분자 운동에 대해 공부해보자.

분자 입자 움직임에 대해 알아본다.

분자는 물질을 이루는 기본 단위이다. 눈으로 직접 볼 수 없어도 끊임없이 움직이고 있다. 물에 잉크를 떨어뜨리면 물속으로 퍼져 나가는 현상과 우리가 냄새를 맡을 수 있는 것은 움직임 때문이다. 멀리 떨어져 있는 사람에게 냄새가 퍼지고, 방에 널어둔 젖은 수건이 마르고, 방 안에 두었던 물이 줄어드는 것은 일상생활에서 흔히 볼 수 있다. 입자의 움직임에 의해 일어나는 현상이다. 이러한 현상이 일어나는 분자 운동에 대해 알아본다.

1. 공기 속으로 퍼져 나가는 분자 운동

바람이 불지 않는 밀폐된 장소에서 냄새가 퍼지는 원인은 기체인 향 분자가 스스로 움직이면서 공기 분자와 섞이는 확산 현상 때문이다. 확산은 입자가 불규칙한 운동으로 기체나 액체 속으로 퍼지는 현상이다. 물속에 떨어뜨린 물감이 퍼지는 것도 물감 분자와 물 분자가 스스로 움직여 서로 충돌하면서 물감이 모든 방향으로 고르게 퍼지기 때문이다.

 

젖은 수건이 마르려면 수건 속의 수분이 공기 중으로 퍼져야 한다. 액체 분자가 물체의 겉에서 튀어 나가 기체로 되는 것은 증발이고, 액체 내부의 분자가 튀어 나가는 현상은 끓음이다. 액체가 끓을 때, 내부와 표면의 분자도 함께 계속 튀어나가서 증발이 함께 일어난다. 액체의 종류에 따라 증발 속도는 다르다. 분자 사이의 잡아당기는 힘이 약한 에탄올과 석유는 잘 증발하고, 물은 잡아당기는 힘이 강해서 증발하는 속도가 느리다. 서로 다른 종류의 액체를 유리면에 떨어뜨린 후 볼록한 모양이 넓게 퍼질수록 잡아당기는 힘이 약해서 가장자리가 얇아서 그곳부터 증발이 먼저 일어나서 빨리 마른다.

2. 액체 속으로 퍼지는 분자 운동

물 속에서 분자들은 스스로 움직인다. 물질의 종류와 온도에 따라 운동이 달라진다. 물과 소금물에 잉크를 떨어뜨렸을 때, 움직임을 비교해 보면, 물은 잉크가 빨리 섞이지만, 소금물은 염화 이온과 나트륨 이온에 부딪혀서 퍼지는 속도가 느리기 때문에 잉크가 퍼지는 모습을 잘 관찰할 수 있다. 물의 온도를 높이면 운동 에너지가 커져서, 운동이 활발하고 물속에서 퍼지는 속도가 빨라지기 때문에 확산 속도가 빨라진다. 높은 온도일수록 운동이 활발하다.

 

물질을 이루고 있는 입자는 원자, 분자, 이온이다. 각각의 물질을 이루고 있는 기본 입자는 종류도 다르고, 질량도 다르기 때문에 퍼지는 속도도 다르다. 물에 녹아 이온이 되는 물질은 분자가 이온으로 나누어진 다음 퍼지기 때문에 시간이 오래 걸린다. 물질마다 입자와 분자량이 클수록 물속에서 퍼지는 속도가 느려진다.

3. 스스로 움직이는 기체 분자

눈에 보이지 않는 공기는 질소나 산소 등의 기체 분자로 이루어져 있다. 기체 분자는 쉴새없이 스스로 운동한다. 헬륨을 넣은 고무풍선과 입으로 불어서 공기를 채운 고무풍선을 바람이 빠지지 않게 막아 놓고 관찰해 보자. 시간이 지날수록 풍선은 작아진다. 헬륨을 넣은 풍선이 더 빨리 작아진다. 헬륨은 원자 하나가 분자를 이루고 있는 비활성 기체로 다른 물질과 잘 반응하지 않고 작고 가벼워서 풍선에서 빨리 빠져나오기 때문이다. 이산화탄소가 든 풍선은 헬륨보다 무겁고, 분자 크기도 커서 헬륨보다 풍선을 빠져나오기 힘들기 때문에 부피가 천천히 줄어든다.

4. 기체 분자 압력 알아보자.

기체는 닫힌 용기에서 벽과 충돌해서 압력을 만든다. 기체 운동에 의해 생기는 힘이 압력이다. 용기의 부피에 따라 달라진다. 주사기의 끝을 고무 마게로 막고 피스톤을 눌렀다가 손을 떼면 원래 위치로 돌아오는 이유는 주사기 속 기체의 부피가 줄어들어 내부의 압력이 대기압보다 커져서 피스톤을 밀어 올리기 때문이다. 갇힌 공간 속의 기체들은 끊임없이 충돌하고 외부 대기압과 같은 크기의 일정한 압력을 유지하려고 한다.

 

육지와 바다를 모두 달릴 수 있는 호버크라프트는 육지를 달리다가 바다에서도 물 위를 달릴 수 있다. 바다로 들어가면 물체의 밑에서 나오는 압축된 공기가 바닥에 부딪히면서 생긴 반작용으로 공기를 이용하여 떠올려진 상태로 달릴 수 있어서 육지와 바다에서 모두 달릴 수 있다.