화학1 원자의 구조
안녕하세요^^
좋은 하루 되시기를 기원합니다.^^
화학1 두 번째 단원 원자의 세계 중 첫 번째 중단원 원자의 구조에 대해서 정리를 해보겠습니다.
원자에 대해서 들어봤습니다. 학창 시절이나 사회에 나와서도 들어 봤는데, 도대체 원자가 무엇일까요?
원자의 정의는 물질을 구성하는 가장 작은 입자 라고 합니다. atom이라고 하죠.
그럼 언제부터 원자라는 말을 사용했을까요?
원자 즉 atom은 그리스 철학자 데모크리토스가 á(부정하다)와 tomos(자르다) 를 합쳐서 átomos (자를 수 없는)에서 유래가 되었습니다. 데모크리토스는 '물질은 쪼개면 언젠가는 더 이상 쪼갤 수 없는 입자로 구성되어 있다'(입자설)라고 했죠. 당시 대표적인 철학자인 아리스토텔레스는 '물질을 쪼개면 언젠가는 없어질 것이다.'(연속설)와 전혀 상반된 주장을 하였는데, 누구의 의견이 지지를 받았을까요? 바로 아리스토텔레스입니다. 그래서 데모크리토스의 의견을 사람들 머리에서 잊히다가 근대에 와서 보일, 라부아지에, 돌턴 등 여러 명의 과학자들로 인해서 재조명을 받기 시작했고, 지금은 데모크리토스의 주장이 주류학설이 되었습니다.
1803년 영국의 화학자 돌턴은 '원자설'를 발표하면서 '원자는 더 이상 쪼갤 수 없는 입자이다.'라고 주장을 하였습니다. 이후 많은 과학자들이 원자가 정말로 가장 작은 입자일까? 더 쪼깰 수 없을까?를 실험을 하면서 증명하기 시작했습니다.
우리는 원자를 구성하는 입자에는 전자와 원자핵(양성자와 중성자)으로 구성되어 있다는 것을 알고 있죠. 그럼, 어떻게 발표가 되었는지 알아보도록 하겠습니다.
1. 전자
원자를 구성하는 입자 중 가장 먼저 발견된 것이 전자입니다. 전자는 톰슨의 음극선 실험을 통해서 알려졌는데요~~
그림에서 초록색 빛 보이시나요? 이것이 음극선입니다. 음극선은 내부가 진공인 관 양쪽에 음극과 양극은 설치하고 높은 전압을 걸어주면 음극에서 양극으로 빛이 이동합니다. 이 빛을 음극선이라고 했죠. 왜? 톰슨이 실험을 하기 전까지 음극선이 무엇인지 몰랐기 때문이죠. 톰슨은 이런 음극선 실험을 하면서 4가지 성질을 알아냈습니다.
톰슨의 음극선 실험 결과를 보면 다음과 같다.
1. 음극선은 질량을 가진 입자, 2. 음극선은 (-)극 전하를 띤다. 3. 음극선은 전하를 띤다. 4. 음극선은 직진하는 성질이 있다.
이런 실험 결과를 통해서 톰슨은 음극선이 질량을 가지고, 전하를 띤 입자의 흐름임을 밝히면서 음극선을 이루는 입자는 원자를 구성하는 입자라고 이야기를 하였고, 후에 과학자들이 톰슨이 발견한 입자를 전자라고 하였다. 톰슨은 이런 결과를 바탕으로 전체적으로 (+) 전하를 띤 물질 속에 (-) 전하를 띤 전자가 띄엄띄엄 박혀 있는 새로운 원자 모형을 제안했죠. 톰슨의 원자모형이 나오기까지 돌턴의 원자설을 근거로 제시한 더 이상 쪼갤 수 없는 입자였는데, 톰슨의 전자 발견으로 수정이 불가피하게 되었다.
2. 원자핵
원자핵은 원자를 구성하는 입자에서 중심에 차지하는 입자로 양성자와 중성자로 구성이 된다.
원자핵을 처음 발견한 학자는 러더퍼드이다. 러더퍼드는 알파입자 산란 실험을 통해서 원자의 대부분은 빈 공간이면, 원자의 중심에는 밀도가 매우 크고, (+)전하를 띠는 부분(원자핵)이 존재한다는 것을 밝혀냈다.
