3. 원자, 분자 및 이온(상)

2-1. 원자론

 

 현대 화학의 시대는 돌턴의 연구로부터 시작되었다. 돌턴 원자론의 바탕이 되는 물질의 본질에 대한 가설은 다음과 같이 요약할 수 있다. 

 

1. 원소는 원자라고 하는 매우 작은 입자로 구성되어 있다. 

 

2. 한 원소의 원자들은 모두 동일하며, 크기, 질량, 화학적 성질이 모두 같다. 한 원소의 원자들은 다른 모든 원소의 원자들은 다른 모든 원소의 원자와는 서로 다르다.

 

3. 화합물은 두 가지 이상 원소의 원자로 이루어져 있다. 어떤 화합물이든지 존재하는 어느 두 원소의 원자수의 비는 정수 즉, 간단한 분수이다.

 

4. 화학 반응 원자의 분리, 결합, 재배열만을 포함한다. 다시 말해, 원자는 화학 반응에 의해서 생성되거나 없어지지 않는다.

 

 두 번째 가설에서 한 원소의 원자들은 다른 모든 원소의 원자들과 다르다고 하였다. 돌턴은 원자의 구조 또는 조성을 기술하기 위한 시도를 하지 않았으며, 실제로 원자가 어떻게 생겼는지 알지 못했다. 그러나 수소와 산소 원소의 서로 다른 성질이 수소 원자가 산소 원자와 같지 않다고 하는 가정을 함으로써 설명될 수 있다는 것을 그는 깨달았다.

 

 세 번째 가설은 어떤 화합물을 만들기 위해서는 위해서는 원소의 원자가 맞는 종류일 뿐만 아니라 이들 원자의 일정한 개수가 필요하다는 것을 제시하고 있다. 이러한 생각은 1799년 프랑스 화학자 프루스트가 발표한 법칙을 확장한 것이다.

프루스트의 일정 성분비 법칙(law of definite proportions)에 따르면 같은 화합물에서는 시료가 다를지라도 포함하고 있는 구성 원소의 질량비가 항상 똑같다. 그러므로 만일 다른 출처에서 얻은 이산화 탄소 시료를 분석하면 각 시료에서 탄소 대 탄소의 질량비가 같음을 발견할 것이다. 따라서 주어진 화합물에 들어 있는 서로 다른 원소의 질량비가 일정하다면 그 화합물에 있는 원소의 원자 비 또한 일정하다는 것은 이치에 맞는다. 돌턴의 세 번째 가설은 또한 다른 중요한 법칙인 배수 비례 법칙(law of multiple proportions)을 뒷받침해 준다. 이 법칙에 따르면 두 원소가 결합하여 둘 이상의 화합물을 만들 때 한 원소의 일정한 질량과 결합하는 다른 원소의 질량 사이에는 간단한 정수비가 성립한다. 

 

 네 번째 가설은 물질은 생성되거나 소멸되지 않는다는 질량 보존 법칙(law of conservation of mass)을 달리 표현하고 있는 것이다. 물질은 화학반응에서 변하지 않는 원자로 되어 있기 때문에 질량은 잘 보전되어야 한다. 

 

 

2-2. 원자의 구조

 

 돌턴의 원자론에 근거하여, 원자(atom)는 화학 결합을 할 수 있는 원소의 기본단위로 정의할 수 있다. 돌턴은 원자를 매우 작고 더 이상 나누어지지 않는 것으로 생각했다. 그러나 1850년대부터 20세기까지 계속된 일련의 연구를 통해 원자가 실제로 내부 구조를 가짐이 밝혀졌다. 다시 말해, 원자는 아원자 입자(subatomic particle)라는 훨씬 더 작은 입자로 이루어져 있으며, 이 연구를 통해서 전자, 양성자, 중성자의 세 가지 입자가 발견되었다. 

