유리는 고체일까? 액체일까?, 유리 고체 액체, 유리는 고체가 아니다?, 유리 발명, 유리의 성질

1.유리의 발명

유리는 인류가 인위적으로 만든 물질 중 가장 오래된 것 중 하나입니다. 자연 상태의 유리는 화산 활동 등으로 생성되는 흑요석 등이 있지만, 인공적인 유리는 기원전 4000~5000년 전 메소포타미아와 이집트 지역에서 유리 구슬 형태로 처음 만들어졌다고 알려져 있습니다. 초기에는 불투명한 색 유리가 대부분이었습니다. 투명한 유리는 기원전 2000년경부터 사용되기 시작했으며, 기원전 1세기 로마 시대에는 유리병이나 컵을 저렴하게 살 수 있을 정도로 생산이 보편화되었습니다.

 

1세기경에는 유리대롱 불기(blowing) 기법이 발명되면서 유리의 대량 생산과 다양한 형태의 제작이 가능해졌습니다. 산업 혁명 이후에는 대형 판유리 제조 기술이 발전했으며, 17세기에는 프랑스 생 고뱅(Saint Gobain)사에서 압연법을 개발하여 대형 판유리 생산이 가능해졌습니다. 20세기에는 유리의 자동화 및 대량 생산이 이루어졌습니다. 또한, 19세기 말 프랑스의 과학자 에두아르 베네딕투스는 우연한 계기로 안전유리를 발명하여 자동차 사고 등으로 인한 유리 파편의 위험성을 크게 줄이는 데 기여했습니다.

 

2.유리의 성질

유리는 기본적으로 규사(SiO2)를 주성분으로 하여 탄산소다, 석회암 등을 섞어 높은 온도에서 녹인 후 급속 냉각하여 얻는 물질입니다.

 

광학적 성질

유리는 빛을 잘 투과시키는 성질을 가지고 있으며 공기 중의 빛의 속도와 유리 중의 빛의 속도 비율을 나타내는 굴절률을 가집니다. 일반 유리의 굴절률은 가시광선에 대해 약 1.52 정도입니다. 빛이 유리를 통과할 때 일부는 반사되고 일부는 흡수되며 나머지가 투과됩니다.

 

기계적 성질

유리의 강도는 원자 결합이 공유 결합을 기본으로 하므로 이론적인 강도는 높지만, 실제로는 표면의 작은 흠집 등으로 인해 쉽게 깨집니다. 경도는 비교적 단단하여 긁힘에 강하며 상온에서 모든 방향에서 동일한 탄성적 성질을 갖는 등방성 물질입니다. 깨지기 쉽지만, 어느 정도는 휘어지기도 합니다.

 

화학적 성질

유리는 화학적 불활성을 지니며 대부분의 산성 및 중성 물질에 대해 화학적으로 불활성이 우수합니다. 강산에도 잘 견디며, 심지어 왕수에도 녹지 않습니다. 약알칼리성 환경에서도 우수한 내성을 보입니다. 이러한 특성 때문에 음식을 담거나 화학 물질을 보관하는 용기로 적합합니다. 또한 내열성 및 내열충격성이 좋은데 주성분인 SiO2는 높은 내열성과 내열충격성을 가지고 있지만, 녹는점이 매우 높다는 단점이 있습니다. 다른 첨가물을 통해 녹는점을 낮추어 제조 효율을 높입니다.

 

3. 유리는 액체일까? 고체일까?

물질은 고체, 액체, 기체로 분류할 수 있습니다. 나무, 철, 종이와 같이 모양이나 크기가 변하지 않는 성질을 가진 물질의 상태를 고체라고 합니다. 물, 주스, 식초와 같이 담는 그릇에 따라 모양은 변하지만 양은 변하지 않는 물질의 상태를 액체라고 합니다. 그리고 담는 그릇에 따라 모양이 변하고, 담는 그릇을 항상 가득 채우는 공기, 헬륨과 같은 기체가 있습니다. 하지만 어떤 물질은 고체, 액체, 기체로 명확하게 분류하기 힘든 경우도 있습니다. 물질의 분자 구조는 액체 상태이지만 겉으로 보았을 때는 고체 상태로 보이게 됩니다. 따라서 유리는 외부 온도와 환경에 따라 대부분 고체이지만 때에 따라서 액체가 되는 경우도 있습니다.

 

이러한 성질을 이용하여 높은 온도에서 유리를 녹여가면서 도구를 이용해 모양을 만드는 것이 유리 공예입니다. 이처럼 여러 성질을 가진 물질은 또 있습니다. 미세 입자가 섞여 있는 액체를 ‘현탁액’이라고 하는데, ‘우블렉’이라는 것은 전분 가루와 물을 섞어 만든 현탁액입니다. 이 물질에 천천히 손을 넣어 손으로 쥐었다가 펴 보면 흘러내리면서, 자유롭게 모양이 바뀌는 액체의 성질을 볼 수 있습니다. 그러나 손이나 다른 물체로 충격을 주면 고체처럼 딱딱하게 굳어 손에 묻어나지 않습니다. 이렇게, 우블렉은 어떠한 때에는 액체 상태이고 어떠한 때에는 고체 상태로 변하는 신기한 물질입니다.

 

힘을 가하면 그 힘에 비례해 모양이 변하는 물.공기.알코올 등과 달리 가해지는 힘과 변형이 비례하지 않는 액체가 있는데, 우블렉은 힘과 변형이 비례하지 않는 액체로, 과학자들은 우블렉에 힘을 가하면 닿는 부분이 순간적으로 고체로 변한다는 사실을 고속 카메라를 통해 발견하였습니다. 이것은 충격이 가해지는 순간 물이 전분보다 충격 지점에서 빨리 사라지기 때문에 그 자리에 남은 녹말 입자들이 뭉쳐 높은 강도를 지닌 모양을 만드는 원리입니다. 이런 효과는 입자의 크기가 1㎛(100만 분의 1m) 이상인 현탁액이어야 나타납니다. 같은 현탁액인 우유는 입자 크기가 작아서 우블렉 현상이 일어나지 않습니다.

 

유리는 고체와 액체의 중간에 있는 비정질 고체로, 분자 구조가 불규칙하고 온도에 따라 흐름성을 보입니다. 우블렉은 전분과 물로 만든 현탁액으로, 힘을 가하면 고체처럼 굳고, 힘을 빼면 액체처럼 흐르는 특이한 성질을 가집니다. 이러한 물질들은 고체와 액체의 경계를 희미하게 만들고, 물질의 상태에 대한 새로운 이해를 제공합니다. 유리는 엿과 같은 비결정성 고체로 자연상의 고체는 결정성을 띄는데 이는 보통 결정상태가 더 안정된 상태이고 안정된 상태를 찾아가는 것이 자연법칙이기 때문입니다. 반면 인위적으로 만든 유리 플라스틱등에는 비결정 고체가 자연상태보다 많습니다.

유리