성인을 위한 재밌는 과학 공부! 궤도가 알려주는 화학 이야기｜궤도와 과학 마스터｜나의 두 번째 교과서｜알고e즘

화학, 세상의 모든 것을 이해하는 열쇠

화학은 한자 그대로 '될 화(化)' 자에서 알 수 있듯이, 어떤 것이 다른 것으로 변하는 물질의 변화를 다루는 학문이야. 영어로는 '케미스트리(Chemistry)'라고 하는데, 이건 옛날 사람들이 귀한 금을 만들려고 노력했던 '연금술(Alchemy)'에서 유래했다고 해. 비록 금을 만들진 못했지만, 이것저것 실험하면서 화학 발전에 큰 영향을 줬지.

지금은 연금술과는 거리가 멀지만, 화학은 우리 생활과 아주 밀접하게 연결되어 있어. 우리가 쓰는 대부분의 물건이 화학 제품이고, 화학을 알면 생활에 유용한 지식을 많이 얻을 수 있거든.

세상은 무엇으로 이루어져 있을까?

고대 그리스 철학자 데모크리토스는 물질을 계속 나누다 보면 더 이상 나눌 수 없는 '원자(Atom)'에 도달한다고 주장했어. '아톰'이라는 말 자체가 '쪼갤 수 없다'는 뜻의 그리스어에서 왔지. 그는 세상이 이런 원자와 빈 공간으로 이루어져 있다고 생각했어.

하지만 당시에는 물, 불, 흙, 공기라는 네 가지 원소로 세상이 이루어졌다는 생각이 더 지배적이었고, 원자의 개념은 묻혀버렸지. 그러다 2000년이 지난 19세기 초, 영국의 과학자 존 돌턴이 다시 원자설을 주장했어. 이때는 질량 보존 법칙 같은 과학적 법칙들이 발견되면서, 원자라는 개념이 있어야만 이런 법칙들을 설명할 수 있었기 때문이야. 돌턴은 원자를 더 이상 쪼갤 수 없는 단단한 공 모양이라고 생각했지.

원자의 비밀을 파헤치다: 톰슨, 러더퍼드, 보어

100년쯤 뒤, 영국의 과학자 조지프 존 톰슨이 실험을 통해 원자 모형을 제안했어. 그는 음극선 실험을 통해 음전하를 띠고 질량을 가진 아주 작은 입자인 전자를 발견했지. 톰슨은 원자를 양전하를 띤 푸딩 속에 전자가 건포도처럼 박혀 있는 모양이라고 생각했어.

하지만 톰슨의 제자인 어니스트 러더퍼드는 금박에 알파 입자를 쏘는 실험을 통해 원자 모형을 완전히 뒤엎었어. 대부분의 알파 입자는 금박을 통과했지만, 일부는 예상치 못하게 튕겨 나왔지. 러더퍼드는 원자 안에 아주 작은 공간에 질량이 집중되어 있다는 것을 알아내고, 원자핵이라는 개념을 제시했어. 그는 원자를 양전하를 띤 원자핵이 중심에 있고, 전자가 그 주위를 도는 모양으로 설명했지.

러더퍼드의 제자인 닐스 보어는 원자핵 주위를 도는 전자가 특정 궤도를 돈다고 주장하며 원자 모형을 더욱 발전시켰어. 마치 지구 주위를 도는 위성처럼 말이야.

현대 원자 모형: 확률의 세계

하지만 전자의 위치와 운동량을 동시에 정확하게 측정하는 것은 불가능하다는 것이 밝혀졌어. 이를 불확정성 원리라고 해. 그래서 현대 원자 모형은 전자가 어디에 있는지 정확히 알 수 없다는 것을 인정하고, 전자가 존재할 확률로 모형을 만들었어. 마치 원자핵 주변에 전자가 구름처럼 퍼져 있는 것처럼 말이지.

원자, 원소, 분자: 헷갈리는 개념 정리

• 원자: 물질을 이루는 가장 작은 물리적인 입자 하나하나를 말해.
• 원소: 원자의 화학적인 특성을 고려한 추상적인 개념이야. 사과 하나하나를 원자라고 하면, 사과라는 '원소'가 있다고 말하는 거지. 원소는 셀 수 있는 입자가 아니라 개념이야.
• 분자: 물질의 성질을 가지는 가장 작은 단위야. 물 분자(H₂O)는 수소 원자 두 개와 산소 원자 한 개가 합쳐져서 물의 성질을 가지게 되는 거지.