 

• 전자

 전자는 음의 기본 전하를 띠는 아원자 입자이다. 영국의 물리학자 톰슨( J. J. Thomson )은 음극선관과 그가 알고 있는 전자기 이론을 이용하여 전자 1개의 질량 대 전하 비를 결정하였다. 그가 알아낸 수치는 -1.76×10^8 C/g으로, 여기서 C는 전하의 단위인 쿨롱(coulomb)을 뜻한다. 그 후, 1908~1917년에 실행된 일련의 실험에서 미국의 물리학자 밀리컨(R. A. Millikan)은 전자의 전하를 정밀하게 측정하는 데 성공하였다. 그는 각 전자의 전하가 정확히 같다는 것을 증명하였다. 실험에서 밀리컨은 공기 중에서 그 전하를 띠고 있는 기름 방울에 전기장을 가하여 띄운 다음 현미경으로 이들의 움직임을 관찰하였다. 정전기학의 지식을 이용하여 밀리컨은 전자 한 개의 전하가 -1.6022×10^(-19)C임을 알아냈다. 이 자료로 전자 한 개의 질량은 9.10×10^(-28)g으로 매우 작음을 알 수 있다. 

 

• 방사능 

 1895년 독일 물리학자 뢴트겐은 음극선으로 인해 유리와 금속이 매우 특이한 빛을 방출한다는 것을 알았다. 이 활동성이 큰 방사선은 물질을 통과하고, 가려진 사진판을 검게 만들었으며, 여러 물질이 형광을 발하게 했다. 이 방사선은 자석에 의해 휘어지지 않기 때문에 음극선과는 달리 하전된 입자를 포함하지 않았다. 뢴트겐은 당시에 이 빛에 대해 잘 알지 못했기 때문에 이 빛을 X선이라 하였다. 뢴트겐의 발견 후 얼마되지 않아 파리의 물리학 교수인 베크렐(Antone Becquerel)은 물질의 형광성에 관한 연구를 시작하였는데, 아주 우연히, 두껍게 덮은 사진판을 어떤 우라늄 화합물에 노출시키면 음극선의 자극 없이도 사진판이 검게 된다는 사실을 발견했다. 우라늄 화합물에서 나오는 이 복사선은 X선처럼 매우 활동적이며, 자석에 의해 휘어지지 않지만, 자발적으로 발생하기 떄문에 X선과는 달랐다. 베크렐의 제자 중의 한 사람이었던 마리 퀴리는 이와 같이 자발적으로 입자나 복사선을 방출하는 것을 나타내기 위하여 방사능(radioactivity)이란 말을 제안하였다. 따라서 자발적으로 방사선을 방출하는 모든 원소를 방사성 원소(radioactive element)라고 한다. 

우라늄과 같은 방사성 물질은 붕괴(decay) 즉, 파괴되어 세 종류의 방사선이 발생된다는 것을 알게 되었다. 그 중 두 가지의 방사선은 반대로 하전된 금속판 사이를 통과할 때 휘어진다. 알파(α)선은 α입자라고 하는 양전하를 띤 입자로 구성되어 있어 양전하를 띠고 있는 판에 의해 휘어진다. 베타(β)선 즉, β입자는 전자이며, 음전하를 띠는 판에 의해 휘어진다. 방사선의 세 번째 형태는 감마(γ)선이라고 하는 높은 에너지의 복사선으로 이루어져 있다. X선과 같이 γ선은 전하를 갖지 않으며., 외부 자기장이나 전기장의 영향을 받지 않는다. 

• 양성자와 핵

 러더퍼드는 α 입자 산란 실험의 결과를 원자 구조에 대한 새로운 모형으로 설명할 수 있었다. 러더퍼드에 따르면, 원자의 대부분은 빈 공간으로 되어 있어야 한다. 원자의 양전하는 원자 내의 조밀한 중심부인 핵(nucleus)에 모두 집중되어 있다고 러더퍼드는 제안하였다. 산란 실험에서 α 입자는 핵에 가까이 갈 때마다 큰 반발력을 받아 크게 휘어진다. 더욱이 핵을 향해 정면으로 이동하는 α 입자는 움직이는 입자의 방향을 완전히 반대로 바꿀 수 있는 막대한 반발 작용을 겪게 된다. 핵에서 양으로 하전된 입자를 양성자(proton)라 한다. 별도의 실험에서 양성자 한 개의 전하는 전자 한 개의 전하와 크기가 같으며, 양성자의 질량은 1.67262×10^(-24)g으로, 이는 반대로 하전된 전자 질량의 약 1840배에 달한다는 것을 발견했다.

