물질의 분리

우리 주변에서는 여러 가지 물질의 변화가 일어난다. 가장 흔하게 볼 수 있는 철들의 부식이나 사람의 노화 등 이러한 변화에 대해서 이해하기 위해서는 물질이 어떠한 구성으로 이루어져 있는지 알고 있어야 한다. 물질의 정의를 따져보면, '공간을 차지하고 질량을 가진 모든 것'으로 정의할 수 있다. 물질은 우리 세상 자체를 구성하고 있는 구성요소라 볼 수 있다. 그렇기에 물질은 단순하게 구성될 수 없으며 매우 복잡한 구성을 이루고 있으며 여러 가지 체계를 지니고 있다. 자 그럼 기본적인 것부터 시작하겠다. 모두 다 알고 있을 거라 생각하지만 단순하게 고체, 액체, 기체의 세 가지 상태로 이루어져 있다. 고체는 일정한 부피와 형태를 지니며 단단하다는 특징을 지니고 있다. 액체는 일정한 부피를 지니고 있으나 담는 용기에 따라 형태가 바뀌게 된다. 기체는 부피와 형태 모두 일정한 양상이 존재하지 않으며 담는 용기에 따라 그 부피와 형태가 정해지게 된다. 고체와 액체와 다르게 기체는 압축하기 매우 편리하며, 따라서 부피를 쉽게 줄일 수 있어 우리 일상에서도 많이 사용한다. 예시를 하나 들어보자. 물은 우리 주변에서 가장 친숙하게 볼 수 있는 물질 중 하나이다. 우선 물은 고체 형태로 얼음으로 존재한다. 액체로는 물, 기체는 수증기로 존재하게 된다. 이러한 변화는 분자 간의 거리를 통해 결정되게 된다. 우리 주변에 존재하는 물질들은 거의 혼합물이라고 볼 수 있다. 그냥 혼합물이 아닌 순물질 간의 혼합물이다. 예를 들면 나무, 흙, 공기 등이 있다. 혼합물의 특징은 여러 구성은 가질 수 있다는 것이다. 토양이 우리가 사는 지역마다 다르고 공기의 질이나 나무의 형태가 각기 다른 것을 보면 알 수 있다. 혼합물은 크게 균일 혼합물과 불균일 혼합물로 나눌 수 있다. 여기서 균일 혼합물은 용액이라고 부른다. 사실 용액이라고 한다면 대부분 실험실에서 사용하는 약품을 생각했겠지만 공기 자체도 여러 기체의 혼합물이기에 공기 또한 용액이라고 부른다. 술 또한 액체 용액이며, 합금 같은 경우도 고체로 이루어진 용액이라고 볼 수 있다. 불균일 혼합물은 감이 잘 오지 않을 텐데 우리가 음료수에 얼음을 넣어 마시는 경우도 불균일 혼합물이다. 불균일 혼합물은 두 가지 이상의 균일 혼합물로 구분할 수 있는 특징을 지니고 있는데, 얼음 아이스티를 예시로 들면 얼음과 아이스티를 분리해 두 가지의 순물질 또는 균일 혼합물로 분리할 수 있다. 혼합물은 물리적인 방법을 이용해서 순물질로 분리가 가능한데, 순물질이 일정한 구성을 지니고 있기 때문이다. 우리 주변에서 가장 친숙한 물로 예시를 들어보자. 물은 분자 1가지로만 구성이 되어있지만 볼 수 있는 물은 대부분 다른 물질들과 함께 섞여 있는 혼합물의 형태이다. 바닷물을 예시로 들어보자. 바닷물에는 물 뿐만 아니라 많은 양의 소금, 무기물 등이 매우 많이 들어있다. 바닷물을 끓이게 되면 수증기가 증발해 순수한 물로 분리할 수 있다. 또한 바닷물을 얼려도 순수한 물만 따로 분리할 수 있다. 이러한 끓이고 얼리는 과정을 물리적 과정이라고 한다. 물을 얼리거나 끓이면 상태만 변할 뿐 물은 그 상태로 남아있으며, 분자가 바뀌는 것이 아닌 분자 구조가 변화하는 것이다. 따라서 화학적 구성은 여전하게 존재하며 혼합물을 순수하게 분리는 가능하다. 하지만 이러한 분자를 또다시 쪼개 원자로 바꾸는 것은 불가능하다. 우리가 대부분 사용하는 성분 분리 방법은 여러 가지가 있지만 증류를 소개해 보겠다. 증류란 성분마다 휘발성이 다름을 이용한 방법이다. 증류를 위해서는 특별한 장치가 필요한데, 이 장치에서 혼합물을 가열하면 휘발성이 가장 큰 성분이 처음에 증발하며 이렇게 증발한 기체는 냉각기를 통해 액체로 바뀌게 된다. 하지만 증류를 이용한 경우는 휘발성이 있는 성분이 하나만 있어야 한다. 따라서 여러 가지의 성분이 휘발성이 있는 경우에는 증류로는 순물질을 얻을 수 없고, 다른 방법이 필요하다. 그래서 우리는 여과라는 방법을 사용한다. 여과는 고체와 액체가 섞인 경우에 사용하는데, 거름종이에 붓게 되면 고체와 액체가 분리된다. 세 번째 방법으론 크로마토그래피라는 방법이 있다. 이 방법은 이동상과 고정상을 사용하여 분리하는 방법이다. 이동상과 고정상이라는 용어가 생소할 수 있는데, 이동상은 우리가 분리하고자 하는 물질들을 움직이는 역할을 하는 것이며, 고정상은 분리를 일으키는 물질을 뜻한다. 여기서 이동상은 고체, 고정상은 액체, 기체이다. 혼합물을 통과시키면 서로 다른 물질은 각기 다른 속도로 움직이게 되며, 이동상과 친화력이 큰 고체 같은 경우 빠르게 통과하게 되지만 고정상과 친화력이 큰 액체 및 기체는 매우 느리게 통과하게 되어 분리되는 것이다. 그래서 실험실에서 크로마토그래피를 이용하는 방식은 주로 종이 크로마토그래피를 길게 자른 후 끝에 용액 한 방울을 떨구고 이 종이의 끝을 액체에 담그게 되면 액체는 종이를 따라 올라가게 되고 한 방울에 담겨 있는 혼합물은 순물질들로 분리가 된다. 이러한 방법을 사용하더라도 혼합물 분리에서는 완전히 순수한 성분을 얻는 것은 거의 불가능에 가깝다. 순물질은 또한 화학적 변화를 이용해 또 다른 원자로 쪼갤 수 있다. 예를 들어 물에 전류를 흘리게 되면 물이 전기분해가 일어나게 되면서 수소와 산소로 쪼개지게 된다. 화학적 변화란 물질이 또 다른 물질, 완전히 다른 물질로 변하는 경우를 뜻한다. 원자는 더 이상 쪼갤 수 없는 상태를 뜻하는 것이며 이 글에서는 우리 주변 물질들의 구성 체계에 대해 말해보았다. 물론 원자의 정의가 더 이상 쪼갤 수 없다고는 하지만 원자의 내부구조에는 또 다른 구성 요소들이 존재하고 있다.