02. 원자와 분자

1. 원자

다이아몬드는 탄소로 이루어져 있다. 물은 수소와 산소로 이루어져 있고, 또한 암모니아는 질소와 수소로 이루어져 있다. 첫 단원에서 우리는 물질을 이루는 기본 '성분' 단위인 원소에 대해서 이야기를 나누었다. 그렇다면 그것만으로 충분한 것일까? 사실 그렇지 않다. 원소 개념에는 상당히 중요한 개념이 하나 결핍되어 있는데, 그것은 바로 '양'의 단위이다.

과산화수소

물

물과 과산화수소는 모두 수소와 산소로 이루어져 있다. 이러한 사실은 조금 아래에서도 다시 다룰 예정이니 꼭 기억하길 바란다. 먼저 두 물질을 이루고 있는 '원소'의 종류는 동일하다는 것을 우리는 이미 알고 있으므로, 필자가 두 물질 사이의 차이를 찾아달라고 부탁한다면 독자 여러분은 하나의 간단한 사실을 알 수 있을 것이다. 바로 '산소의 개수'가 다르다. 둘은 분명 같은 성분으로 이루어져 있지만, 우리는 과산화수소를 물이라고 부르지 않는다. 우리는 직감적으로 두 물질은 서로 다르다는 것을 알고 있기 때문이다. 그렇다면 우리는 이제 특정 원소의 '개수'에 대한 정의가 필요하고 우리는 이러한 정의를 '원자'라고 한다.

즉 원자란 물질을 이루는 기본 '입자' 단위라고 정의할 수 있겠다.

그렇다면 원자는 어떤 구조로 이루어져 있는지를 살펴보자. 사실 원자 구조의 변천사와 현대적인 원자 모형은 중학교 수준에서 다루기에 적합하지 않으므로, 단순화된 구조를 살펴보기로 하자.

원자의 구조 - 출처: 한국원자력연구원 (kaeri.re.kr)

원자를 크게 두 가지 부분으로 구분하면 원자의 중심을 구성하는 양성자와 중성자로 이루어진 '원자핵'과 그 주위를 배회하는 '전자'로 구분할 수 있다. 그러나 전자는 사실 매우 작고 매우 활발히 움직이고 있기에, 원자의 대부분의 질량은 원자핵이 차지하며, 원자의 99%의 공간은 빈 공간으로 이루어져 있다.

원자핵은 원자핵을 구성하는 양성자 때문에 (+)전하, 즉 양전하를 띤다. 반면 원자핵을 배회한 전자는 (전하), 즉 음전하를 띤다. 이러한 양전하와 음전하의 양은 (원자 안에서는) 항상 일정하여, 일반적으로 원자는 전기적으로 '중성'이다. 따라서 종종 원자를 '중성 원자'라고 칭하기도 한다. 그러나 굳이 중성 이라는 글자를 붙이지 않더라도 원자는 일반적으로 중성임을 유념해 두자.

	Na	Cl
원자핵의 전하량	+11	+17
전자의 개수 (전하량)	11개 (-11)	17개 (-17)
전하의 합	0	0

표는 나트륨(소듐)과 염소의 원자핵 전하량과 전자의 개수를 나타낸 것이다. 눈치가 빠른 학생들은 바로 알았겠지만 원자핵의 전하량 혹은 전자의 개수는 해당 원자의 '원자 번호'와 동일하다. 한편 원자핵의 전하량과 전자의 전하량은 절댓값이 같으므로, 전하의 합이 0이 되어 '전기적으로 중성'임을 알 수 있다.

2. 분자

과산화수소

물

다시 물과 과산화수소로 돌아가 보자. 두 물질은 동일한 원소로 이루어져 있지만 원자의 개수가 다르다. 따라서 다른 물질이라는 것을 알 수 있다. 이것이 의미하는 바는 무엇일까. 바로 무엇인지 직관적으로 설명할 수는 없지만, 어떤 '성질'을 나타내기 위해서는 각 원소의 정해진 '개수비'가 존재해야 한다는 것이다. 이를 조금 더 과학적인 정의로 이야기 해 보자.

물은 수소 원자 두 개와 산소 원자 한 개로 이루어진다. 둘 다가 만족되어야 한다. 두 원소 중 하나의 개수만 달라져도 더 이상 그것은 물이 되지 않는다. 그리고 수소가 두개, 산소가 한 개 만나 결합이 형성되었을 때, 그때부터 물은 물로서의 '성질'을 갖는다. 따라서 우리는 이러한 물질들을 '분자' 라고 정의한다.

다시, 분자란 독립된 입자로 존재하여 '물질의 성질'을 나타내는 가장 작은 입자이다.

