[스크랩] 원소와 원자의 차이

원소와 원자의 차이

(einbert님 요청글)

 

 

원자(Atom)와 원소(Element)의 차이는 무엇일까?

사실 그리 어렵지 않은 이 질문이 어른들에게도 어렵게 느껴지는 것은 중고등학교에서 화학을 공부할 때 주입식 공부를 했기 때문으로 생각됩니다. ^^

 

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원자란 것은 물질을 구성하는 기본단위이다. 물질을 구성하는 기본단위는 소립자(렙톤과 쿼크) 수준까지 내려가지만 렙톤과 쿼크 자체로 물질을 다루는 것은 거의 불가능하므로 우리가 다를 수 있는 수준에서의 기본 구성 단위라고 생각하면 된다.

 

처음 원자를 생각해 낸 사람은 그리스의 철학자 '데모크리토스'다. 이 사람은 물질을 절반으로 나누고, 그것을 다시 절반으로 나누고..... 식으로 무한히 반복된다면 어떻게 될까 하는 생각을 하다가 물질의 성질이 변하지 않는 가장 작은 것이 존재하게 될 것이라는 사유를 하게 됐고, 그래서 물질의 성질이 변하지 않는 가장 작은 것을 아톰이라고 명명 했다. (기본적으로 데모크리토스의 생각에 부합하는 것은 원자가 아니라 분자이지만... 당시에는 (뿐만 아니라 연구가 진행되는 동안) 분자가 알려지지 않아서 원자라는 단위를 사용했다.)

 

원소들은 성질이 같은 원자들끼리 분류해 놓은 것을 말한다. 분류의 개념이므로 추상적인 개념으로 현실적으로는 존재하지 않는다고 볼 수 있다. ㅎㅎㅎㅎ (뭐 말하자면 그것도 존재하는 것이지만..^^)

원소에 대해 좀 더 자세히 연구된 것은 돌턴에 의해서였는데, 돌턴은 중세시대에 연급술로 발전하게 된 화학 지식을 발전을 토대로 원자의 정확한 정의를 내리고 몇몇 원소들을 발견(?:규명)하게 됨으로서 초기의 화학이 발전하게 됐다. 물론 이러한 발전이 있는 동안은 유럽이 천제들의 시대라고 불렸던 르네상스 시대였으니 할 이야기도 많지만.... 전부 생략하기로 한다. (이건 순전히 내 맘이다. ㅎㅎㅎㅎ 여기서 자세히 이야기하면 꼭 이야기할 사람만 수십 명이나 된다. 물론 모두 천재들.. TT 이 천재들에 대해서는 나중에 한번 꼭 이야기하고 싶다.)

 

원소를 최초로 정리한 사람은 원소주기율표를 만든 '맨델레예프'다. 그 당시 알려졌던 원소들의 성질을 원자질량 순서로 배열한 후 직감적으로 통찰하여 원소 주기율표를 만들었으며, 몇몇 빠진 자리와 잘못된 자리를 바로잡기도 했다. 물론 맨델레예프의 주기율표가 몇군데 잘못된 부분이 있긴 했어도, 이는 중요한 것이 아니며, 원소들의 성질이 일정한 규칙을 따라 변화됨을 밝혀낸 것이 중요한 업적이라고 할 것이다.

 

원자들에 대해서 제대로 연구가 진행된 것은 먼 훗날, 20세기에 들어서부터이며 러더퍼드가 1900년에 발표한 원자가설을 출발로 볼 수 있다. 그 뒤 1913년 보어의 양자가설에 의한 수소원자 설명으로 원자이론의 혁명기를 맞이했으며, 디랙에 의해서 원자모형이 상대론과 양자역학을 고려됨으로서 현대의 원자모형이 나타나게 됐다.

자세한 내용들은 무척이나 복잡한 수식들(나도 완전히 잃어버렸다. -_-)을 통해서 계산되는 결과이므로 이 글에서는 바람직하지 않다고 생각되며(?) 이 글에서는 그 결과만을 따져보기로 한다.

