 다를 것입니다.
예) 암석의 일종인 화강암을 생각할 수 있습니다.
화강암은 석영과 장석을 비롯한 다양한 미네랄 물질로 이루어져 있습니다. 그러나이 미네랄은 암석을 통해 고르게 퍼져있지 않으며 암석의 일부는 다른 암석보다 더 많은 석영을 가질 수 있습니다.
예) 기름과 물의 혼합물입니다.
이들을 혼합물로 섞여 있지만 분리된 상태로 존재합니다. 그러므로 혼합물의 일부를 분리할 경우 기름과 물의 비율은 다를 것입니다.

정의 : 비균질혼합물 
혼합물내에 각 성분들이 균일하게 퍼져있지 않은 경우 

1.2 균질혼합물 

균질적 혼합물은 혼합물의 모든 부분에 각 성분들이 골고루(일정하게) 퍼져있습니다.
예) 소금물
소금이 물에 용해된 경우 소금은 물 속에 골고루 펴져 있으며 분리되지 않은 경우로 존재합니다.
예) 커피
물에 커피를 혼합하여 충분히 섞어주는 경우 커피음료는 전체의 맛이 균등합니다. 즉, 커피음료의 윗부분과 아랫부분의 맛이 일정합니다.
예) 공기
공기는 질소와 산소외에 다른 여러 물질이 결합되어 있는 상태입니다. 그러나 자연적인 상황에서 이러한 공기의 성분들은 사람들이 숨쉬면서 사는 공간에서는 일정한 비율로 구성되어 있습니다.

정의 : 균질혼합물
혼합물내에 각 성분들이 균일하게 퍼져있는 상태
합금은 대표적인 균질적 혼합물입니다.

1.3 혼합물의 분리 

- 여과(Filtration)

여과지에 의한 분리 

- 가열/증발(Heating/ evaporation)

소금물의 경우 가열에 의해 물을 증발시키면 소금만을 분리할 수 있습니다. 

- 원심분리(centrifugation)

물체를 고속으로 회전시키면 무거운 물체를 분리할 수 있습니다. 혈액은 세포와 혈장(plasma)의 혼합물입니다. 이 혈액을 튜브에 담아 고속으로 회전시키면 무거운 물질은 아래로 가변운 물질은 위로 분리가 일어납니다. 

- 투석(dialysis)

이것은 몇 가지 중요한 응용 분야에서 사용될 수 있기 때문에 혼합물을 분리하는 흥미로운 방법입니다. 투석은 확산이라는 과정을 사용하여 작동합니다. 확산은 혼합물 중 한 물질이 농도가 높은 영역에서 농도가 낮은 영역으로 이동할 때 발생합니다. 이 운동은 반투막(semi-permeable membrane)을 통해 일어납니다. 반투막 은 어떤 것들은 통과하지 못하는 장벽으로 사용되는 반면에 다른 것들은 이동 할 수 있는 막입니다. 이 과정은 신장 기능이 제대로 작동하지 않는 사람들, 신장 질환이라고 불리는 질병에 매우 중요합니다.

일반적으로 건강한 신장은 혈액에서 쓰레기를 제거합니다. 사람이 신부전을 앓게되면 신장이 더 이상 이러한 역할을 할 수 없으며 이는 생명을 위협 할 수 있습니다. 투석을 사용하면 환자의 혈액이 반투막의 한쪽면으로 흐릅니다. 다른면에는 폐기물이 없지만 사람이 필요로하는 칼륨 이온 (K +)과 같은 다른 중요한 물질이 많이 들어있는 액체가 있습니다. 혈액으로부터의 폐기물은 그 농도가 높은 (즉, 사람의 혈액에서) 멤브레인(막)의 다른면의 "깨끗한"유체로 확산된다. 칼륨 이온은 액체에서 혈액으로 반대 방향으로 움직일 것입니다. 이 과정을 통해 혈액에서 노폐물을 꺼내 건강한 상태로 유지합니다.

2 순수 물질들 : 원소와 화합물(Pure Substances: Elements and Compounds)

혼합물이 아닌 모든 물질을 순수 물질이라고합니다. 순수한 물질은 원소와 화합물을 포함합니다. 순수한 물질을 그들을 구성하는 부분으로 분해하기 위해서는 훨씬 더 어렵고 복잡한 화학적 방법이 필요합니다.

2.1 원소(element)

한 원소는 일반적인 화학적 수단으로 다른 화학 물질로 분리되거나 변경 될 수 없는 화학 물질이다. 그 원소의 최소단위는 원자(atom)입니다.