 이 단계에서 과학자들은 원자를 다음과 같이 인식하였다. 핵의 질량은 전체 원자의 질량을 이루고 있지만, 원자 부피의 약1/10^13 정도만을 차지한다. 원자(그리고 분자)의 크기는 피코미터(pm)라고 하는 SI단위로 나타낸다. 일반적으로 원자의 반지름은 약 100pm인 반면 원자핵의 반지름은 겨우 5×10^(-3)pm 정도이다. 원자를 스포츠 경기장이라 했을 때 그 원자핵의 크기를 작은 공깃돌에 비유하면 원자와 핵의 상대적인 크기를 짐작할 수 있다.

 

• 중성자

 양성자의 질량보다 약간 큰 질량을 가지며 전기적으로 중성인 입자를 중성자(neutron)라고 한다. 헬륨의 핵에는 양성자 두 개와 중성자 두 개가 있으나 수소의 핵에는 중성자는 없고, 양성자 한 개만 있으므로 그 비율은 4 : 1이 된다.

 

 

2-3. 원자 번호, 질량수 및 동위원소

 

 모든 원자는 그 원자에 포함된 양성자와 중성자의 수로 확인할 수 있다. 한 원소의 각 원자핵에 있는 양성자수를 원자 번호(atomic number, Z)라고 한다. 중성 원자에서 양성자수는 전자의 수와 같기 때문에 원자 번호는 원자에 있는 전자수를 가리키기도 한다. 원자의 화학적 본성은 거의 원자 번호에 의해 결정된다. 질량수(mass number, A)는 한 원소의 원자핵에 있는 중성자수와 양성자수를 합한 수이다. 원자에 있는 중성자수는 질량수와 원자 번호와의 차이인 (A-Z)와 같다. 주어진 원소의 원자가 모두 같은 질량을 가지는 것은 아니다. 대부분의 원소는 원자 번호는 같지만 질량수가 다른 원자인 동위원소(isotope)를 가진다. 예를 들면, 수소에는 세 가지 동위원소가 있다. 중성자가 없이 양성자 한 개만을 가지는 단순히 수소로 알려져 있는 것이 그 중 하나이다. 중수소는 양성자 한 개와 중성자 한 개를 가지며, 삼중수소는 양성자 한 개와 두 개의 중성자를 가지고 있다. 원소 X의 원자에 대하여 원자 번호와 질량수는 다음과 같이 나타낸다. 

A는 질량수, Z는 원자 번호이다.

 

2-4. 주기율표

 

주기율표

 위 그림은 현대적 주기율표로, 모든 원소가 화학적 성질의 유사성에 따라 주기(period)라고 부르는 수평인 열과 족(group 또는 family)이라고 부르는 수직인 행으로 원자 번호 순서로 배열되어 있다. 원소는 금속, 비금속, 준금속의 세 부류로 나눌 수 있다. 금속은 열과 전기를 잘 전달하는 좋은 전도체인 반면, 비금속은 일반적으로 열과 전기를 잘 전달하지 못하는 나쁜 전도체이며, 준금속은 금속과 비금속의 중간 성질을 갖는다. 위 주기율표를 보면 알려진 대부분의 원소들이 금속이고, 17개만이 비금속이며, 8개의 원소가 준금속이다. 어느 주기든지 왼쪽에서 오른쪽으로 갈수록 원소들의 물리적 화학적 성질은 점점 금속에서 비금속으로 변한다. 

 원소들은 대개 주기율표에 있는 족 번호에 의해 집단으로 속하게 된다. 그러나 편의상 어떤 원소족들은 특별한 이름을 갖는다. 1족 원소는 알칼리 금속이라 하고, 2족 원소는 알칼리 토금속이라 부른다. 17족 원소는 할로젠으로 알려져 잇고, 18족 원소는 비활성 기체(영족 기체)라고 한다.