 

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원자를 구성하는 원자핵과 전자

20세기 초에 원자를 연구한 결과 원자는 중심부에 질량이 집중되어 있는 원자핵과 넓은 공간에 구름처럼 분포되어 있는 전자로 구성되어 있다는 것이 알려지게 됐다. 원자핵은 양성자와 중성자로 구성되어 있으며, 양성자와 중성자의 개수에 따라서 원자의 특성이 결정된다. 양성자의 개수가 원자핵의 전하를 결정하므로 전자구름을 구성하는 전자의 개수도 양성자의 개수의 영향을 받는다고 할 수 있다.

결국 일반적으로 원자의 종류의 결정은 양성자의 개수에 따라서 99%는 결정된다고 볼 수 있다.

 

원자핵의 양성자에 따라서 전자구름의 모양에 따라서 원자의 특징이 바뀌게 되면서 우리가 보고 있는 수많은 물질을 구성하게 된다. 전자가 화학적으로 갖는 복잡한 성질들은 글 하나로 말할수 없을만큼 이루 복잡한 면이 있다.

 

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전자껍질의 규칙

전자껍질의 규칙을 살펴보기 위해서는 주양자수라는 것을 알아야 한다. 이 주양자수는 전자에 대한 슈뢰딩거의 파동방정식을 수소원자에 적용시키면 계산상의 한 과정에서 나타나는 숫자이다.

이 주양자수는 n으로 나타내며 1부터 시작하여 2,3,4,5.... 등의 자연수로 커진다. 대체적으로 원자핵과의 거리 순수대로 주양자수가 증가하며, 주양자수가 증가하면서 에너지 포텐셜이 증가해서 그만큼 원자로부터 전자가 잘 떨어져 나간다.

가장 바깥쪽의 껍질에 들어가게 되는 전자를 최외각전자라고 한다. 최외각전자는 화학결합에 관여하는 중요한 위치이다. (물론 화학결합이 그렇게 간단하지는 않다. ^^;)

 

전자부껍질의 규칙

전자부껍질은 전자껍질 내에서 다시 미세하게 구조가 나뉘는 것을 말한다.

순전히 계산상으로만 나타나는 이 숫자의 특성 때문에 원자의 특성이 결정된다는 것이 참 재미있다. ^^

부양자수는 1,3,5,7,9,.... 등등의 홀수로만 이루어져 있다.

이 주양자수는 한개의 전자껍질에 들어가는 전자가 들어갈 수 있는 방의 개수를 나타낸다.

 

복잡한 전이원소 규칙들과 훈트의 규칙...!!

전이원소는 8개의 옥테트 규칙을 따르지 않는(?) 원소들을 이야기한다. 뭐 좀 이야기가 틀리는데...

한 전자껍질에 들어가는 전자들의 개수가 8개를 넘어가게 되는 원소들을 일컷는 말이다.

부양자수의 개수만큼 생기는 방에 보통은 전자들이 낮은 에너지의 방부터 차곡차곡 쌓이는데, 전자의 개수와 방의 개수가 일치하는 순간 전자들은 에너지순위를 무시하고 한 방에 한개씩만 들어가게 된다. 이를 훈트의 규칙이라고 한다. 훈트의 규칙은 전이원소의 화학적 성질을 무척 복잡하게 하는 한 요인이 된다. -_-;;;

 

이상의 원자껍질 관련 내용은 다른 글에서 자세히 언급하고자 한다.

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원소는 흑인종, 황인종, 백인종, 원자는 사람 개개인이다.

원자를 분류하는 기준을 우리는 원소라고 한다. 위에서 이미 언급했듯이 원자란 한 개의 직접적이고 구체적인 대상들을 일컫는데 비해서 원소는 분류적인 개념이고, 추상적인 개념이다. 수소라는 원소로 분류될 수 있는 원자는 모두 세가지가 있다. 양성자 한 개를 원자핵으로 갖고 있는 원자들(H, 보통 이를 수소라고 말한다.)과 양성자 한 개와 중성자 한 개를 원자핵으로 갖고 있는 원자들(D, 중수소라고 말한다.)과 양성자 한 개와 중성자 두 개로 이루어진 원자들(T, 삼중수소라고 말한다.)이 그들이다. 양성자가 두개가 되면 이는 수소가 아닌 헬륨이 되므로 이미 다른 원소가 되는 것이다.

