고체·액체·기체 속의 입자
30 °C 공기 속 질소 분자는 초속 약 519 m로 움직입니다. 여객기보다 빠릅니다.
끌어서 돌리고, 휠이나 두 손가락으로 확대하세요.
유리컵에 물을 부으면 물은 바닥으로 내려가 평평한 수면을 이루며 자리를 잡습니다. 그런데 같은 물을 끓이면 수증기가 방 안 전체로 퍼져 나갑니다. 이때 그런데 이때 물 분자 자체는 조금도 바뀌지 않았습니다. 얼음 속에서도, 물속에서도, 수증기 속에서도 H₂O는 똑같은 H₂O입니다. 달라지는 것은 세 가지입니다. 분자들이 서로 얼마나 떨어져 있는지, 서로를 얼마나 세게 붙잡고 있는지, 그리고 얼마나 빨리 움직이는지입니다. 이 페이지의 입자 모형은 세 상태 모두에 똑같이 40개의 입자를 그려서, 여러분이 상태끼리 바로 비교할 수 있게 했습니다.
세 상태를 나란히 보면
| 상태 | 입자 | 모양과 부피 |
|---|---|---|
| 고체 | 규칙적으로 빽빽함, 제자리에서 떨림 | 자기 모양과 부피, 눌러도 거의 안 줄어듦 |
| 액체 | 빽빽하지만 불규칙, 서로 미끄러짐 | 모양은 그릇을 따르고 부피는 유지, 거의 안 줄어듦 |
| 기체 | 멀리 떨어져 곧게 날아감 | 그릇을 채움, 누르면 크게 줄어듦 |
고체와 액체의 입자는 이미 서로 닿아 있습니다. 그래서 더 세게 눌러도 입자들을 훨씬 더 가깝게 밀어붙일 수는 없습니다. 유압 잭이 기름의 부피가 줄어들지 않은 채로 미는 힘을 그대로 전달할 수 있는 것도 이 때문입니다. 반면 기체는 부피의 대부분이 분자 사이의 빈 공간입니다. 그래서 자전거 펌프로 공기를 눌러 타이어 속에 밀어 넣을 수 있습니다. 분자 사이에 작용하는 힘을 알면 액체가 왜 방울을 이루고 고체가 왜 모양을 지키는지도 설명할 수 있습니다. 두 상태 모두에서 입자들은 흩어지지 않고 함께 붙어 있을 만큼 서로를 세게 끌어당깁니다. 그러나 기체에서는 입자가 너무 빨리 움직이고 서로 너무 멀리 떨어져 있어서, 그 끌어당기는 힘만으로는 입자들을 붙잡아 둘 수 없습니다.
물은 보통의 규칙을 벗어납니다
대부분의 물질은 고체가 액체보다 밀도가 큽니다. 그래서 고체 조각을 같은 물질이 녹은 액체에 넣으면 가라앉습니다. 그런데 물은 다릅니다. 0 °C인 액체 물의 밀도는 0.99987 g/cm³인데, 이 물이 얼면 밀도가 약 9% 줄어듭니다(USGS). 그래서 얼음은 물에 뜨는데, 부피의 대부분은 수면 아래에 잠긴 채로 뜹니다. 빙산의 대부분이 눈에 보이지 않고 숨어 있는 것도 이 때문입니다. 얼음 결정 속 분자들은 사이사이에 빈틈이 많은 열린 배열을 이루고 있어서, 이리저리 뒤섞여 있는 액체 속 분자들보다 자리를 더 많이 차지합니다. 액체 상태의 물은 4 °C에서 밀도가 1.00000 g/cm³로 가장 크고, 그보다 따뜻해지면 다시 밀도가 작아져서 100 °C에서는 0.95865 g/cm³가 됩니다.
온도는 입자의 움직임입니다
섭씨온도는 물이 어는 온도를 0으로 정했습니다. 쓰기에는 편리하지만 입자의 움직임과는 아무 관계가 없습니다. 켈빈 온도는 절대 영도(absolute zero)에서 시작하는데, 이것은 있을 수 있는 가장 낮은 온도이며 −273.15 °C입니다. 섭씨를 켈빈으로 바꾸려면 273.15를 더하면 됩니다. 25 °C는 298.15 K입니다. 이 켈빈 눈금에서는 입자의 평균 운동 에너지가 온도에 그대로 정비례합니다. 그래서 600 K인 기체의 평균 운동 에너지는 같은 기체가 300 K일 때의 두 배입니다.
