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학습자료/과학

과냉각 액체

대한민국 교육부 2015. 8. 17. 13:15

과냉각 액체

 

 

물질은 기본적으로 고체, 액체, 기체로 구분할 수 있습니다. 그렇다면 유리컵, 유리창 등에 널리 사용되는 유리는 어디에 해당될까요? 많은 친구들이 아마도 고체라고 대답할 것입니다. 유리는 과연 고체일까요? 고체와 액체를 구분하는 가장 기본적인 조건은 유동성, 즉 물질이 물처럼 흐르는지의 여부에 있습니다. 유동성이 있으면 액체, 전혀 없다면 고체인 것이지요. 하지만 이 기준으로 설명하지 못하는 물질들도 있습니다. 바로 과냉각 액체라는 물질입니다. 과냉각 액체는 쉽게 말해 고도의 점성을 지닌 액체입니다. 유리가 바로 여기에 속하는데 상온에서의 유리는 누가 봐도 고체처럼 보이지만 실제로는 유동성을 갖춘 액체입니다.

 

 

유리는 액체 상태의 물질이 빠르게 냉각되면서 끈적끈적해지다가 굳어져서 만들어진 것입니다. 그래서 고체와는 달리 유리를 이루는 알갱이들이 불규칙하게 결합되어 있습니다. 이것은 액체 유리가 빨리 냉각되면서 유리를 이루는 알갱이들이 규칙적인 결정을 이루지 못했기 때문인데, 이런 상태를 과냉각된 액체라고 합니다. 따라서 유리는 고체처럼 보이지만 액체입니다. 그럼 유리가 정말 액체인지 유리잔 만드는 과정을 함께 살펴보도록 할까요?

 

 

 ※ '유리잔 만드는 과정' 영상 보기: http://goo.gl/u4TxT7

 

 

고체는 일반적으로 고정된 규칙적인 결정 구조를 지니고 있는 반면 유리를 포함한 과냉각 액체에는 고정된 결정 구조가 없어 이로 인해 유리는 시간이 흐르면 조금씩 흘러내리게 됩니다. 실제 수백 년 이상의 역사를 가진 유럽의 성당에 가서 유리창을 보면 상단부와 하단부의 두께가 다른 것을 확인할 수 있습니다. 상단부는 다소 얇고 하단부는 다소 두꺼운데, 이는 상단의 유리가 하단으로 흘러내렸음을 입증하는 증거입니다. 흘러내리는 데 아주 오랜 시간이 걸려서 쉽게 알아채기 어려운 것일 뿐 유리는 지속적으로 흘러내리고 있답니다. 이 점에서 유리는 고체라기보다는 액체라고 할 수 있습니다. 단지 유리의 특수성을 감안하여 비정질 고체라고 불리기도 한답니다.

 

 

▲비정질 고체 - 사탕(출처: 에듀넷)

 

그렇다면 주스처럼 액체도 아니고, 사탕처럼 고체도 아닌 젤리는 액체일까요? 고체일까요? 우리는 물질을 상태에 따라 기체와 액체, 고체로 나눈다고 배웠습니다. 그런데 젤리와 같은 물질은 물보다는 딱딱하지만 고체보다는 딱딱하지 않고 흐물흐물 거립니다. 이런 상태는 액체와 고체 중 어디에 속하는 걸까요?

 

▲일상생활에서 볼 수 있는 콜로이드 상태의 물질(출처: 에듀넷)

 

말랑말랑 젤리는 가만히 두면 그 모습 그대로를 유지하지만 약한 힘에 의해서도 모양이 변합니다. 고체라고 하기에는 움직임이 너무 자유롭고 액체라고 하기에는 형태가 어느 정도 고정되어 있는데, 이렇게 액체와 고체 상태의 특성을 동시에 나타내는 물질을 가리켜 ‘콜로이드 상태’에 있다고 말합니다.

 

콜로이드는 아주 미세한 입자들이 액체 속에 완전히 녹지 않고 균일하게 퍼져 있는 상태로 졸과 겔로 구분됩니다. 그럼, 졸과 겔이라는 것은 무엇일까요? 물의 함량이 비교적 적어 반고체 상태인 것을 ‘겔(gel)’이라 하고, 물의 함량이 많아 액체 상태인 것을 ‘졸(sol)’이라고 하는 것이지요. 달걀로 예를 들면 날달걀의 흰자는 액체에 가까운 졸 상태, 삶은 달걀의 흰자는 고체에 가까운 겔 상태입니다.

 

▲콜로이드의 졸 상태와 겔 상태(출처: 에듀넷)

 

 

[자료출처: 에듀넷]

 

 


 

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