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물질의 분류

우리의 주변에 있는 물질은 대부분 몇 가지 물질이 섞여 있는 혼합물이다. 공기는 물론이고 물도 여러 가지 물질이 함께 녹아 있다. 이 물질들을 분리시켜서 완전히 순수한 물질로 만드는 일은 매우 어렵다. 그러나 혼합물로는 물질의 성질을 연구할 수 없으므로, 화학에서는 되도록 순수한 물질을 찾아내어 그 성질을 조사하고 있다.

순물질과 흔합물

숯가루와 황가루를 혼합했을 때에는 어떤 비율로도 잘 섞이며 일정한 성분비를 보이지 않는다. 또, 확대경으로 보면 검은 숯가루와 노란 황가루를 분명히 구별할 수가 있다. 이와 같이, 흔합물에서는 각 성분이 원래의 성질을 그대로 지니고 있다. 이러한 혼합물들은 적절한 방법(예를 들면, 이황화탄소를 사용하면 황은 녹지만 숯은 녹지 않는다)으로 분리시킬 수 있으나, 숯을 태우면 이산화탄소와 일산화탄소가 생길 뿐 아니라 재가 남기 때문에 그것 자체로는 순수한 탄소라고 할 수가 없다. 그러므로 다시 정제해서 숯을 탄소로, 황을 결정인 황으로 만들면 거의 일정한 성질을 보이게 된다. 이들이 완전히 순수한 물질인가 아닌가는 정제 방법과도 관계가 있어 간단히 결정할 수는 없지만, 여러 가지 방법을 이용해서 정제하면 비교적 순수한 것이 생긴다. 공기도 물질이 타도록 도와주는 물질과 그것을 억제하는 물질로 되어 있다. 타는 것을 도와주는 물질을 산소, 그것을 억제하는 물질을 질소라고 하였다. 현재는 공기를 액체로 만들어서 분류하면 산소와 질소 외에 헬륨·아르곤·네온·크립톤·크세논 등의 비활성 기체로 분리된다는 것이 알려져 있다. 또, 보통의 공기는 수증기나 이산화탄소 등도 함유하고 있으며, 따라서 공기는 이러한 많은 기체의 혼합물이며 분류에 의해서 각각의 순수한 물질로 분리시킬 수가 있다. 식염수는 물과 소금의 혼합물이며, 가열하면 소금과 수증기 (물)로 분리된다. 혼합물 중에는 균일한 혼합물과 불균일한 혼합물이 있는데, 균일 혼합물을 특히 용액이라고 한다. 어떤 물질을 거시적으로 보았을 때, 그 물질의 모든 부분이 같은 성질을 가지면 균일하다고 한다. 설탕물을 예로 들면, 분자 수준에서는 설탕분자와 물 분자라는 2개의 다른 부분으로 나눌 수 있으며, 이 부분들의 성질은 서로 다르다. 그러나 거시적으로는 설탕물의 어느 부분을 취해도 그 성질이 같다. 그러므로 설탕물은 균일 혼합물인 것이다. 그러나 물과 기름이 섞여 있는 경우는 성질이 다른 물층과 기름층이 구분되므로 불균일 혼합물이다. 연기·흙·대리석 등은 모두 불균일 혼합물이다.

홑원소 물질－화합물－원소

순수한 물질 중에는 그 이상 분해할 수 없는 단일 성분으로만 되어 있는 것과 몇 개의 성분으로 이루어져 있는 것이 있다. 탄소나 황은 단일 원소로 이루어져 있는데, 이들을 홑원소 물질이라고 한다. 이에 대하여 이산화탄소나 수증기(물)·염화나트륨(소금) 등은 각각 탄소와 산소, 수소와 산소, 나트륨과 염소 등으로 분해할 수가 있다. 이와 같이 2종류 이상의 원소가 결합되어 이루어져 있는 순수한 물질을 화합물이라고 한다. 이들 원소가 결합하는 비율(중량비)은 일정하다. 즉, 일정 성분비의 원칙에 따르는 것이 보통이다(단, 예외도 있다). 예를 들어, 구리 가루 A를 스테인레스 스틸로 만든 접시에 놓고 세게 가열하면 검은색의 가루 B로 변한다. 이 가루에 묽은 황산을 가하면 아름다운 청색 용액이 되고, 이것으로부터 청색 결정 C를 얻을 수 있다. 또, 이 수용액에 수산화나트륨의 수용액을 가하면 청백색 침전 D가 생긴다. 이것을 걸러서 묽은 염산에 녹이면 청색 용액이 되고, 결정 E로 만들면 녹색이 된다. 이 용액을 거의 중성으로 만들어 아연판을 넣으면 표면에 적색 물질 F가 나온다. 구리 가루 A와 적색 물질 F가 같은 물질이라고 할 수 있다면, 구리는 도중에서 4종류의 다른 물질로 변하고 있다. 구리에서 시작하여 다시 구리로 돌아온 것이므로, 이들 물질 속에는 공통된 성분이 들어 있다고 생각할 수가 있다. 그리하여 그 중에서 가장 기본적인 성분을 '원소'라 한다. 현재 원소로서 확인되어 있는 것은 103종이다.

금속과 비금속

물질을 크게 나누어 철이나 구리, 알루미늄 등과 같은 금속과 황이나 산소－염소 등과 같은 비금속으로 나누는 경우도 있다.금속은 광택이 있으며 두드려서 얇은 판으로 만들 수도 있고 잡아 늘여서 가는 선으로 만들 수도 있으며 전기나 열을 잘 전도한다. 비금속은 전기나 열을 잘 전도하지 않으며, 상온에서는 고체·액체·기체 등 여러 가지 상태로 존재한다. 이들을 준금속이라고도 한다.