정의: 원소

화학적 방법을 통해 다른 물질로 분해될 수 없는 물질 

109개의 원소가 알려져있습니다. 이들이 대부분은 자연적으로 생성된 것이지만 인위적으로 만들어진 것도 있습니다. 우리가 아는 원소들은 주기율 표로 확인할 수 있으며 이들은 화학적 기호로 표현됩니다. 원소의 몇가지 예로;
마그네슘(Magnesium, Mg), 수소(Hydrogen, H), 산소(Oxygen, O), 탄소(Carbon, C)
이들은 영문자의 축약어로 나타나기 때문에 Mg, H등의 화학적 기호로 그 명칭을 추론할 수 있지만 그렇지 않은 경우도 있습니다. 예를들어 철(iron)은 Fe로 표현됩니다. 이는 라틴어 ferrum에서 유래되었기 때문이지요. 이러한 예로서 Na은 라틴어인 natrium, 금을 나타내는 Au는 aurum에서 유래되었습니다.

2.2 화합물 

화합물은 두개 이상의 원소들이 고정된 비율로 결합된 때 형성되는 화학물질입니다.
예) H2O : 2개의 수소원자와 1개의 산소원자의 결합
NaCl : 1개의 염소원자와 1개의 나트륨 원자의 결합
화합물의 중요한 특성은 화합물 내의 각 원자의 조성의 비를 표시하는 화학식(chemical formula)로 표현된다는 것입니다.

정의: 화합물(compound)
두개 이상의 원소들이 고정적인 비율로 결합되어 구성된 물질 

다음 그림은 철(Fe)과 황(S) 원자에 대한 혼합물과 화합물을 나타낸 것입니다. 실온에서 두 원소를 혼합할 경우 그림 (a)와 같이 두 원소는 결합 없이 혼합물의 형태로 존재하지만 일정한 온도로 가열한 후 두 원소는 FeS의 화합물 형태로 존재합니다. FeS는 Fe:S가 1:1의 비율로 결합된 형태입니다.

2.3 화합물의 이름과 화학식

1) 화합물은 일정한 비율로 2개이상의 원소가 결합된 형태를 나타냅니다. 대부분의 화합물 이름에는 결합된 모든 원소 이름이 포함됩니다. 이러한 경우 마지막 원소어미를 -ide로 대체하여 사용합니다. (한국어로는 역순이 됩니다. )
FeS: iron + sulfur → iron sulfide(황화 철)
KBr: potassium + brome → potassium bromide (브롬화 칼륨)
NaCl: sodium + chlorine → sodium chloride(염화 나트륨)

2) 위와같이 화합물의 명칭에 어떤 원소를 먼저 사용할까요? 주기율표 상에서 왼쪽에 있는 원소를 첫번째로 사용합니다.
위의 화학식은 화합물을 구성하는 원소들과 결합비를 나타냅니다. FeS의 경우 Fe:S=1:1로의 비로 결합되어있음을 나타냅니다.
화합물은 화합물 이온들을 포함합니다. 일반적으로 화합물이온들과 이름을 나타내면 다음과 같습니다.
탄산염(Carbonate) : $CO^{2-}_3$
황산염(sulphate) : $SO^{2-}_4$
수산화물(Hydroxide): $OH^{-1}$
암모늄(Ammonium): $NH^+_4$
질산염(Nitrate): $NO^-_3$
탄산수소(Hydrogen carbonate) : $HCO^-_3$
인산염(Phosphate) : $PO^{3-}_4^
염소산염(Chlorate) : $CLO^-_3$
시안화염(Cyanide): $CN^-$
크로메이트염(Chromate): $CrO^{2-}_4$
과망간산염(Permangnate): $MnO^-_4$

3) 두개의 원소로 구성된 화합물의 접미어는 -ide가 됩니다.
비금속이 산소와 결합할 경우 음이온(anion, negative ion)이 되고 수소 또는 금속과 결합하여 양이온(cation, positive ion)이 됩니다.  이 경우 화합물은 -ite 또는 -ate의 접미어를 갖습니다. 예를 들어 음이온인 $NO^-_3$는 $HNO_3$와 같이 수소와 결합할 수있으며 $KNO_3$와 같이 금속과 결합할 수 있습니다.
화합물의 이름에서 mono(one), di(two), tri(three)와 같은 접두어를 사용하여 구성비를 나타내는 경우도 있습니다.
CO carbon monoxide C하나와 O하나의 결합
$NO_2$ nitrogen dioxide : N 하나와 O 2개의 결합
$SO_3$ sulfur trioxide: S 하나와 O 3개의 결합

4) 화학식을 사용할 경우 화합물을 구성하는 각 원소의 갯수는 원소의 기호에 아래첨자에 나타냅니다. 예를 들어 $H_2O$의 경우 2와 같이 나타냅니다. 이와는 다르게 화합물 앞에 숫자를 나타내는 경우가 있습니다. 즉, $2H_2O$와 같은 경우 앞의 숫자 2는 화합물 $H_2O$(물 분자) 두개를 의미합니다.