예를 들어 원자번호 1번인 수소를 흑인종이라 한다면 원자번호 2번인 헬륨을 황인종, 원자번호 3번인 리튬을 백인종 등등으로 비교할 수 있을 것이다. 흑인종 중 한 사람을 뽑았다면 수소중 한 원자를 뽑은 것과 같은 행동이라 할 수 있다.

 

동위원소, 동중원소

이처럼 같은 원소라도 원자핵을 구성하는 소립자들(핵자라고 이야기한다.) 즉 중성자의 숫자가 달라질 수 있다. 양성자의 개수가 똑같으므로 화학적인 성질은 거의 완전히 일치하지만 중성자의 개수의 차이만큼 원자의 질량이 차이가 나게 되고, 결국 물리적인 성질이 틀려지는데 이를 동위원소라고 한다. 반면 양성자의 개수와 중성자의 개수가 일치하지만 양성자의 개수는 다른는 원소들이 있는데 이 원소들은 화학적인 성질이 틀리다. 그래서 이러한 원소를 동중원소라고 한다.

 

동위원소는 일상생활 속에서도 많이 접했을 것이다.

원자력발전에 쓰이는 우라늄과 원자폭탄에 쓰이는 우라늄의 경우 우라늄원소의 동위원소의 쓰임새가 다른 경우이다.

한참 북한의 원자력발전소에 대해 이슈가 되던 때에 화자되던  경수로 원자로와 중수로 원자로의 경우 우라늄에서 나온 중성자를 감속시키는 데 필요한 물을 어떤 물을 사용했느냐에 따라 구분하는 것이다. 중수(D₂O)와 경수(H₂O, 일반적인 물).....에 따라서 이름도 틀려진다. ^^

일반적인 연대측정 방법인 탄소연대측정방법도 동위원소를 이용한 것이다. 시간이 지나면 질소로 변하는 탄소 동위원소의 양과 안정적인 탄소 동위원소의 양을 측정함으로서 얼마나 오래 전에 생성된 물질인지(유기물의 경우) 연대를 측정할 수 있는 것이다.

일반적으로 동위원소를 분리해 내는 것은 원심분리기의 원리를 사용하는데 기술적으로 쉽지 않다.

(그래서 원자폭탄을 개발한 나라가 세계적으로 많지 않은 것이다.)

 

동중원소는 일상 생활에서 그리 접할 기회가 없다.

예로 들자니 일상생활 속에서 들 예가 별로 없는 것 같다.

 

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원자핵에 대한 연구는 아직도 초보단계.....

원소를 다루기 위한 전자의 성질들은 비교적 초기부터 세부적으로 연구됐었다. 그래서 지금도 설명하기 벅찬 전자들의 정확한 계산을 통해서 관련 계산을 소수 6~7자리까지(충분히 필요한 수준으로) 정확히 계산할 수 있다.

하지만 원자핵에 대해서는 아직 연구가 된 것이 거의 없다. 원자핵 속에서 핵자들이 어떻게 움직이는지? 위치가 어떤지 등등 계산은 무척이나 복잡한데다가 핵자들의 숫자가 많다보니 50여년간 연구가 거의 제자리걸음이었다. 아주 간단한 핵자 하나에 대한 계산도 전문 박사들이 A4용지 수백장씩 써야 겨우 계산될 정도였다 하니 그 연구의 어려움을 익히 알만하다.

이러한 어려움을 조금이나마 해결한 사람이 마지막 과학자라고 일컬어지는 리차드 파인만의 업적중 하나이다. 리차드 파인만은 이 문제의 해결을 위해 파인만 다이아그램이라는 도식을 생각해 내고 이를 이용해서 웬만한 핵자 계산을 A4용지 서너장 분량으로 줄일 수 있는 획기적인 방법을 발견했던 것이다. 하지만 그러한 진보가 있었음에도 불구하고 아직까지도 핵자의 표준모델조차 연구되지 못하고 있다. 그 난이도가 얼마나 어려운지 상상을 초월하는 듯....!!!

연구가 제대로 되지 못하는 중요 이유중 하나는 아직도 물리학자들이 '강력'에 대한 이해가 충분하지 못한 것도 주요 원인이다.