주기율표: 원소들의 질서

세상에는 118가지의 원소가 있고, 이들은 주기율표라는 표에 정리되어 있어. 주기율표는 원자들의 성질과 질량을 기준으로 일정한 규칙에 따라 배열한 거야. 러시아 화학자 드미트리 맨델리예프가 원자의 상대적인 질량에 따라 정리하면서 주기적인 특성을 발견했고, 이것이 주기율표의 기본 틀이 되었지.

이후 영국의 과학자 헨리 모질리는 원자의 질량이 아닌 양성자 개수를 기준으로 주기율표를 정리하면서 현대 주기율표의 모습을 갖추게 되었어. 양성자 개수는 원자 번호가 되고, 원자 번호에 따라 원소들이 배열되는 거지.

• 주기 (가로줄): 전자가 들어 있는 전자 껍질의 개수가 같은 원소들을 모아 놓은 거야.
• 족 (세로줄): 원자의 가장 바깥쪽 전자 껍질에 있는 전자(원자가 전자)의 개수가 같은 원소들을 모아 놓은 거야. 원자가 전자는 화학 반응에 참여하기 때문에, 같은 족에 있는 원소들은 화학적 성질이 비슷해.

주기율표의 색깔은 원소의 종류를 나타내는데, 대부분을 차지하는 금속 원소, 비금속 원소, 그리고 그 중간 성질을 가진 준금속으로 나눌 수 있어.

원자의 결합: 물질의 탄생

원자들은 서로 결합하여 다양한 물질을 만들어내. 크게 세 가지 결합 방식이 있어.

1. 이온 결합: 금속 원자와 비금속 원자가 만나서 일어나. 금속 원자는 전자를 잃고 양이온이 되고, 비금속 원자는 전자를 얻어 음이온이 되는데, 이 둘 사이에 작용하는 정전기적 인력으로 결합하는 거지. 소금(NaCl)이 대표적인 예야. 이온 결합 화합물은 녹는점과 끓는점이 높고, 고체 상태에서는 전기가 통하지 않지만 물에 녹으면 전기가 통해.

2. 금속 결합: 금속 원자끼리 만났을 때 일어나. 금속 원자에서 떨어져 나온 전자들이 자유롭게 돌아다니면서 금속 양이온들과 결합하는 방식이야. 이 '자유전자' 때문에 금속은 전기가 잘 통하고, 두드려도 부서지지 않고 늘어나는 성질을 가지지. 금속의 광택도 이 자유전자 때문이야.

3. 공유 결합: 비금속 원자끼리 만났을 때 일어나. 서로 전자를 주고받는 것이 아니라, 전자를 공유하면서 결합하는 거지. 수소 분자(H₂)나 물 분자(H₂O)가 대표적인 예야. 공유 결합은 지구상에 가장 많은 물질을 이루는 방식이며, 우리 주변의 공기, 물, 단백질 등도 공유 결합으로 이루어져 있어.

화학, 우리 생활 속에 스며들다

화학은 단순히 학교에서 배우는 과목이 아니라, 우리 생활 곳곳에 스며들어 있어. 비행기 반입 금지 물품에 배터리, 표백제, 수은 제품이 있는 것도 화학적인 위험성 때문이고, 우리가 매일 입는 옷, 쓰는 물건, 먹는 음식, 심지어 우리 몸 안에서도 끊임없이 화학 반응이 일어나고 있지.

• 산과 염기: 신맛을 내는 산성 물질과 쓴맛을 내고 미끌거리는 염기성 물질은 서로 만나면 중화 반응을 일으켜. 위산 과다로 속이 쓰릴 때 제산제를 먹는 것이나, 생선 비린내를 레몬즙으로 없애는 것도 중화 반응을 이용하는 거야.
• 산화 환원 반응: 산소와 결합하거나 전자를 잃는 것을 산화, 전자를 얻는 것을 환원이라고 해. 철이 녹스는 것, 사과가 갈변하는 것, 그리고 우리가 불을 피우는 것도 모두 산화 환원 반응이지. 우리 몸에서도 산화 환원 반응을 통해 에너지를 얻지만, 과도한 활성산소는 노화나 질병의 원인이 되기도 해.
• 배터리: 화학 에너지를 전기 에너지로 바꾸는 장치인 배터리는 금속의 이온화 경향 차이를 이용해. 리튬 이온 배터리는 가볍고 에너지 저장 능력이 뛰어나 휴대용 전자기기나 전기차에 널리 사용되고 있지.

화학은 이렇게 세상을 이해하는 데 필수적인 학문이야. 우리가 당연하게 여기는 많은 현상들이 사실은 화학적인 원리로 설명된다는 것을 알게 되면, 세상을 보는 눈이 더욱 흥미로워질 거야.