고체

고체(固體, solid)는 기체, 액체와 같이 물질이 가질 수 있는 네 가지 상태¹⁾ 중 하나로 외부 조건이 바뀌어도 형태와 부피를 어느 정도 유지할 수 있다. 즉, 외부에서 힘을 가해도 형태와 부피가 쉽게 변하지 않으며, 액체나 기체와는 다르게 흐르거나 용기 모양에 따라 채워지지 않는다. 또한, 기체와 같이 퍼지면서 공간을 꽉 채우지도 않는다. 고체 속 입자들은 서로 가까이 있는데, 구성 입자들이 공간상 규칙적인 격자점에 배열된 결정성 고체와 불규칙하게 배열된 비결정성 고체가 있다.

목차

소금(염화 소듐)이나 눈의 결정처럼 대칭성이 높은 형태를 취하는 결정성 고체는 원자, 이온, 분자들이 모든 방향으로 규칙적인 구조로 배열되어 거시적으로 그 대칭성을 유지하고 있는 물질이다. 결정은 화학 결합의 종류와 구성 입자 등에 따라 금속성 결정, 이온성 결정, 공유성 결정, 분자성 결정으로 나눠진다.

소금물을 증발시키면 소금이 작은 정육면체들로 석출되는데, 정사각형으로 둘러싸인 이 정육면체들이 소금 결정이다. 또 붕산 결정은 육각형의 얇은 판자 모양이고. 명반 결정은 팔면체이다. 이처럼 결정의 형태는 물질의 종류에 따라 정해져 있다. 액체를 냉각시키면 분자들의 운동이 느려지다가, 어떤 온도 이하에서는 분자들이 규칙적인 배열을 이루고 자유롭게 움직이지 못하게 된다. 이런 분자 (또는 원자)들의 규칙적인 배열 결과 평면들로 둘러싸인 모양을 가지게 된다.

황 가루를 가열하여 녹인 다음 물속에 넣어서 갑자기 냉각시키면 거무스름한 덩어리가 되며 잡아당기면 고무처럼 늘어난다. 그리고 얼마 후에는 굳기 시작한다. 이 상태의 황은 결정이 아닌 비결정성 고체이다. 황을 천천히 냉각시키거나 용액에서 용매를 증발시킬 경우 황 원자들이 규칙적으로 배열할 시간적 여유가 있으므로 결정을 이루면서 고체가 되지만, 갑자기 냉각시키면 원자들이 규칙적으로 배열하지 못하고 액체 상태의 불규칙한 배열 그대로 고체가 된다. 비결정성 황도 오랫동안 내버려 두면 결정성 고체가 되지만 모든 비결정성 고체가 결정이 되는 것은 아니다.

비결정성 고체의 또 다른 예는 유리이다. 보통 유리는 700-800 ℃로 가열하면 녹지만, 냉각시키면 그 성분인 규소 원자 1개와 산소 원자 4개가 만드는 정사면체가 공간적으로 무질서하게 배열되어 그물처럼 이어진 비결정성이 된다. 그리고 비결정성 고체는 내부에서 입자가 결합하는 힘이 고르지 않기 때문에 일정한 녹는점을 보이지 않는다. 비결정형 상태를 '유리 상태'라고 부르기도 한다.

고체는 모양이 일정하여 단단하다(rigid). 단단한 물질은 외부에서 물리적인 힘을 가해도 그 모양을 유지한다. 경도(hardness)는 물질에 흠집을 만들기 어려운 성질을 나타내며, 탄성도(elasticity)는 물질에 가해진 힘(스트레스)이 사라지면 다시 원형으로 복원되는 성질을 말한다. 일반적으로 고체는 경도와 탄성도가 기체나 액체보다 매우 크다.

고체 구성 입자의 열에너지 때문에 구성 입자들은 주어진 위치에서 크게 벗어나지 않고 진동한다. 결정성 혹은 비결정성 고체에서 격자 진동 분포를 조사하면 고체의 운동 에너지를 연구할 수 있다. 또 격자 진동을 이용해서 고체가 열 형태로 에너지를 품을 수 있는 능력을 고체의 열용량이라고 한다. 고체가 열을 전달하는 현상도 격자 진동 에너지가 전달되는 것으로 이해할 수 있다.

물질의 전기 전도를 설명하기 위해서는 이동 가능한 전하가 존재해야 한다. 금속의 원자들이 공유하는 전자들은 결정 격자 사이를 자유로이 돌아다닐 수 있는 자유 전자인데, 금속의 전기 전도도는 자유 전자 때문에 크다.

금속의 전기 저항은 온도가 내려가면 감소하는데, 어떤 금속의 저항은 특정 온도 이하에서 완전히 없어진다. 이 현상을 초전도성(superconductivity) 혹은 초전도 현상이라고 부르며 초전도체가 되는 온도를 임계 온도라고 한다. 이 현상은 1911년 수은에서 처음 발견되었다. 금속의 초전도 임계온도는 대개 20 K 이하이지만, 1986년 베드노즈와 뮐러는 (La, Ba)CuO4 화합물의 임계 온도가 40 K 이상인 것을 발견하였다. 이런 산화물들을 고온 초전도체라고 부른다.

일반적으로 자기장에 의해서 자기 모멘트를 보이는 물질을 자성체라고 한다. 자기장을 가하면 자석이 만들어지는 현상을 자화라고 한다. 일반적으로 고체의 자화는 전자들이 가진 자기 모멘트가 합쳐지거나 정렬되면서 일어나는 것으로 설명된다.

물질은 가시광선을 통과시키거나 반사하며, 특정 파장의 빛을 흡수한다. 물질마다 흡수하는 전자기파의 파장 범위가 다르기 때문에 용도에 따라 다양한 광학적 특성들을 이용한다. 예를 들어 유리창의 유리는 가시광선을 통과시키지만 자외선을 대부분 차단한다.

1. 보통 물질의 상태는 고체, 액체, 기체 세 가지로 구분하지만, 원자가 이온화되어 이온과 전자가 혼합된 플라스마 상태를 포함하여 네 가지 상태로 구분한다. 구성 입자들이 규칙적으로 배열된 결정(고체)과 흐르는 액체의 성질을 동시에 가진 액정 상태를 물질의 상태에 포함하기도 한다. 하지만 모든 물질이 액정 상태를 갖지는 않는다.