 

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원자들의 모임 분자

대부분의 원자들은 혼자 독립적으로 있을 경우보다 다른 원자들이랑 붙어있는 경우가 에너지적으로 더 안정적이다. 원자들의 최외각 전자가 8개일 경우 에너지적으로 매우 안정적인데(수소와 헬륨 제외) 일반적으로는 8개가 아니기 때문에 8개가 되고자 하는 경향 때문에 다른 원자들과 최외각전자의 개수를 맞추어 결합하려고 한다. 최외각전자가 적은 경우는 떼어버리려는 성향이 강하고, 최외각전자가 많은 경우는 다른 원자가 떼어낸 원자를 받아들여서 8개로 맞추려고 하는 것이다.(꼭 그런것만은 아니다. 전체적으로 상대적이기 때문이다.) 딱 반인 4개를 갖고 있는 탄소나 규소의 경우에는 버리는 것과 받는 것이 거의 비슷한 안정성을 갖기 때문에 어떠한 경우의 결합도 가능하다. 하지만 탄소나 규소의 경우는 전자를 완전헤 떼어주거나 받아오는 경향보다는 공동으로 소유하는 경우가 더 많다.

이렇게 여러개의 원자들이 합해진 것을 우리는 분자라고 한다. 원자는 더이상 쪼갤 수 없는 입자라고 한다면 분자는 성질의 변화가 없이 더이상 쪼갤 수 없는 최소의 입자라고 해야 할 것이다.(데모크리토스가 말한 원자의 개념이다.)

 

한 개의 원자가 분자가 된 경우는 흔치 않는데 헬륨기체나 네온기체 등을 예로 들 수 있다. 이 두 원소는 다른 어떠한 원자와도 반응하지 않고 독립적으로 존재한다. (헬륨에 대한 성질은 매우 다양하고 재미있으므로 다른 글에서 언급하고자 한다.)

일반적인 공기분자는 자기와 똑같은 원자와 붙어 분자를 이룬다. N₂, O₂, F₂ 등등....

우리 주변에서 가장 거대한 분자들은 탄소화합물을 들 수 있다. 분자량은 거의 무한대(∞)라고 볼 수 있을 정도로 거대하다. 탄소 화합물은 생명의 본질을 이루는 기본적인 유기물이기도 하다. 또한 규소화합물도 매우 거대한 분자를 이룬다. 일부 학설에는 규소화합물로 생명체가 탄생한 다음 규소가 탄소로 치환되는 진화과정을 거처 원시적인 생명체가 생겨났다는 학설도 있다.

매우 잘 알려진 사실이지만 매우 많은 탄소나 규소 원자로 이루어진 단일 화합물의 경우 흑연이나 다이아몬드나 수정이 되기도 한다.

분자의 구분이 모호한 경우도 있는데, 금속의 경우나 이온화합물의 결정에서는 구성물질의 비율만 일정할 뿐이지 전체의 규모가 매우 변동적이어서 명확히 분자라 하기도 뭐한 경우라고 하겠다. 보통 소금의 분자식을 NaCl로 표시하는데 좀 더 정확히는 Na_∞Cl_∞로 해야 할 것 같다.

생명의 중요 암호를 쥐고 있는 DNA의 경우는 더욱 더 복잡한 분자구조를 갖고 있다. 이러한 무기적인 물질들이 모여 생명을 이룬다고 생각하면 흥미롭기 그지없다. ^^

 

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원자와 원소의 개념정리는 고등학교 화학의 출발점에서 매우 중요하다. 화학을 어렵게 느끼는 사람이 있다면 원자와 원소에 대한 첫번째 단추부터 잘못 채우면서 공부한 것이 아닌지 뒤돌아볼 필요가 있다.

 

이 글은 원자와 원소의 전반적인 이야기로써 고등학교 화학에 대한 기초적인 지식부터 시작해서 물리적 지식에 이르기까지 최대한 작성하려고 노력했다.

이 글을 충분히 숙지했다면 원소주기율표의 성질들(꽤 많죠... 질량, 크기, 원자가, 전자친화도 등등에 대한 변화특성들)을 전자기학을 고려하여 사색해 본다면 고등학교 화학1에 대해서는 공부할 것이 거의 없을 것이다.

출처 : 학성산의 행복찾기

글쓴이 : 학성산 원글보기

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