본문내용
1. 과학적 측정
1.1. 과학적 방법
과학지식은 현재까지 축적되고 개선되어 왔다. 이는 다음과 같은 과정을 통해 도식화할 수 있다. 이를 '과학적 방법'이라 한다. 첫 번째로 경험적인 사실이나 감각을 이용하여 자연현상을 관찰하고 자료를 수집하여 자료 사이의 관계를 조직화하는 작업이 필요하다. 다음 단계는 '왜'라는 방식으로 관찰한 자료에 대해 묻는 것이며 관찰을 설명할 수 있는 '가설'을 세운다. 가설은 데이터의 잠정적인 설명이자 예측이다. 축적된 증거에 가장 부합하는 하나의 가설만이 남게 되는데 이를 '이론'이라 부른다. 이 이론을 반복적으로 검증해야 하며 개선을 해야 한다. 여기서 중요한 것은 이론과 과학 법칙은 구분되어야만 하며 과학 법칙은 우리가 알고 있는 특정한 현상이 항상 일어난다는 서술인 반면에 이론은 특정한 일이 일어난 것에 대한 설명이다. 계속되는 검증을 통하여 이론이 수정될 수 있으며 어떠한 이론도 완벽히 옳다고 증명할 수는 없다."
1.2. 원자론과 원소 그리고 물질
원자론은 자연에 관한 가장 중요한 이론적 모형이다. 원자는 모든 화학적 물질들을 구성하고 있으며, 거시적 세상에서 모든 것들을 구성하고 있다. 원자는 양성자와 중성자가 강한 핵력에 의해 뭉쳐져 있는 원자핵과 전자로 이루어져 있다.
물질은 다양한 원자로 이루어져 있으며 다양한 화학반응의 결과물이다. 물질은 공간을 채우고 질량을 지니는 것으로 이해할 수 있는데, 이때 질량과 무게를 구분해야 한다. 무게는 물질이 중력에 의해 끌리는 힘을 나타내고, 질량은 주어진 사물의 존재하는 물질의 양을 나타낸다. 따라서 질량은 위치에 상관없이 동일하지만, 무게는 장소에 따라 다를 수 있다.
화학반응을 통해 물질의 화학적 조성을 변화시킬 수 있으며, Decomposition을 통해 하나의 물질을 둘 이상의 간단한 물질로 분해 시킬 수 있다. 원소는 오직 한 종류의 원자로 구성되어 있으며, 화학적 반응에 의해 더 간단한 물질로 변화될 수 없다. 원소는 지정된 기호로 간단히 표기가 가능하다. 화학식에서 원소의 원자를 나타내는데 사용할 수 있으며 영어로 표기하지만 기원이 라틴어나 독일어일 수 있다.
1.3. 물질의 분류
물질은 크게 순물질과 혼합물로 분류할 수 있다. 순물질은 한 종류의 원소로 이루어진 홑원소물질과 두 종류 이상의 원소로 이루어진 화합물로 나뉜다. 홑원소물질은 화학적 방법으로는 더 이상 분해될 수 없는 물질이며, 대표적으로 금, 산소, 질소 등이 있다. 화합물은 두 개 이상의 다른 원소가 일정한 비율로 결합하여 이루어진 순물질이며, 대표적으로 물(H2O), 이산화탄소(CO2), 암모니아(NH3) 등이 있다.
혼합물은 두 개 이상의 순물질이 물리적으로 섞여 있는 것으로, 균일 혼합물과 불균일 혼합물로 구분된다. 균일 혼합물은 시료 전체에 걸쳐 같은 성질을 갖는 혼합물로, 용액이 대표적인 예이다. 불균일 혼합물은 서로 다른 성질을 가진 두 개 이상의 물질이 섞여 있는 혼합물로, 얼음물과 같은 경우가 해당된다.
