물질

 어떤 것이 무엇으로 구성되어 있는지, 세상 만물을 구성하는 근본 물질(원소)에 대한 나름대로의 설명을 고대 그리스 과학자, 철학자들은 의문을 가졌었다. 이를 설명하기 위해 기원전 600년경 탈레스Thales는 '만물은 물에서 변하거나 분화되어 생겼다'고 생각하고, 아낙시메네스Anaximenes는 만물의 근원은 공기, 헤라클레이토스Herakleitos는 불이라고 생각했다. 기원전 450년경 엠페도클레스Empedocles는 만물을 구성하는 원소는 공기, 물, 흙, 불로써 4가지로 구성되어 있다고 했다. 이 4원소는 변하지 않고, 모든 물질은 4가지 원소를 각각 다른 비율로 가지고 있다고 설명했다.

 기원전 460년경 데모크리투스Democritus는 원자론의 아버지로 모든 물질의 궁극적인 성분에 관심을 가졌다. 만약 구리 조각을 점점 작게 잘라나간다면 더이상 자를 수 없는 구리조각에 이르게 될 것이다. 즉 물질은 궁극적으로 눈에 보이지 않는 입자로 되어 있고 그 입자들 사이에는 빈 공간(진공)이어야 한다고 했다. 데모크리투스는 더이상 자를 수 없는 입자를 원자atom(그리스어 : atomos '자를 수 없는')라고 불렀다.  그는 진공 때문에 원자들은 떨어져 있고 돌아다닐 수 있다고 하였다. 그는 자연계의 변화는 원자들의 결합과 분리에 불과하며, 워낮들이 다른 원자에 결합되거나 다른 원자가 떨어져나감으로써 물질이 변한다고 설명하였다. 물질에서 우리가 느끼는 차이는 원자들의 종류와 위치의 차이에 불과하다는 것이 그의 설명이다.

 하지만 아리스토텔레스Aristotle는 '진공'이 존재하는 것이 불가능하다고 하였고, 아리스토텔레스의 영향 때문에 원자 개념은 2천년 동안 묻혀있었다.

 17세기가 되서 영국의 과학자 보일Robert Boyle이 원소가 '간단한 구조'로 되어 있고, 이들이 모이고 화합하여 물질을 만든다고 하였다.

그리고 무엇보다도, 만일 지금 내가 엄격하게 나의 반려자들을 다뤄야한다면, 나는 여기서 주저 없이 흔히 혼합물이라 부르는 물체들이 흙, 공기, 물, 불(이것들은 일반적으로 원소라고 불린다)로 이루어져 있다는 것을 증명하기 위해 그들이 채택한 바로 그 증명 방법에 의문을 제기할 것이다.

로버트 보일, <회의적인 화학자, The Sceptical Chemist>

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 물질은 크게 원소, 화합물, 혼합물 세 종류로 나눌 수 있다. 원소element는 물질의 가장 단순한 형태이며, 독특한 물리적, 화학적 성질을 가진다. 원소는 한 종류의 원자로만 이루어진다. 따라서 물리적이나 화학적인 방법으로 더이상 간단한 형태의 물질로 쪼갤 수 없다. 원소는 순물질pure substance, substance의 한 종류로 그 조성이 일정한 물질이다. 각 원소는 수소, 금, 염소 등과 같은 이름을 가지고 있다. 금 시료는 금 원자로만 이루어져 있고, 금의 거시적 성질인 색, 밀도, 연소성들은 염소와 다르다. 각 원소는 그 원자의 성질이 독특하기 때문에 독특한 것이다.

 천연에서 대부분의 원소는 원자들의 집합으로 존재한다. 헬륨, 네온과 같은 비활성 기체는 원자 그 자체가 원소인 기체이다. 또 어떤 원소는 둘 이상의 원자들이 화학적으로 결합하여 만들어진 독립적인 구조 단위인 분자molecule로 존재한다. 

