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중등 3학년 과학 과정을 보면 질량 보존의 법칙을 배울 수 있습니다. 학생들은 반응 전 질량과 반응 후 질량의 차이가 없다는 것을 배우고, 그 이유가 원자의 배열이 변할 뿐 원자의 개수와 종류는 변하지 않기 때문이라는 것을 잘 알고 있습니다. 이를 실험을 통해 알 수 있는 방법이 있을까? 하는 질문에서 오늘의 포스팅을 시작합니다.
1. 질량 보존의 법칙의 정의와 실험
저울은 예전 고대부터 사용되어 왔습니다. 근대에 와서도 단순히 양을 재거나 광석의 성분이 무엇인지 분석하는 용도로만 사용되어 왔습니다. 이후 현대에 와서는 더 세밀하고 정밀한 저울이 개발되어 화학 발전에 크게 공헌을 하게 되었습니다.
저울과 관련해 화학의 아버지라고 불리는 라부아지에에 대한 내용을 언급하지 않을 수 없습니다. 몇몇 학자들이 '질량은 보존된다'라는 주장을 하기는 했지만, 이를 과학적으로 증명하지 못했습니다. 이에 라부아지에는 직접 실험을 통해 증명해 보이고자 했습니다.
라부아지에는 공기가 든 밀폐된 플라스크 안에서 수은을 가열하는 실험을 진행하였는데 며칠 후 플라스크 안에 기체의 질량은 감소하고, 붉은색의 새로운 물질이 생긴 것을 알아냈습니다. 이번에는 거꾸로, 새로 생긴 물질(여기서는 산화수은을 의미합니다.)을 강하게 가열하였더니 어떤 기체(산소)와 수은으로 다시 분해되었습니다. 이 실험 과정에서 그는 당시의 정밀 저울로 반응 전과 후의 질량을 측정하였고, 이를 통해 반응 전후의 질량이 변화가 없다는 것을 알게 되었습니다.
라부아지에는 이와 같은 결과를 통틀어 질량 보존의 법칙을 발견했고, 이는 화학반응이 일어나기 전 물질의 총 질량과 화학반응 후에 생성된 물질의 총질량은 서로 같다는 정의로 말할 수 있습니다.
2. 종이의 연소를 통한 질량 보존의 법칙
그럼, 과연 종이를 태워도 질량이 보존될까? 물론 종이를 태우면 재가 남기 때문에 질량이 보존되지 않는 것처럼 보일 수 도 있습니다.. 하지만 이것을 맞지 않습니다. 종이가 탈 때 발생하는 것은 재뿐만 아니라 이산화탄소와 수증기도 있다. 이 기체의 질량과 재의 질량을 합치면 반응 전 종이의 질량과 같기 때문에 질량이 역시 보존됩니다.
3. 강철 솜의 연소를 통한 질량 보존의 법칙
강철을 뭉쳐 놓은 것을 강철 솜이라고 합니다. 이 강철 솜 역시 연소시키면 재가 남고 기체가 발생할까? 이 경우 전혀 다른 결과가 나옵니다. 처음 강철 솜의 질량과 다 타고 남은 강철 솜의 질량이 오히려 증가합니다. 강철 솜을 태우면 강철 솜과 공기 중의 산소가 서로 결합하여 산화철이라는 새로운 물질이 생깁니다. 산소가 결합된 산화철은 기존의 강철 솜보다 질량이 증가하게 됩니다. 하지만, 반응 전 강철 솜과 결합하지 않은 산소의 질량을 합하면 산화철과 질량이 같으므로 이 또한 질량 보존의 법칙이 성립한다고 볼 수 있습니다.