러더퍼드는 알파입자산란 실험을 할 때 톰슨의 모형으로 결과를 예측했었다. 얇은 금속박에 알파입자를 쏘여주면 그림에서 왼쪽처럼 한쪽으로만 모일 것이라고 예측하고 실험을 했는데, 결과는 오른쪽 그림처럼 되면서 실험이 잘못되었나? 아니면 톰슨의 원자모형이 틀린 것이 아닌가? 생각을 하였고, 반복되는 실험 속에서 오른쪽 결과처럼 나오면서 톰슨의 원자모형이 틀렸다는 것을 알게 되었다. 즉, 러더퍼드는 톰슨의 원자 모형이 맞다면 전자에 비해 질량이 매우 큰 알파입자를 빠른 속도로 원자에 충돌시키면 대부분의 알파입자는 금 원자를 그대로 통과하고 일부의 알파입자만 약간 휘어질 것이라고 생각했다. 하지만, 결과는 아니었다. 오른쪽 그림처럼 대부분의 알파입자는 그대로 통과를 했지만, 일부 알파입자가 매우 큰 각도로 휘어지면서 톰슨의 원자모형을 다시 한번 생각하게 되었다.
러더퍼드는 알파입자 산란 실험을 통해서 다음과 같은 결과를 도출했다.
1. 대부분의 알파입자가 직진하여 금박을 통과한다. - 원자 대부분은 빈 공간이다.
2. 알파입자의 극히 일부만이 크게 휘거나 튕겨져 나온다. - 매우 좁은 공간에 (+)전하를 띠며, 질량이 큰 부분이 존재한다.
결론은 원자의 대부분은 빈 공간이고, 중심에 (+)전하를 띠고 질량이 매우 큰 원자핵이 존재한다.
이 실험을 통해서 톰슨의 원자모형이 러더퍼드의 원자모형으로 수정이 되는 계기가 되었다.
러더퍼드의 원자 모형은 톰슨처럼 (-)전하가 원자 내 박혀 있는 것이 아니고 원자 가운데 원자핵이 있고, 전자들은 원자핵 주위를 움직이고 있는 원자 모형을 제시한다.
3. 양성자 발견
양성자라는 개념을 확인시킨 과학자는 골드슈타인이다. 골드슈타인은 양극선 실험을 통해서 발견하였는데, 진공 방전관에 소량의 수소기체를 넣고 방전시키면 (+) 극에서 (-)극쪽으로 이동하는 입자의 흐름을 발견하고 이를 양극선이라고 하였다. 하지만, 이 양극선이 무엇인지 설명을 못했고, 러더퍼드가 이 양극선이 수소 원자핵(H^+)이라는 것을 알게 되었고, 이 입자를 양성자라고 하였다.
4. 중성자 발견
중성자를 예측한 것은 러더퍼드다. 러더퍼드는 헬륨 원자핵의 전하량은 양성자의 2배이지만, 질량은 4배라는 사실을 통해 원자핵 속에 질량이 크고 전기적으로 중성인 입자가 존재할 것으로 예측은 했다. 이 예측을 실험을 증명한 사람이 채드윅 과학자이다. 채드윅은 베릴륨 원자핵에 알파입자를 충돌시키는 실험을 통해서 전하를 띠지 않는 입자가 방출하는 것을 발견하고 이를 중성자라고 하였다. 중성자는 전하를 띠지 않기 때문에 존재를 알아내기 어려워 원자를 구성하는 입자 중에서 가장 늦게 발견되었다. 중성자의 발견으로 헬륨 원자핵의 질량을 설명할 수 있게 되었으며, 원자를 이루는 전자, 양성자, 중성자의 존재가 모두 밝혀지게 되었다.
자, 원자를 구성하는 입자가 어떻게 발견되었는지 알아봤으니, 원자의 구조가 어떻게 되는지 알아볼께요^^
5. 원자는 (+) 전하를 띠는 원자핵이 중심에 있고, 그 주위를 (-)전하를 띠는 전자가 가 운동하고 있다. (여기서 원자핵의 양성자와 전자 사이에는 정전기적 인력이 작용한다. ) 원자핵은 (+)전하를 띠는 양성자와 전하를 띠지 않는 중성자로 이루어져 있다.
