쉽다 화학 1 : 원소와 원자

들어가는 글

0. 화학 공부, 어떻게 해야 하나
0.1 화학은 물질의 변화를 다루는 학문이다
0.2 물질의 변화는 화학 언어를 사용해서 다룬다
0.3 화학을 공부하는 순서는 일상 언어를 배우는 순서와 같다

1. 원소 기호
1.1 24개 원소 기호는 반드시 외워야 한다
1.2 원소 기호는 어떻게 만들어졌을까
1.3 금속 원소는 자음이 되고, 비금속 원소는 모음이 된다

2. 원자 구조
2.1 원소와 원자는 같은 듯 다르다
2.2 원소는 원자들로 이루어져 있다
2.3 원자는 내부에 더 작은 입자들을 가지고 있다
2.4 원자 내 전자는 특정 궤도에서만 돈다
2.5 궤도는 다시 세부 구조로 나뉜다
2.6 전자들은 에너지가 낮은 상태부터 차례로 채워진다

3. 원소의 주기율표
3.1 원소들 중에는 성질이 서로 유사한 것들이 있다
3.2 원소 간 성질의 유사성은 주기적으로 반복된다
3.3 원소의 주기성은 원자 구조에 의해 결정된다

4. 원소의 성질과 반응성
4.1 원자가 전자를 잃거나 얻으면 반응성이 높은 이온이 된다
4.2 전자를 잃기 쉬운 원소는 양이온, 전자를 얻기 쉬운 원소는 음이온이 된다
4.3 양이온이 되기 쉬운 것이 금속, 음이온이 되기 쉬운 것이 비금속이다
4.4 금속성과 비금속성의 세기는 화학 반응의 세기를 결정한다

5. 전체 요약

부록
연습 풀이
찾아보기

2.2
원소는 원자들로 이루어져 있다
원소는 물질의 요소를 지칭하는 말이므로 그 물질의 크기와 질량 및 개수와 상관없이 사용하는 말입니다. 1 kg의 금 덩어리도 금이고, 이것을 잘게 쪼개 1/1000로 나눈 1 g의 금 조각도 여전히 금입니다. 그렇다면 이렇게 계속 쪼개 나갈 때, 언제까지 금이 금의 성질을 잃지 않고 금으로 존재할까요? 원소는 계속해서 잘게 쪼개면 어느 시점에서 그 성질을 잃게 됩니다. 한 원소가 잘게 쪼갰을 때 그 성질을 잃지 않고 그 원소로 존재하는 가장 작은 알갱이를 ‘원자(atom)8)’라고 합니다. 따라서 ‘원소’는 원자
1개 이상이 모여 있는 집합체입니다. 이러한 원소와 원자와의 관계를 정리해 놓은 것이 1808년에 돌턴(Dalton, J.)9)이 제시한 원자론입니다. 돌턴이 제시한 원자론은 다음과 같습니다.

같은 11가지 원소가 추가로 발견되었습니다. 이후 평균 2년마다 1가지 정도가 새롭게 발견되었습니다.

<18세기 말까지 추가로 발견된 11가지 원소>
코발트(Co), 망간(Mn), 몰리브덴(Mo), 니켈(Ni), 백금(Pt), 텅스텐(W),
염소(Cl), 수소(H), 질소(N), 산소(O), 인(P)

이렇게 원소 수가 증가하면서, 원소들 간에 비슷한 성질을 나타내는 것들이 있다는 사실과 이들 사이에 일정한 경향성이 있음을 발견하기 시작했습니다. 이에 1829년 되
베라이너(Döbereiner, J. W.)38)는 일부 원소들은 세 가지씩 하나의 ‘족(族, Family)’으로 묶일 수 있으며, 각 그룹의 구성 원소들이 유사한 성질을 갖는다는 것을 발견했습니
다. 그는 이러한 족을 ‘삼원소족(triads)’이라고 명명했습니다. 되베라이너의 삼원소족은 <표 3.1>과 같습니다.

표 3.1 되베라이너의 삼원소족.

Li Ca S Cl
Na Sr Se Br
K Ba Te I

<표 3.1>의 되베라이너의 삼원소족을 <표 1.8> 및 <앞면 속지>의 현대 주기율표와 비교하면, Li, Na, K는 각각 1족의 2, 3, 4주기 원소들이고, Ca, Sr, Ba는 각각 2족의 4, 5, 6주기 원소들임을 알 수 있습니다. 그리고 S, Se, Te는 16족 원소들이고, Cl, Br, I는 17족 원소들입니다.

따라서, <그림 4.3>에서 준금속들을 기준으로 대각선을 그리면, 준금속에서 멀어질수록, 즉 금속성은 Fr(프랑슘)에 가까워질수록 강해지며, 비금속성은 F(불소)에 가까워질수록 강해집니다. 이러한 금속성과 비금속성의 세기는 화학 반응에 중요한 영향을 미칩니다. 이제, 금속성과 비금속성의 세기와 ‘전형 원소들의 반응성(reactivity of representative elements)’과의 관계를 살펴보겠습니다. 금속 원소들의 반응성 세기는 산소(O2), 물(H2O), 산(H+를 내는 물질)과 같은 비금속 화합물과의 반응을 통해 비교할 수 있으며, 비금속 원소들의 반응성 세기는 이러한 물질들과 더불어 비금속 간의 반응을 통해 비교할 수 있습니다.