2 원 자
2.1 원자 : 그리스인의 생각
2.2 과학법칙 : 질량보존의 법칙과 일정성분비의 법칙 2.3 돌턴의 원자론
2.4 멘델레예프와 주기율표
2.5 원자와 분자 : 실존성과 중요성
원자란 무엇인가? 인간의 호기심을 우선적으로 자극하는 이 단어에
대한 사고는 그리스 시대부터 출발하였으나, 실제로 실험적 방법으
로 확인된 것은 불과 200여년 전이다. 원자에 대한 발전 과정을 살펴
보자.
원자는 실제로 존재하는가 ?
원자란?
- 세상의 모든 물질은 원자로 만들어짐 - 1센트 동전 : 1022개의 원자로 이루어짐 - 원자에 관심을 가지는 이유
• 우리 생활의 일부분
• 화학은 원자의 성질을 연구 ( ∵ 화학은 물질에 관한 연구이기 때문) - 원자는 주어진 원소의 성질을 갖는 가장 작은 입자
2.1 원자 : 그리스인의 생각
- B.C.E. 5세기, 그리스 철학자 레우키포스(Leucippus)
* 더 이상 나누어지지 않는 궁극적으로 작은 물의 입자가 존재한다고 생각
* ex) 해변 - 멀리서 보면 연속적
- 가까이서 보면 작은 모래알
- 데모크리토스(약 B.C.E. 460-370)
* 이 작은 입자를 “atoms” 라고 부름
* 각 원자의 모양과 크기가 독특한 것이라고 생각
그림 2.2 데모크리토스는 물 ’원자’는 부드러운 원형 구, 불 ‘원자’는 날카로운 모 서리가 있다고 상상
그림 2.1 모래사장
- 그리스인의 4가지 기본원소 : 흙, 공기, 불, 물
- 아리스토텔레스(약 B.C.E. 384-322)
* 물질은 연속적임
* 별개로 독립된 원자로 되어 있는 것이 아니라고 선언
그림 2.3 물질에 관한 그리스인의 견해는 4가지 “원칙”에 의해 연결 된 4가지 원소가 있다는 것임
2.2 과학법칙 : 질량보존의 법칙과 일정성분비의 법칙
- 라브아지에(Antoine Laurent Lavoisier, 1743-1794)
: 화학반응이 닫힌 계 안에서 수행되면 전체 계의 질량은 변하지 않음을 정량적인 실험을 통해 확인함
⇒ 현대 화학의 아버지 질량보존의 법칙
: 물질은 화학 변화를 하는 동안 창조되지도 않고 없어지지도 않음
그림 2.4 산화수은(붉은 고체)은 수은(액체 은) 또는 산소(무색 기체)의 성질이 전혀 없지만 산화수은 100.00 g이 열에 의해 분해되면 생성물은 수은 92.61 g과 산소 7.39 g이다. 이 반응 에서 성질은 완전히 변하지만 질량의 변화는 전혀 없다.
그림 라브아지에의 연구는 화학 을 정량적인 과학으로 자 리매김한 출발점이었다.
1788년 자크 루이스 데이 비드가 그린 라브아지에와 그의 부인
일정성분비의 법칙
: 한 화합물은 항상 같은 원소를 일정한 비율로 갖는다.
- 프루스트(Joseph Louis Proust, 1754-1826) : 실험을 통해 탄산구리의 구성 질량비
= 구리 57.48%, 탄소 5.43%, 수소 0.91%, 산소 36.18%
그림 2.5 탄산구리[copper carbonate, Cu2(OH)2CO3]는 자연에서는 공작석(malachite)으로 존재한다.
(a) 탄산구리는 구리지붕의 녹으로 형성된다. (b) 탄산구리는 실험실에서 합성될 수 있다.
(c) 출처가 어디든지 염기성 탄산구리는 항상 같은 조성을 갖는다.
탄산구리의 분석을 통해 프루스트는 일정성분비의 법칙을 발견했다.
- 일정성분비의 초기 예
: 스웨덴 과학자 베르셀리우스(J. J. Berzelius, 1779~1848)의 연구에서 발견함
그림 2.6 베르셀리우스의 실험이 일정성분비의 법칙을 어떻게 설명하는지를 보여주는 예
그림 베르셀리우스는 광범위한 원자량의 목록을 만든 첫 번째 인물이었다. 1828년 에 발표되었지만 현대의 값과 놀라울 정도로 잘 일 치한다.