6. 원자의 지름은 10^-10m 정도인데, 원자핵의 지름은 10^-15m ~ 10^-14m 정도로 매우 작다. (원자 1개의 크기가 축구장이라면 원자핵의 크기는 축구장에 있는 구슬 1개의 크기라고 볼 수 있다. )
크기는 그림처럼 엄청 작다. 그럼, 질량은 어떨까?? 아주 작다. 양성자와 중성자의 질량을 비슷하고, 전자의 질량은 양성자와 중성자의 질량에 비해 무시할 수 있을 정도로 작다. 따라서 원자의 질량 대부분은 원자핵이다. 전기적인 성질은 양성자는 (+) 전하를 띠고, 전자는 (-) 전하를 띤다. 중성자는 전하를 띠지 않는다. 따라서 원자는 양성자수와 전자수가 같으므로 전기적으로 중성이다.
7. 원자 번호와 질량수
원자 번호는 원자핵 속에 들어 있는 양성자수를 말한다. 원자핵 속에 들어 있는 양성자수는 원자마다 다르고, 이 양성자수에 따라서 화학적 성질이 다르다. 모즐린 과학자가 양성자수를 가지고 원자번호로 정하자고 주장을 하여 양성자수를 원자번호로 정했다. 참고로 원자의 양성자수와 전자수는 같다.(원자는 전기적으로 중성이어야 하므로)
질량수는 양성자수와 중성자수를 합한 값으로 원자의 상대적인 질량을 의미한다. (전자는 양성자와 중성자의 질량에 비해 무시할 수 있을 정도로 작기 때문에 포함을 안 시킨다.)
8. 원자의 표시
원자를 표시할 때는 그림처럼 나타내는데, A는 질량수, B는 원자번호, Z는 원소기호이다. Na(나트륨)은 원자번호가 11이고, 질량수가 23이다. 여기에 양성자수는 원자번호이므로 양성자수는 11개, 중성자수는 질량수에서 양성자수를 빼면 되므로 12개이고, 전자는 원자일 때 양성자수와 같아야 하므로 11개이다. 원자의 표시를 통해서 원자가 가지고 있는 양성자 수, 전자수, 중성자수, 질량수등을 알 수 있다.
9. 동위원소
동위원소란 양성자수는 같지만, 질량수가 다른 원소를 말한다. 예를 들면 수소원소에는 질량수가 1인 수소, 질량수가 2인 수소, 질량수가 3인 수소가 있다. 이들의 화학적 성질은 비슷하다. 왜? 화학적 성질은 양성자에 의해서 결정되기 때문이다. 그럼, 질량수가 다른 이유는 중성자가 다르기 때문이다. 이처럼 양성자수(원자번호)는 같지만, 중성자수가 달라서 질량수가 다른 원소를 동위원소라고 한다. 지구상에는 동위원소가 있는데, 대표적으로 수소, 산소, 탄소, 염소이다.
수소는 H(Hydrogen, 수소), D(Deuterium, 중수소), T(Tritium, 삼중수소)로 구분하는데 H는 질량수가 1인 수소, D는 질량수가 2인 수소, T는 질량수가 3인 수소로 자연계에 가장 많이 존재하는 수소는 H이다. 이 동위원소들의 화학적 성질은 양성자수가 같기 때문에 비슷하다. 하지만, 질량, 크기, 밀도, 녹는점, 끓는점은 다르다. 왜? 질량수가 다르기 때문이다. 그래서 원자량(원자들의 상대적인 질량)이 조금씩 다르기 때문에 우리는 동위원소의 비율을 계산하여 평균 원자량을 사용한다. 평균원자량은 각 동위원소의 원자량과 존재비율을 곱한 값을 더하야 구한다. 예를 들면 염소는 질량수가 35인 염소와 37인 염소가 지구상에 존재하는데, 비율은 35인 염소가 약 75%, 37인 염소가 약 25% 존재한다. 이들을 계산하면
이상 원자의 구성에 대한 이론을 정리했습니다.^^
다음에는 원자의 모형과 전자배치에 대하여 올리도록 하겠습니다.^^ 긴 글 읽어주셔서 감사합니다.^^