이와 같이 물질은 순물질과 혼합물로 구분되며, 순물질은 다시 홑원소물질과 화합물로 나뉜다. 또한 혼합물은 균일 혼합물과 불균일 혼합물로 세분화된다. 이러한 물질의 분류는 물질의 성질과 구조를 이해하고 분석하는 데 도움을 준다.
1.4. 물리적 변화와 화학적 변화 및 특성들
물리적 변화와 화학적 변화 및 특성들은 물질의 성질을 이해하는데 있어 매우 중요한 개념이다. 물리적 변화는 물질의 상태나 비율의 변화를 말하며 새로운 물질이 형성되지는 않는다. 상태로는 고체, 액체, 기체가 있으며 이들 상호간의 변화는 물리적 변화에 해당한다. 예를 들어 물이 액체에서 기체인 수증기로 변할 때나 고체인 얼음이 액체로 변할 때 이는 모두 물리적 변화에 해당한다.
화학적 변화는 물리적 변화와는 달리 물질의 화학적 구성을 변화시키며 새로운 물질 또는 화합물이 형성된다. 새로운 물질은 다른 물리적 특성을 가지며 물리적인 방법으로는 분리시킬 수 없는 특징을 가지고 있다. 예를 들어 철과 황이 반응하여 황화철이 생성되는 과정은 화학적 변화에 해당한다.
물질의 성질은 크게 물리적 성질과 화학적 성질로 구분된다. 물리적 성질에는 색, 전기전도도, 끓는점, 녹는점 등이 포함되며, 화학적 성질은 물질의 반응성을 설명하는 성질이다. 이러한 성질들은 물질을 식별하고 특성을 이해하는데 활용된다.
종합하면, 물리적 변화와 화학적 변화, 물질의 물리적 성질과 화학적 성질은 화학 연구에 있어 매우 기본적이고 중요한 개념들이라 할 수 있다."
1.5. 성질의 종류, 관찰의 종류, 측정의 종류
성질의 종류는 크게 세기 성질과 크기 성질로 나눌 수 있다. 세기 성질은 시료의 크기와 무관하게 물질을 식별하는데 사용되는 성질로, 색, 밀도, 끓는점, 녹는점, 화학반응성 등이 해당된다. 크기 성질은 시료의 크기에 의존하는 성질로, 부피와 질량이 대표적이다.
관찰에는 정량적 관찰과 정성적 관찰이 있다. 정량적 관찰은 숫자 데이터를 입력하는 관찰로, 기기를 통해 정확한 측정값을 얻는다. 정성적 관찰은 숫자 데이터를 입력하지 않고 육안으로 확인 가능한 색이나 촉감 등의 특성을 관찰하는 것이다.
측정에는 기준이 되는 단위가 존재하는 비교를 포함하는 측정과, 기준이 명확하지 않아 추정이 포함되는 정확하지 않은 측정이 있다. 후자의 경우 측정 장비의 물리적 한계로 인해 불확실성이 존재한다.
1.6. 유효숫자
유효숫자는 측정값의 정확성을 나타내는 척도이다. 유효숫자의 개수는 확실한 자리수와 불확실한 자리수 하나를 더한 것과 같다. 유효숫자를 세는 방법은 다음과 같다.
첫째, 모든 0이 아닌 숫자는 유효숫자이다. 둘째, 0이 다른 숫자 사이에 있을 때도 유효숫자이다. 셋째, 숫자에 소수점이 있으면 마지막 0까지 유효숫자이다. 넷째, 숫자에 소수점이 없으면 마지막 0은 유효숫자가 아니다. 다섯째, 소수점의 오른쪽에 0이 나타나면 0은 유효숫자이다. 마지막으로 첫 번째 0이 아닌 숫자 앞에 나타나는 0은 유효숫자가 아니다.
정밀도와 정확도는 실험에서 구한 값을 판단할 때 사용한다. 정확도는 측정값이 참값에 얼마나 근접한가를 나타내며, 정밀도는 여러 번의 측정값들이 얼마나 평균값에 근접한가를 나타낸다. 특히 유효숫자가 많으면 정밀도가 더욱 올라간다.
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