- 물의 전기분해
* 1783년 영국 귀족 캐번디시(Henry Cavendish, 1731~1810) 수소가 산소 안에서 연소할 때 물이 생기는 것을 발견
* 1800년 영국 과학자 니콜슨(William Nicholson)과 칼라일(Anthony Carlisle) 물로 전기를 통하게 하여 물을 수소와 산소로 분해하였음
그림 2.7 물의 전기분해 - 일정성분비의 법칙 예 (수소 : 산소 = 2:1 부피비)
2.3 돌턴의 원자론
- 돌턴(John Dalton) : 축적된 실험자료를 설명하려는 모델 제안 ex) 물(H2O)에서 산소(O)와 수소(H)의 질량비 = 7.94 : 1.00
암모니아(NH3)에서의 질소(N)와 수소(H)의 질량비
= 4.68 : 1.00 (14 : 3)
⇒ 변하지 않는 비율을 물질이 원자로 이루어져 있다고 생각함
배수비례의 법칙
: 원소들은 한 가지 이상의 비율을 가질 수 있음 ex) 탄소(C)와 산소(O)의 질량비
= 1.00 : 2.66 (or 3.00 : 8.00) 로 결합하여 이산화탄소 형성 탄소(C)와 산소(O)의 질량비
= 1.00 : 1.33 (or 3.00 : 4.00) 로 결합하여 일산화탄소 형성
그림 돌턴(1766~1844).
원자론 이외에도 돌턴 은 기체 거동에 관한 중요한 연구를 하였다. 그는 색맹이었음에도 불구하고 과학에 많은 공헌을 하였다.
원자론을 이용한 설명
돌턴은 수소의 질량을 1로 하고 상대적인 원자질량(원자량)을 표로 만듦 (1) 일정성분비의 법칙 설명
불소 원자의 무게가 수소 원자 무게의 19배라면, 불소 원자 하나와 수소 원자 하나로 구성된 화합물
⇒ 수소질량 1부분과 불소의 질량 19부분으로 구성
⇒ 일정성분비의 법칙이 타당하기 위해서는 물질은 원자로 되어있어야 함 (2) 질량보존의 법칙 설명
F + H → HF : 단순히 원자들의 재배열
그림 2.8 일정성분비의 법칙과 질량보존의 법칙은 돌턴의 원자론으로 설명된다.
(3) 배수비례의 법칙 설명
ex) 1.00 g의 탄소는 1.33 g의 산소와 결합하여 일산화탄소 생성 1.00 g의 탄소는 2.66 g의 산소와 결합하여 이산화탄소 생성
⇒ 이산화탄소의 탄소 1g 당 질량은 일산화탄소의 2배이다.
그림 탄소(C) 하나와 산소(O) 2개를 가진 분자는 이산화탄소(CO2)이다.
이산화탄소는 여러분이 숨을 쉴 때 내뱉으며, 탄산음료에 들어 있는 기체이 다. -80℃까지 냉각하면 이산화탄소는 드라이아이스(옆 그림)가 된다.
드라이아이스는 물건을 배송할 때 얼린 상태를 유지한다.
O원자 하나와 탄소가 결합하면 치명적인 일산화탄소(CO)가 된다. 공기중에 CO가 0.2%만 있어도 치명적이다. 불행히도 대부분의 연료가 연소할 때 약간 의 CO를 배출한다. 따라서 차를 주차장에 두고 문이 닫힌 채로 엔진을 켜두 면 안된다.
- 돌턴은 다른 종류의 원자를 나타내기 위해 기호를 발명했음
동위원소 : 질량이 다른 같은 원소의 원자
- ex) 탄소원자 : C-12 = 대부분, C-13 = 1.1%
그림 2.9 몇 가지 돌턴 의 원소기호.
문제 풀이 : 질량과 원자비
예제 2.1 질량비
연료 전지의 수소는 메탄(CH4)을 분해하여 얻는다. 메탄은 또한 천연가스의 주성분이다. 메탄은 탄소의 질량 3부분과 수소의 질량 1부분으로 분해된다.
90.0 g의 메탄으로부터 수소가 얼마나 만들어질 수 있는가?
풀 이
H CH g
g H CH g
g 22 . 5
00 . 4
00 . 0 1
. 90
4
4
예제 2.2 원자비
황화수소(hydrogen sulfide)는 질량비 16:1로 황과 수소로 분해된다.
수소의 질량을 1로 했을 때 황의 상대적 질량이 32라면 황 원자 하나에 몇 개의 수소가 결합한 것인가?
풀 이
S atom
H atoms H
unit H atom S
units H unit S
atom
S units
1 2 1
1 0
. 16
00 . 1 1
0 .
