원자와 원소

 

원자

원자는 원소의 화학적 성질을 모두 가지고 있는 가장 작은 단위의 구성요소입니다. 원자의 개념은 기원전 530년에 처음 생겼다고 하는데요, 고대 그리스의 철학자 데모크리토스는 더 이상 작은 부분으로 쪼갤 수 없는 아주 작은 물질 입자를 원자라고 정의했습니다. 오늘날에는 원자가 전자, 양성자, 중성자 같은 하위 요소를 가지고 있다고 보지만 기본 개념은 같습니다. 즉 원자는 물질을 이루는 가장 기본이 되는 구성요소 인 것입니다. 

현대 원자 이론에 따르면 모든 원소들은 원자로 구성되어 있고, 어떤 원소의 원자이든 원자들은 모두 같다고 합니다. 수소, 탄소, 산소, 나트륨, 칼륨, 금, 우라늄 등의 원소들은 화학 반응을 통해 서로 결합해 화합물을 만들게 됩니다. 예를 들면 수소와 산소가 결합해 물을 만들고, 나트륨과 염소가 결합해 소금을 만드는 것이지요.

원자의 대부분은 빈 공간으로 되어 있지만 기본적으로 가운데 핵이 있꼬 주변에 전자가 에워싸고 있는 구조를 이루고 있습니다. 핵에는 중성자와 양성자가 밀집되어 있는데, 중성자는 전하를 띠지 않으며 양의 전하를 띠는 양성자보다 조금 더 무겁습니다. 원자 속 양성자의 수에 따라 원소의 유형이 결정됩니다. 수소는 야성자가 1개이고 우라늄은 양성자가 92개나 됩니다. 원소들은 핵융합과 핵분열을 통해 양성자를 얻거나 잃지만 화학 반응으로는 그런 현상이 일어나지 않는다고 합니다. 

전자는 질량이 거의 없는 음의 전하를 띤 입자입니다. 핵 주변을 도는 전자의 운동은 화학과 물리학에서 가장 많이 논의되는 주제인데, 초기 원자 모형에서는 마치 지구가 태양 주위를 돌듯이 전자가 원자핵 주위를 도는 것으로 봤습니다. 하지만 오늘날 양자역학의 발달로 과학자들은 전자들이 서로 다른 에너지 값을 갖는 궤도를 따라 오비탈이라 불리는 복잡한 파동 형태로 움직이면서 원자핵 주위를 돈다고 믿게 되었습니다. 

우주 생성에 관한 현재 이론들에 따르면 빅뱅이 일어난 후 원자가 형성되기에는 우주가 너무 뜨거웠다고 봤습니다. 원자는 빅뱅이 일어난 지 37만 9000년이 지나 우주의 온도가 절대온도 3000도(섭씨 2726.85도)까지 떨어지고 나서야 생성되었을 것이라 추정하고 있습니다. 

초기 우주는 수소 원자가 75프로 를 차지하고 헬륨이 24프로를 차지하고, 또 나머지 1프로는 다른 원소들로 구성되어 있었을  것으로 추정됩니다. 

양성자와 중성자는 쿼크(quark)라는 더 작은 소립자로 구성되어 있고, 전자는 렙톤(lepton)이라는 더 작은 소립자로 이루어져 있을 것이라고  전문가들은 이야기 합니다. 

지구상에서 자연 발생하는 원소는 92개라고 알려져 있지만, 최근에 과학자들은 양성자를 94개 갖는 플루토늄도 자연 상태로 존재한다는 것을 발견했다고 합니다. 

원소

플루토늄은 방사성 원소인데, 은회색 금속으로 공기 중에서 산화가 되면 변색이 되면서 칙칙한 색의 막을 형성 한다고 합니다. 습한 공기에 노출되면 부피가 70프로까지 더 증가된 산화물과 수화물을 형성하고, 이들이 가루로 벗겨지면서 자연 발화하게 되는 것입니다. 참고로 플루토늄은 2차 세계 대전 시기에 처음으로 대량 생산이 이루어졌다고 합니다. 이를 이용한 것이 바로 그 유명한 1945년 8월 9일 일본 나가사키에 투하 된 원자 폭탄입니다. 

원소는 화학 반응을 통해 다른 물질로 변화될 수 없는 물질입니다. 모든 원소들은 원자로 구성되어 있고, 원자에는 원소마다 고유한 수의 양성자(원자보다 작은 양의 전하를 띤 소립자)가 포함되어 있습니다. 예를 들어, 탄소 원자의 양성자는 6개이고 금 원자의 양성자는 79개 입니다. 지구상에서 자연 상태로 존재하는 원소는 93개 있고, 인공적으로 만들 수 있는 원소는 20개가 있습니다. 원소는 기본적으로 금속성, 비금속성, 반금속성 세 가지로 분류되는데, 자연에서는 비금속 원소를 더 흔히 볼 수 있지만 사실 모든 원소 중 4분의 3이 금속성입니다. 

금속 원소는 음의 전하를 띤 소립자인 전자를 쉽게 공유하거나 잃는 성질이 있습니다. 금속 원자가 전자를 잃으면 양의 전하를 띤 양이온으로 변합니다. 그래서 금속은 종종 전자의 바다를 헤엄쳐 다니는 양이온으로 여겨집니다. 자유롭게 떠다니는 전자는 금속 원자를 묶어두면서도 유연하게 만듭니다. 그래서 금속을 잡아당겨 가는 철사로 만들 수 있고, 얇게 펴서 금속판을 만들 수 있는 것입니다. 같은 이유로 금속은 열과 전기를 잘 전달하며 다른 원소와 쉽게 결합해 화합물을 형성합니다. 실온에서는 주로 광택을 내는 고체 형태를 지니고 있습니다. 

수은은 실온에서 액체 상태로 존재 하는 유일한 금속성 물질 입니다. 금속 산화물은 염기성이고 비금속 산화물은 산성입니다. 대부분의 금속은 공기 중의 산소와 빨리 반응하는데, 그 예로는 철이 녹스는 것을 들 수 있습니다. 순수 나트륨은 산소에 노출되었을 때 폭발합니다. 팔라듐, 백금, 금은 산소와 반응하지 않는 희귀한 금속입니다. 그래서 이 금속들이 아름답고 값비싼 보석이 되는 것입니다. 

비금속 원소는 대개 전자를 얻는 성질이 있고 강한 화학적 결합을 형성합니다. 비금속성 원소들은 불안정하고 깨지기 쉽습니다. 일반적으로 광택이 없고 전기나 열을 잘 전도하지 않습니다. 그러나 훌륭한 단열재가 될 수 있습니다. 지금까지 알려진 비금속 원소는 13개 밖에 되지 않지만 지구상의 거의 모든 생명체가 수소, 탄소, 질소, 산소, 인, 황 이렇게 6개의 비금속 원소로 만들어집니다. 그 밖의 비금속 원소는 대부분 다른 원소와 거의 반응하지 않는 비활성 기체들입니다. 

반금속 원소는 부분적으로 금속성과 비금속성을 모두 띤다고 하는데요, 예를 들어 실리콘과 게르마늄은 특정한 조건에서 전류를 전달하는 반도체인데, 그렇기 때문에 컴퓨터와 계산기에 매우 유용하게 쓰입니다.