액체

액체(液體, liquid)는 물질의 상태의 일종으로, 거의 압축할 수 없는 유체를 가리킨다. 액체는 자유롭게 모양을 바꿀 수 있으나 그 부피는 압력과 상관없이 거의 일정하다. 구체적으로 말해 액체는 50℃에서 300kPa(3bar) 이하의 증기압을 가지고, 20℃ 및 101.3kPa에서 완전히 가스상이 아니며 또한 101.3kPa에서 녹는점 또는 초기 녹는점이 20℃ 이하인 물질을 말한다.

거시적 성질

액체는 끓는점에서 기체와 상평형을 이루고, 어는점에서는 고체와 상평형을 이룬다. 일반적으로 끓는점과 어는점 사이에서 액체로 존재한다. 액체를 이루고 있는 입자가 고체의 경우보다 상호 결합력이 약하여 움직이기 쉽기 때문에 어떤 모양의 그릇에도 담을 수 있다. 또 액체는 압력을 가해도 부피가 많이 변하지 않는다. 이것은 액체를 이루고 있는 입자들 사이의 거리가 기체의 경우보다 훨씬 짧기 때문이다.

주변에서 액체 상태인 물을 많이 볼 수 있지만, 원소 중에서 1 기압, 실온에서 액체인 것은 금속에서는 수은, 비금속에서는 브로민의 두 종류 밖에 없다. 우리 주변에서 볼 수 있는 액체는 대부분 화합물이거나 그 혼합물이다.

점성

유리병 속에 에탄올(에틸 알코올)과 황산을 각각 넣고 흔들면 유리병의 벽을 타고 내리는 모양이 서로 다르다. 에틸 알코올은 비교적 깨끗이 내려가지만, 황산은 끈적끈적하며 잘 내려가지 않는다. 액체의 이러한 성질을 점성이라고 한다. 점성을 정량적으로 측정하기는 상당히 어려운 일이지만, 굵기가 같은 가는 관을 같은 양의 액체가 타고 내리는 시간을 비교하면 점성이 큰 액체가 더 느리게 내려간다. 일반적으로 액체로 존재하는 온도 범위가 좁은 물질이 넓은 물질에 비교해서 점성이 작다. 또 분자의 구조가 복잡할수록 점성이 크다. 물, 알코올 등은 수소 결합을 하므로 특이한 경향을 보인다.

표면 장력

표면 장력은 액체의 표면이 스스로 수축하여 되도록 작은 면적을 가지려는 힘을 말한다. 물방울이 동그란 모양을 가지는 것은 물의 표면적을 최소화하려고 하기 때문이다. 소금쟁이와 같은 곤충이 물 위에서 걸을 수 있는 것도 이 속성에서 비롯한다. 또 다른 예로 바늘, 면도 칼날, 포일 조각과 같은 조그마한 금속 물체들이 물 위에 뜨는 것을 들 수 있다.

열적 특성

일반적으로 액체는 기체보다 열전도도가 크기 때문에 열을 방출시키거나 전달할 때 사용될 수 있다. 예를 들어 재래식 난방 시스템은 보일러에서 방안의 방열기까지 물을 이용하여 열을 전달한다. 자동차 엔진의 냉각은 냉각수를 이용하고, 원자력 발전소에서도 물이나 액체 금속을 이용하여 원자로를 식힌다.

미시적 구조

액체는 고체와 달리 그것을 이루고 있는 입자의 배열이 불규칙하여 입자가 상당히 자유롭게 운동할 수 있다. 물질의 끓는점이 높다는 말은 액체를 구성하고 있는 입자(원자, 분자 이온)가 따로따로 흩어져 있어 기체로 될 온도가 높다는 뜻이다. 액체를 구성하고 있는 입자 사이에 강한 힘이 작용하고 있을수록 끓는점이 높아진다.

액체는 고체 결정처럼 일정한 위치에 원자들이 존재하지도 않고, 먼 거리까지 규칙성을 보이며 배치되지 않는다. 이는 엑스선이나 중성자 회절을 통해서 실험적으로도 확인할 수 있다. 일반적인 조건에서 액체 시료에 대한 회절상은 원 대칭을 보인다. 이는 액체가 방향성이 없음을 보여주는 것이다. 간혹 종방향으로 회절 강도가 약하게 진동하는 경우가 있다.

액체의 미시적 구조는 입자쌍 분포 함수라고도 불리는 종방향 분포함수(RDF, radial distribution function), g(r)로 설명하기도 한다. g(r)은 한 액체 분자의 중심에서 거리 r 만큼 떨어진 곳에서 다른 분자를 찾을 확률을 말한다. 고체 결정의 경우 RDF 값은 일정한 간격에서 극댓값을 보여주며, 꽤 먼 거리까지 그 규칙성이 유지된다. 기체의 경우 어떤 피크를 보기 힘들다. 액체의 경우 가까운 거리에서는 약간의 규칙성을 보여주고, 먼 거리에서는 규칙성이 사라진다.

참고자료

• 〈액체〉, 《위키백과》
• 〈액체〉, 《화학백과》

같이 보기

• 기체
• 고체
• 플라즈마
• 수은
• 브로민

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