 화합물compound는 서로 다른 두개 이상의 원소들이 화학적으로 서로 결합하여 만들어진 물질이다. 암모니아, 물, 이산화탄소는 우리 주위에서 흔히 볼 수 있는 화합물이다. 화합물들은 원소들이 질량으로 일정한 부분만큼 존재하는데, 이러한 일정한 조성으로 화합물은 순물질에 포함된다. 즉, 화합물 분자는 일정한 수의 조성 원자로 구성되어 있기 때문에 구성 성분의 질량도 일정하다.
 화합물의 또 다른 특징은 화합물의 성질은 화합물을 이루는 구성 원소의 성질과 다르다는 것이다. 성질이 다른 것은 아래의 표로 나타냈다.

성질	나트륨(소듐)	+	염소	→	염화 소듐(소금)
녹는점	97.8℃		-101℃		801℃	
끓는점	881.4℃		-34℃		1413℃
색	은빛		녹황색		무색

 혼합물mixture는 둘 이상의 물질들이 물리적으로 섞여있는 것을 의미한다. 화합물과는 다르게 혼합물의 성분들은 포함되어 있는 정도가 다를 수 있다. 그 조성이 고정되어있지 않기 때문에 혼합물은 순물질이 아니다. 염화 소듐인 소금과 물을 섞어 소금물을 만든다면, 어떻게 섞는지에 따라 농도가 다른 소금물 용액을 만들 수 있다. 원자 수준에서 혼합물은 단순히 그 성분 원소 혹은 화합물을 만드는 각 단위의 모임일 뿐이고 혼합물은 그 성분의 성질을 거의 우지한다.
 혼합물을 분리할 때는 화학적 반응을 일으킬 필요 없이, 끓는점 차이를 이용한 증류 또는 용해도 차이를 이용한 재결정등의 물리적인 변화를 통해 할 수 있다.

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 질량 보존의 법칙 Law of the mass conservation

 물질의 조성을 설명하는 모형은 18세기 말 확립된 두가지 매우 중요한 관찰인 질량 보존의 법칙과 일정 성분비 법칙을 설명할 수 있어야 했다. 먼저 질량 보존의 법칙부터 보도록 하자.

 18세기말의 가장 근본적인 화학적 관찰은 화학 반응 중 물질의 총 질량은 변하지 않는다는 질량 보존의 법칙Law of the mass conservation이다. 이 법칙은 프랑스의 화학자인 라부아지에Antoine Lavoisier가 수은과 산소를 반응시키기 전의 질량과 반응 후의 질량이 같다는 것을 발견하면서 확립되었다. 물질의 개수는 변할 수 있고, 화학적 변화의 정의에 따라 각각의 성질은 변해야하지만, 물질이 총 양은 일정하다는 것이다.

질량 보존의 법칙은 모든 화학적 경험에 근거해서 물질은 만들어지지도 사라지지도 않는다는 것이다.

 또 다른 가장 근본적인 화학적 관찰은 그 근원이 무엇이든 간에, 특정한 화합물은 같은 원소가 같은 질량비로 구성된다는 일정 성분비의 법칙Law of definite proportions이다. 일정성분비의 법칙은 정비례의 법칙이라고도 부른다. 1799년 프랑스의 화학자 프루스트Joseph Louis Proust가 프랑스 전역에서 산출되는 염기성 탄산구리 CuCo₃·Cu(OH)₂의 구성 성분을 조사하고 실험적에서 인공적으로 만들어진 것과 비교하여 탄소 산소 구리 수소의 비율이 일정하다는 것을 발견하였다.

 일정성분비의 법칙의 예로 질량 1의 수소가 산소와 반응할 때는 언제나 질량 8의 산소가 반응한다는 것이다. 물 45g에서 수소는 5g, 산소는 40g이 되어 두 비는 언제나 1:8로써 일정하다.


 이러한 두 중요한 법칙으로 1808년 돌턴Dalton이 <화학 철학의 새로운 체계A New System of Chemical Philosophy> 에서 원자 이론을 제시하게 된다.