물질

만물(萬物, thing)이란 세상에 있는 모든 것을 뜻하며, 도처에 존재하는 수많은 물체들을 하나로 묶어 표현하는 단어이다. 이처럼 우리 주변에는 무수히 많은 물체들이 존재하며, 이러한 물체를 구성하는 재료를 물질(matter)이라 한다.

물질에 수반되는 중요한 개념이 질량으로, 질량이 없는 에너지인 빛은 물질에 포함되지 않는다. 따라서 질량을 가진 모든 것, 분자와 원자를 포함하여 원자 이하의 양성자, 중성자, 전자, 쿼크 그리고 암흑 물질에 이르기까지 이 모든 것을 물질이라 한다.

예를 들어 필기에 활용하는 연필이라는 물체는 흑연(graphite)이라는 물질을 이용해 종이에 글을 나타낼 수 있고, 이동을 위해 활용하는 자동차라는 물체는 차의 프레임(frame) 제작에 철이라는 물질을 사용한다.

4원소설을 주장한 엠페도클레스()

'물체를 구성하는 재료인 물질'이란 정의에서 조금 깊이 생각해 보면, '모든 물체의 근원이 되는 물질이 존재하지 않을까?'라는 근원적 질문을 가질 수 있는데, 이러한 질문은 실제로 고대 그리스 철학자 탈레스 이전 시대의 사람들부터 가져왔고, 그 시절부터 현재에 이르기까지 해당 질문에 대한 답을 찾기 위한 노력이 곧 화학이라는 학문이 태동하고 발전할 수 있었던 결정적 계기가 되었다. 그러한 노력에 대해 몇 가지 예를 들자면, 기원전 5세기, 엠페도클레스(Empedocles, BC 490~BC 430)는 4 원소설(뿌리설)을 통해 모든 물체의 구성 성분은 네 개의 원소, 즉 흙, 공기, 불, 물로 되어 있다라고 주장하였다. 이러한 주장은 플라톤, 아리스토텔레스로 계승, 발전되어 중세 시대까지 이어지는데, 라부아지에(A. L. Lavoisier, 1743~1794)가 발견한 질량 보존 법칙이 이러한 주장을 깨뜨리는데 결정적 역할을 하였다. 자신이 발견한 질량 보존의 법칙을 통해 당시 연소 현상에 대한 잘못된 개념이었던 플로지스톤설을 반박하며, 라부아지에는 1789년 화학 원론을 발표하였고 4 원소 대신 33개의 원소를 보고하여 근대 화학이 시작되는 발판을 마련하였다.

위의 설명과 같이 물질을 체계적으로 이해하기 위해 우선 물질의 분류를 알아둘 필요가 있다. 자세한 내용은 아래와 같다.

물질은 아래의 그림과 같이 분류가 가능하다. 물체 내 물질의 균일성(homogeneity)이 가장 우선되는 판단 기준이다. 균일성이란 물체 내 어느 위치에서도 물질의 조성, 밀도와 같은 물리적 성질이 같음을 말한다. 균일성에 따라 물질은 균일 물질과 불균일 물질로 나눌 수 있으며, 불균일 물질은 여러 가지 물질이 섞인 혼합물(mixture)이다.

혼합물은 물질마다 서로 다른 물리적 성질, 즉 어는점, 끓는점, 용해도 등을 활용한 물리적인 과정을 통해 분리가 가능한데, 균일 물질에서도 물리적 과정을 통해 화합물의 분리가 가능한 경우가 있다. 이러한 경우의 균일 물질을 균일 혼합물이라 하고, 어떠한 물리적 과정을 통해서도 서로 다른 물질로 분리가 되지 않는 균일 물질을 순물질(pure substance)이라 한다. 물(water)과 순금(gold)은 어떠한 물리적 과정을 통해서도 더 이상 분리가 되지 않는 순물질의 예가 된다. 하지만 물은 전기 분해를 통해 수소 분자와 산소 분자로 나뉘어지는데, 금은 전기 분해를 통해 다른 원소 물질로 나뉘어지지 않는다. 물과 같이 화학적 방법을 통해 분리가 가능한, 즉 두 개 또는 그 이상의 화학 원소를 포함하는 순물질을 화합물(compound)이라 하며, 금과 같이 더 이상 화학적 방법으로 분리가 되지 않는 순물질을 원소(element)라 한다.

물질의 분류(출처: 대한화학회)