32
2.4 멘델레예프와 주기율표
상대 원자질량
- 톨턴의 원자질량 : 수소의 원자질량을 1로 하여 얻어짐 - 상대원자질량 : C-12를 기준
- 상대질량단위(atomic mass units, amu)
멘델레예프의 주기율표
1869년 러시아의 화학자 멘델레예프에 의해 주기율표 발표됨 - 원자량의 증가순서로 배열
- 화학적 성질이 비슷한 원소를 같은 열에 배치
- 비슷한 성질을 가진 원소들을 같은 족에 놓기 위해 빈칸을 남김 (ex. 에카-붕소(현재, 스칸듐), 에카-알루미늄(현재, 갈륨),
에카-실리콘(현재, 게르마늄)
그림 현재의 주기율표와 비 슷한 63원소의 주기율표 를 만든 러시아 화학자 멘델레예프는 당대의 위 대한 스승이었다. 그는 적당한 화학 교과서를 찾 을 수 없어서 『화학의 원리 』라는 교과서를 직 접 만들기도 하였다. 그 는 석유의 성질과 근원에 관한 연구를 하였으며 과 학에 많은 공헌을 하였다. 101번째 원소 멘델레븀 (mendelevium, Md)은 멘 델레예프의 이름을 딴 것 이다.
그림 2.10 멘델레예프의 주기율표.
1898년에 만들어진 주기율표에 서 텔루륨의 원자질량이 요오드 원자질량보다 작다고 잘못 기술 하였다.
예제 2.3 주기적 성질의 예측
1829년 독일 화학자 되베라이너(Johan Dobereiner)는 성질이 매우 비슷한 3개의 원소들 그룹이 몇 개 있음을 알게 되었다. 각 경우에 중간에 있는 원소는
원자질량, 반응성과 기타 성질들이 다른 두 원소의 중간에 위치한다.
이런 것들 중 하나가 알칼리 생성물이라고 그가 이름 붙인 리튬, 나트륨, 칼륨 이었다. 중간원소의 상대적 원자질량이 다른 두 원소 상대적 원자질량의 평균과 가까움을 보여라.
풀 이
리튬(Li)의 원자질량은 6.941 u이고 칼륨(K)의 원자질량은 39.098 u이다.
두 값의 평균은 (6.941 u + 39.098 u)/2 = 22.795 u
이 값은 나트륨(Na)의 원자질량인 22.989 u와 매우 가깝다.
- 현재의 주기율표 : 118개의 원소가 있음
그림 2.11 주기율표에서 원소 의 표시
2.5 원자와 분자: 실존성과 중요성
- 원자는 실존하는가?
; 원자의 컴퓨터 처리 영상을 관찰할 수 있는 간접적인 증거가 존재함
- 원자들은 실제적으로 중요한가?
; 많은 현대과학과 기술이 원자개념에 기초
- 분자(molecule) : 화학결합으로 연결된 원자들의 집단 - 화학식으로 나타내어짐
(ex. 수소분자 ; H2, 물분자 ; H2O)
재활용
철은 원소이므로 철은 창조되지도 않는다. 그러나 항상 원소 상태로 발견된다는 뜻은 아니다. 철의 재활용에 대해서 다음 2가지 경로를 생각해 보자.
1. 철광석(적철광)이 지표면에서 채굴되어 선철로 전환되고 강철캔이 된다.
강철 캔이 버려지면 철이 녹슨다. 철 이온은 녹에서 흘러나와 지표수를 따라 바다로 흘러 들어간다. 용해된 이온은 해양식물에 흡수된다. 해양식물을 먹고 사는 해양 동물은 이 철 이온을 흡수한다. 초기의 철 원자는 공간에 널리 퍼지게 되었다. 이 이온들 중 일부는 여러분의 피에 있는 헤모글로빈 중의 일부가
되었을 수도 있다. 철은 재활용된다. 그러나 초기의 선철로 돌아가지는 않는다.
2. 철광석(적철광)이 지표면에서 채굴되어 선철로 전환되고 그 다음에 강철(탄소와 철의 합금)으로 전환된다.
강철은 자동차를 만드는데 사용되고 자동차는 10여년 운행되다가 폐차장에 버려진다. 폐차장에서는 자동차를 압축하여 재활용 공장으로 보내고
그 곳에서 강철은 회수되어 새 자동차에 다시 쓰인다.
일단 철이 광석으로부터 얻어지면 철은 기본적인 금속 형태로 보존된다. 이런 형태의 재활용을 통하여 철은 오랜 기간 유용하게 쓰인다.