3. 금속, 준금속(반도체), 비금속

주기율표의 원소들은 금속, 준금속, 비금속(metals, semi-metals, non-metals)로 구분할 수 있습니다.
주기율표 참조 

3.1 금속 

Cu(copper), Zn(Zinc), Au(Gold), Ag(Silver) 등이 금속의 예입니다.  주기율표상에 가장 많은 원소를 가집니다.
특성
• 열 전도체
금속은 열전 도성이 뛰어나므로 냄비와 프라이팬 같은 조리기구에 사용됩니다.
• 전기 도체
금속은 전기 전도성이 뛰어나므로 전기 전도 선에 사용됩니다.
• 반짝이는 금속 광택
금속은 반짝이는 외관을 지니며 보석을 만드는 데 종종 사용됩니다.
• 가단성
이는 깨지 않고 구부러질 수 있음을 의미합니다.
• 연성
금속은 구리와 같은 얇은 와이어로 뻗어 전기를 전달하는 데 사용할 수 있습니다.
• 녹는 점
금속은 일반적으로 높은 융점을 가지므로 요리 냄비와 기타 장비를 손상시키지 않고 매우 뜨거워야 할 필요가 있는 물품을 만드는데 사용됩니다.

3.2  비금속

금속과는 달리 열의 전도율이 매우 낮고 전기는 흐름을 막는 절연체로 사용됩니다. 또한  구부릴수도 없고 얇게 할 수도 없습니다. S(황), P(인), N(질소), O(산소)등이 포함됩니다.

3.3 준금속 

준금속은 대부분의 비금속적인 특성을 가집니다. 그러나 가열함에 따라 열전도율의 증가는 독특한 성질을 가집니다. 이러한 성질은 금속에서 일어나는 특성과는 반대됩니다. Si(실리콘), Ge(게르마니윰)등이 준금속에 포함됩니다.

4.전도체, 반도체, 절연체(Electrical conductor, semi-conductor, insulator)

전도체 : 전기를 통과시킬 수 있는 물질
금속은 전도체로 사용됩니다. 그러나 비전도체인 비금속 역시 좋은 전도체로 사용될 수 있습니다. 비금속의 경우는 금속과는 다른 방식으로 전기를 옮길 수 있습니다.
구리는 전선으로 매우 널리 사용됩니다. 은이 구리보다는 높은 전기전도성을 보이지만 높은 가격으로 특별한 경우에 만 사용됩니다. 알루미늄은 높은 전도성과 함께 부식 이나 외부 강도등에 매우 강하기  많은 부분에서 사용됩니다. 때때로 금이 전도체로 사용되기도 합니다. 금은 구리보다 낮은 전도성을 가지지만 부식에 강한 특성을 가집니다. 부식은 공기중에 포함된 산소와 물등과의 화학적 반응에 의해 유발되며 금속의 특성을 매우 악화시킬 수 있기 때문에 전기 전도를 유지하는데 있어 자체의 전도성 뿐만아니라 부식에 대한 저항성 역시 중요합니다.

절연체: 전기 또는 에너지의 이동을 막는 물질
대표적인 예로 플러스틱과 나무가 있습니다. 일반적으로 전기선이 플라스틱 물질로 마감되는 이유입니다.

반도체 : 추울때 절연체로 작용하지만 높은 온도에서는 전도체로 사용되는 물질

열전도체 : 전도체와 유사한 개념으로 물질 자체의 움직임 없이 열의 형태로 에너지를 이동시킬 수 있는 물질
예로 뜨거운 물에 금속 스푼과 플라스틱을 만든 스푼을 담글 경우 금속스푼이 플라스틱 스푼보다 매우 빨리 뜨거워 집니다. 즉, 금속은 좋은 열전도체이지만 플라스틱은 그렇지 못합니다.

5. 자기성과 비자기성 물질 (Magnetic and non-magnetic material) 

금속을 그룹화하는 방법 중의 하나로 물질의 자기성을 기준으로 할 수 있습니다.
정의: 자기성 
자기성은 한 물질이 다른 물질을 끌어들이거나 배척하는 현상 중의 하나입니다. 
금속이 자기성을 가진다면 (즉, 자석으로 제조 될 수 있다면) 강자성이라고 합니다. 자석을 금속 물체에 매우 가까이 붙이면 자기장이 유도되고 물체가 자성을 가질 수 있습니다. 일부 금속은 다른 것들보다 자력을 오래 유지합니다. 예를 들어 철(iron)과 강철(steel)을보십시오. iron을 자석에서 분리되면 그것의 자기력을 아주 빨리 잃어 버립니다. 반면에 steel(스틸)은 장시간 동안 자기 상태를 유지합니다. steel은 종종 다양한 용도로 사용할 수있는 영구 자석을 만드는데 사용됩니다.
자석은 정보를 저장해야하는 비디오 테이프 및 ATM 카드의 마그네틱 스트립, 컴퓨터 및 TV, 발전기 및 전기 모터에서 방향을 찾기 위해 금속성 재활용 물질을 분리하기 위해 사용됩니다.