액체의 부피를 측정하는 방법은?

액체의 부피를 

측정하는 방법은? 

 

■ 액체란?

기체의 온도가 낮아지면 에너지를 잃고 물질을 이루고 있는 입자들이 자유롭게 움직이지 못하고 서로 묶여 있는 상태로 변합니다. 반대로 고체의 온도가 높아지면 에너지를 얻고 서로 묶여 있던 입자들이 적당한 내부 에너지에 의해 끊임없이 자리를 맞바꿀 수 있어 그것을 담고 있는 용기에 따라 모양이 달라집니다. 이러한 물질의 한 상태를 액체라고 합니다. 

 

액체는 입자들끼리 충분히 가까이 있어서 압력이 변하더라도 그 부피가 거의 변하지 않습니다. 하지만 액체를 가열하여 온도를 높이게 되면 특정한 온도를 유지하면서 기체로 변합니다. 이때 온도를 액체의 ‘끓는점‘이라 합니다. 이는 기체가 액체로 변화하는 액화가 일어나는 온도와 같고, 물질마다 다른 끓는점을 가지고 있습니다. 단, 같은 물질이라도 압력에 따라 끓는점은 달라집니다. 예를 들어 물의 경우 1기압에서는 100°C 지만, 10기압에서는 끓는점이 약 197°C 나 됩니다. 그래서 기압이 낮은 높은 산에서 밥을 하게 되면 물이 낮은 온도에서 끓게 되어 밥이 설익게 됩니다.

 

 

■ 온도와 압력에 따른 액체의 부피

액체는 담는 그릇에 따라 모양은 달라지지만, 부피는 일정하기 때문에 기준이 되는 그릇에 액체를 담으면 부피를 측정하고 비교할 수 있습니다. 액체는 압력에 의해서 부피가 거의 변하지 않습니다. 주사기 속에 물을 채워 넣고 피스톤을 누르면 피스톤은 거의 움직이지 않는다는 것을 볼 수 있습니다. 하지만 액체를 가열하면 부피가 변합니다. 물이 가득 채운 시험관에 유리관을 꽂고, 시험관을 가열하면 물이 가열되면서 유리관 속의 물기둥의 높이가 높아지는 것을 볼 수 있습니다. 이것은 물이 가열되면서 그 부피가 늘어났기 때문입니다. 

시험관을 다시 식히면 물기둥의 높이는 다시 낮아지게 됩니다. 이처럼 액체의 부피는 모양이 변해도 그 크기는 일정하지만, 온도가 변하면 부피가 변하게 됩니다. 이런 원리로 우리가 사용하는 온도계 또한 온도에 따라 액체의 부피가 변하는 성질을 이용하여 만든 것입니다.

 

■ 액체의 부피 측정 도구

눈금 실린더는 ‘메스실린더’라고도 하며 액체의 부피를 재는 데 쓰이는 도구로 길쭉하고 좁은 원통 모양입니다. 눈금 실린더에는 눈금과 숫자가 표시되어 있어 부피를 정확하게 측정할 수 있습니다. 눈금 실린더를 사용할 때는 측정하려는 부피보다 용량이 큰 눈금 실린더를 준비해야 합니다. 그리고 측정하고자 하는 액체를 눈금 실린더에 붓습니다. 눈금 실린더를 평평한 곳에 놓고, 몸을 낮추어 액체의 높이와 눈의 높이를 맞추고, 액체의 오목한 면의 눈금을 읽습니다. 눈금이 있는 기구는 열을 받으면 유리에 변형이 와서 눈금이 달라질 수 있으므로 뜨거운 액체를 사용할 경우, 조심해야 합니다. 

눈금 실린더에 물을 넣고 눈금을 읽을 때 자세히 보면, 물의 표면이 평평하지 않고 아래로 오목한 모양인 것을 볼 수 있습니다. 하지만 눈금 실린더에 수은을 넣고 보면 수은의 표면은 반대로 위로 볼록한 모양입니다. 물과 수은의 표면의 모양이 다른 것은 물질 사이의 서로 끌어당기는 힘 때문입니다. 서로 같은 물질 사이에 끌어당기는 힘을 ‘응집력’이라고 하고 서로 다른 물질 사이에 끌어당기는 힘을 ‘부착력’이라고 합니다. 물의 경우에는 물 분자들끼리 서로 잡아당기는 응집력이 눈금 실린더의 벽면과 물 사이에 끌어당기는 힘인 부착력보다 더 작습니다.

 

따라서 물이 눈금 실린더의 유리 벽면에 끌려가기 때문에 가운데가 오목한 모양이 됩니다. 반대로 수은은 수은 분자 사이의 응집력이 수은과 유리 벽면 사이의 부착력보다 크기 때문에 가운데가 볼록하게 됩니다. 눈금을 읽을 때 물과 같이 표면이 오목한 경우에는 아랫부분의 눈금을 읽습니다. 그리고 수은과 같이 표면이 볼록한 경우에는 윗부분을 읽습니다. 우리가 평소에 온도를 읽을 때 사용하는 온도계에는 알코올과 수은을 이용한 것이 있습니다. 알코올 온도계는 오목한 부분의 눈금을 읽고 수은 온도계는 볼록한 부분의 눈금을 읽습니다.

액체의 부피를 측정하는 기구 중에서, 뷰렛은 일정한 부피의 액체를 떨어뜨리기 위해서 사용합니다. 뷰렛은 두께가 일정한 긴 유리관에 한 쪽 끝은 뚫려 있고 한 쪽 끝은 뾰족하게 되어 있습니다. 뾰족한 쪽에 콕을 달아 떨어뜨리는 양을 조절할 수 있습니다. 뷰렛에는 균등한 눈금 선이 새겨져 있는데 보통 25mL 또는 50mL의 것이 많으며 0.1mL 단위로 나눠서 눈금을 표시해 놓아 맨눈으로 측정하였을 때 0.01mL까지 읽을 수 있습니다.

▲ 뷰렛(출처: 에듀넷)

피펫은 일정한 부피의 액체를 측정하거나 꺼내어 다른 용기에 옮길 때 사용합니다. 피펫은 보통 유리로 만들지만, 플라스틱으로 만들기도 하며 피펫은 시약을 흡입할 수 있도록 힘을 주는 피펫 필러를 끼워서 사용하게 됩니다. 피펫에는 홀 피펫, 눈금 피펫, 마이크로 피펫이 있습니다. 홀 피펫은 눈금 선이 하나 그어져 있어 10mL, 15mL 등 일정량의 액체를 취할 수 있습니다. 눈금 피펫은 유리관에 눈금이 세밀하게 그어져 있어 눈금의 범위 안에서 원하는 부피를 취할 수 있습니다. 마이크로 피펫은 일반 피펫보다 훨씬 적은 양을 정확하게 원하는 만큼 취할 수 있습니다. 홀 피펫은 일정량을 정밀하게 측정할 수 있고 눈금 피펫은 원하는 부피를 취할 수 있습니다. 그리고 마이크로 피펫은 미세한 양을 다루는 실험에서 사용될 수 있다는 장점이 있습니다.

▲ 피펫의 모습(출처: 에듀넷)

[자료출처: 에듀넷]