기체라면 이 에너지로부터 입자의 속력을 구할 수 있습니다. 제곱 평균 제곱근(rms) 속력은 u = √(3RT/M)입니다. R은 8.314 J/(mol K), T는 켈빈 온도, M은 몰질량(kg/mol)입니다. 예를 들어 OpenStax는 30 °C 질소의 속력을 √(3 × 8.314 × 303 ÷ 0.028) = 519 m/s로 계산해 보입니다. 같은 온도라면 무거운 분자일수록 더 느리게 움직입니다. −23 °C의 산소 분자는 평균 약 441 m/s입니다. 위 그림 속 입자들은 여러분이 눈으로 하나하나 따라갈 수 있도록 실제보다 수백만 배 느리게 움직이게 했습니다.
| 켈빈 | °C + 273.15. 0 K는 절대 영도 |
| rms 속력 | u = √(3RT/M), M은 kg/mol |
| 얼음의 밀도 | 물보다 약 9% 작아서 얼음이 뜸 |
| 가장 무거운 물 | 4 °C: 1.00000 g/cm³ |
- 25 °C를 켈빈으로 바꾸세요.
- 액체 질소는 77.34 K에서 끓습니다(NIST). 섭씨로 몇 도일까요? (소수 첫째 자리)
- 기체를 300 K에서 600 K로 데우면 평균 운동 에너지는?
- 두 배가 된다
- 그대로다
- 네 배가 된다
- 303 K에서 N₂ 분자(M = 0.028 kg/mol)의 rms 속력을 m/s 단위로 구하세요(반올림).
- 같은 온도에서 평균적으로 더 빠른 분자는?
- N₂(28 g/mol)
- O₂(32 g/mol)
- 빠르기가 같다
- 공기는 타이어에 눌러 넣을 수 있는데 물은 거의 눌리지 않는 까닭은?
- 기체 분자는 멀리 떨어져 있고 액체 분자는 이미 닿아 있어서
- 물 분자가 더 무거워서
- 공기는 물질이 아니어서
- 0 °C 물의 밀도는 0.99987 g/cm³이고 얼음은 약 9% 작습니다. 얼음의 밀도를 어림하세요(소수 둘째 자리).
- 액체인 물의 밀도가 가장 큰 온도는?
- 4 °C
- 0 °C
- 100 °C
- 입자가 닿아 있으면서 서로 미끄러지는 상태는?
- 액체
- 고체
- 기체
- 입자가 가장 단단히 붙들린 상태부터 가장 자유로운 상태 순서로 놓으세요.
- 분자는 그대로, 거리·끌어당김·빠르기가 바뀜.
- 얼음은 물보다 약 9% 가벼워 뜸, 물은 4 °C에서 가장 무거움.
- K = °C + 273.15, 평균 운동 에너지 ∝ 켈빈 온도.
- 기체 속력 u = √(3RT/M): 30 °C 질소 약 519 m/s.
이 과정의 출처 (8)
- OpenStax Chemistry 2e (openstax.org/books/chemistry-2e): 1.2 Phases and Classification of Matter (matter, three states, plasma, mass and weight, Moon 1/6, conservation of matter, sand and clouds)
- 9.2 gas laws (Boyle's law P1V1 = P2V2, syringe 15.0 mL 13.0 psi to 7.5 mL 26 psi, breathing, divers: every 33 ft of sea water adds 1 atm and halves the air volume at 33 ft, Amontons ~1700, Gay-Lussac ~1800, Charles, STP 273.15 K and 101.325 kPa, -273 °C absolute zero)
- 9.5 kinetic-molecular theory (average kinetic energy proportional to kelvin temperature, KEavg = 3/2 RT, urms = sqrt(3RT/M), N2 at 30 °C 519 m/s, O2 at -23 °C 441 m/s)
- 10.3 phase transitions (vapor pressure, normal boiling point at 1 atm = 101.3 kPa, Leadville 68 kPa about 90 °C, ΔHvap 44.01 kJ/mol at 25 °C and 40.67 kJ/mol at 100 °C, 1.5 L sweat 3600 kJ, ΔHfus 6.01 kJ/mol, ice at -12 °C staying at 0 °C while melting, CO2 sublimation 26.1 kJ/mol, frost is deposition, heating curve example 135 g ice -15 °C to steam 120 °C = 416 kJ with c ice 2.09, water 4.18, steam 1.86 J/g °C, burner turned up does not raise boiling temperature)
- NIST Chemistry WebBook phase change data (webbook.nist.gov: ethanol Tfus 159 K, Tboil 351.5 K; nitrogen Tfus 63.3 K, Tboil 77.34 K; oxygen Tfus 54.8 K, Tboil 90.2 K; mercury Tfus 234.31 K, Tboil 629.81 K; CO2 triple point 216.58 K at 5.185 bar, solid vapour-pressure equation Giauque and Egan 1937 giving 194.7 K at 1 atm)
- USGS Water Science School, Water Density (0.99987 g/cm³ at 0 °C, 1.00000 at 4 °C, 0.95865 at 100 °C; ice about 9% less dense)
- Britannica, Boyle's law (Robert Boyle 1662, air compressed by mercury; Edme Mariotte 1676)
- Boyle's 1662 table (48 spaces at 29 2/16 in, 12 spaces at 117 9/16 in of mercury) as reprinted in J. Appl. Physiol. 87 (1999) 1543.
확인한 날: 2026-10-17