몇 가지 분자의 모형을 보면서 생각해 보자

분자	물	과산화수소	암모니아	메테인
분자식	물	과산화수소
구성 원자	수소 원자 2개 산소 원자 1개	수소 원자 2개 산소 원자 2개	질소 원자 1개 수소 원자 3개	탄소 원자 1개 수소 원자 4개

우리가 앞으로 많이 보게 될 분자 4가지 정도를 소개한 표이다. 중요한 개념은 다음과 같다.

1) 분자는 원자들이 서로 결합하여 만들어진다.
2) 결합하는 원자의 종류, 개수에 따라 분자의 종류가 달라진다. (성질이 달라진다.)
3) 결합이 끊어지면 (분자가 원자로 나누어진다면) 물질의 성질을 잃는다.
4) 같은 종류의 원자로 이루어져 있어도, 개수가 다르면 서로 다른 분자이다.

세상에는 수 없이 많은 분자가 존재하기에 지면이 부족하여 다 소개할 수는 없지만, 어떤 물질을 보았을 때 그 물질이 성질을 나타낸다면 이제 우리는 그 물질을 '분자' 라고 칭할 수 있겠다.

 

3. 원소와 분자의 표기법

현재는 시간이 많이 흘러 과학사에 많은 발전이 일어나 과학을 전공하지 않은 일반인도 어느 정도의 원소기호를 읽을 줄 안다. 그러나 불과 100년, 200여년 전 처음 과학이 태동하던 시기에는 원소기호 라는 것이 존재하지도 않았고, 또한 원소는 눈에 보이지 않았기에 어떤 물질을 특정 원소 혹은 특정 분자라고 표현하는 것에 매우 어려움이 있었다.

연금술 기호들

화학의 아버지들인 연금술사들은 초기에 이러한 기호들로 원소들을 표기하였다. 점성술이나 천문학에서 사용하던 기호들을 많이 차용하여 사용했다는 특징이 있다. 그러나 이러한 기호의 가장 큰 문제는 역시 '일반화'이다. 각각의 그림을 모두 외운다는 것은 당대의 사람들에게도 상당한 부담으로 작용하였을 것이다.

돌턴의 원소 기호

이후 근대에 이르러 이른바 '원자설'을 제창한 돌턴에 의해 어느 정도 정규화된 그림이 나타나기 시작했다. 비록 현대의 기호와는 조금 동떨어진 느낌이 들지만, 이 기호들은 하나의 원 안에 해당 원소의 그림을 그려 나타내는 방식으로 어느 정도 이것이 '원소 기호' 라는 느낌이 들게 만드는 데 성공하였다.

현대의 주기율표

현대의 주기율표에 사용되는 원소 기호들은 '베르셀리우스'에 의해 제창되었다. 베르셀리우스는 특정 원소들의 이름을 단지 '알파벳'으로 표현하였는데, 이것이 화학의 발전에 상당한 기여를 했다고 볼 수 있다. 베르셀리우스는 원소의 첫 글자 이름을 대문자로 표기하는 방법으로 원소 기호를 썼으며, 만약 첫 글자가 중복된다면, 두 번째 글자를 중간 어디 적당한 곳에서 떼어 와 소문자로 표기하는 방식을 채택하였다. 아래는 몇 가지 원소의 이름과 원소 기호의 예시이다.

원소	수소	탄소	산소	염소
원소 이름	Hydrogen	Carbon	Oxygen	Chlorine
원소 기호	H	C	O	Cl

탄소와 염소는 첫 글자가 C로 동일하므로, 나중에 발견된 염소는 중간 글자인 l을 따와 Cl이 되었음을 알 수 있다. 정리해 보자면 원소 기호를 작성하는 방법은 다음과 같다.

1) 원소의 첫 글자를 따서 '대문자'로 표기한다.
2) 만일 첫 번째 글자가 중복된다면, 중간의 글자를 가져와 '소문자'로 표기한다.

이와 같은 방법을 통해 비교적 간단하게 원소 기호를 나타낼 수 있게 되었다.

이번에는 분자식에 대해서 알아보자

2CH₄

_{이러한 분자식이 있다고 가정해 보자. 우리가 알고 있듯, 메테인의 분자식이다. 그런데, 앞에 숫자 2가 붙어있음을 알 수가 있는데, 이는 분자식의 '계수'라고 표현한다. 즉 정리해 보면 메테인 분자가 '2개' 있다는 말과 동일하다.}

_{메테인 분자에는 하나의 탄소와 4개의 수소로 이루어져 있다. 그런데 해당 메테인이 두 분자 있으므로, 원자의 개수도 이의 두 배가 되어야 한다. 따라서 해당 분자식의 탄소의 총 개수는 두개, 수소의 총 개수는 여덟 개가 된다.}

 

_{Edited. 21.04.29}