고체(solid, 固體)는 물질의 상으로 일정한 결정을 가지고 있어 힘이나 압력의 변화에도 모양이나 부피가 변하지 않는 상태를 말한다. 고체를 다루는 물리학 분야를 고체물리학이라고 한다. 고체에는 소금(염화나트륨)이나 눈의 결정처럼 매우 규칙적인 형태를 취하는 것과 유리나 고무처럼 형태가 불규칙한 덩어리로 되어 있는 것이 있다. 알려진 것 중 가장 가벼운 고체는 무게가 공기의 3배 밖에 되지 않는 에어로젤이다.
개요
기체·액체와 더불어 물질이 가질 수 있는 상(相: Phase)중에 하나로 온도와 압력이 변하면 다른 상으로 바뀔 수 있다. 고체는 기체·액체와는 달리 일정한 형태를 유지할 수 있다. 전단응력이 가해지면 모양이 변화하는 방식으로 탄성력이 만들어져서 전단응력을 버텨낼 수 있는 점이 유체(流體: Fluid)와의 차이점이다. 물질을 구성하는 원자나 분자 수준에서 일정한 결정구조를 가지는가에 따라서 결정성(結晶性: Crystalline)고체와 비결정성(非結晶性: Amorphous)고체로 나눌 수 있다.
상식적으로는 별도의 용기 없이도 형태와 부피를 유지할 수 있는 단단한 특징을 가지는 물체를 고체라고 한다. 상아, 모래, 암석, 금속 등이 고체의 예이다.
물체는 온도와 압력에 따라서 세 가지 상을 가질 수 있다. 액체 상태의 물이 온도에 따라 고체 상태인 얼음과 기체 상태의 수증기로 변하는 것을 예로 들 수 있다. 얼음과 마찬가지로 다른 고체상태의 물질도 온도와 압력을 변화시키면 액체나 기체로 상이 변할 수 있다.
분자론적으로 보면 고체는 구성 원자나 분자 사이의 결합이 매우 강하기 때문에 개개의 원자나 분자는 자유운동을 할 수 없다. 다만 서로 구속되어 정해진 위치에서 작은 진동운동만을 한다. 이에 반해서 액체, 기체 순서로 점차적으로 분자 사이의 결합이 약해지고 자유운동이 점점 자유롭게 된다. 따라서 어떤 물질이라도 고압·저온으로 분자운동을 저하시키면 고체로 변하고, 반대로 어떤 고체라도 일정 온도 이상으로 가열하면 분자의 배열이 흐트러져서 액체로 변한다.
고체는 분자 간의 상대적 위치가 거의 변하지 않기 때문에 기체나 액체와는 다르게 유동성이 없고 단단한 특징을 가진다. 즉 고체는 외부에서 가해진 힘에 저항하는 성질을 가진다. 정렬된 분자 사이의 고유의 탄성(彈性)으로 인해서 고체는 외부의 힘에 저항하면서 형태를 유지할 수 있다. 암석의 경우에 손으로 누르면 거의 모양이 변화하지 않는 것 같이 보인다. 하지만 미세하게 변형되어 외부의 힘과 평형을 이루고 있다. 분자 간의 탄성이 겉보기 탄성으로 나타난 것이다. 특히 표면에 수평하게 작용하는 전단응력(剪斷應力: Shear Stress)을 변형에 의한 탄성력으로 버텨낼 수 있는 것이 유체와의 차이점이다. 유체는 전단응력이 가해지면 버티지 못하고 힘의 방향으로 흐른다.
보통 물체의 굳기·탄성률 등은 이와 같은 역학적 성질의 정도를 나타내는 말이다. 이러한 굳기·탄성률의 값은 고체의 종류에 따라 넓은 범위에 걸쳐 있다. 역학적 성질 외에 전기적·열적·광학적 성질 등도 고체의 종류에 따라서 다양하다. 이들은 그 고체를 구성하는 분자의 성질과 분자의 결합양식에 따라 결정된다.
분자의 결합양식에 따른 성질차이의 예로 흑연과 다이아몬드를 들 수 있다. 흑연과 다이아몬드는 둘 다 같은 탄소 원자의 결정이지만, 흑연은 다이아몬드보다 원자 간의 간격이 크기 때문에 비중이 작고 연필심으로 사용될 정도로 비교적 무르다. 순수한 금속은 소량의 다른 물질을 섞어줌으로써 그 굳기가 증가하는데, 이것은 이물질(異物質)의 분자가 들어감으로써 결정 내의 원자배열이 흐트러져 결정면을 따라 일어나는 미끄럼 현상이 줄어들기 때문인 것으로 알려져 있다.
고체는 구성 원자나 분자의 거리가 가까운 공통적 특징을 가진다. 하지만 구성 원자나 분자의 규칙적인 배열 특성에 따라서 다시 구분된다. 일정한 격자 형태의 결정구조를 가지는 결정성(結晶性: Crystalline)고체와 그렇지 않은 비결정성(非結晶性: Amorphous)고체로 나눌 수 있다. 예로 규소와 산소가 일정한 격자 구조를 가지는 석영은 결정성 고체이다. 모래의 대부분이 석영이다. 반면에 동일하게 규소와 산소로 이루어진 석영유리는 비결정성 고체이다. 석영은 일정한 결정격자구조가 계속 반복되는 규칙성을 쉽게 볼 수 있다. 석영유리는 전반적으로는 규칙성이 없지만 항상 하나의 규소 원자에 세 개의 산소 원자가 인접하는 국소적 규칙성을 가진다.
참고자료
- 〈고체〉, 《두산백과》
- 〈고체〉, 《위키백과》
같이 보기
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