우리는 세상을 구성하는 물질 중 99% 이상이 물질의 최소 단위인 원자로 이루어져 있다는 사실을 알고 있습니다. 하지만 우리는 이 ‘원자’라는 단어를 들으면 어떤 이미지가 떠오르나요? 대부분의 사람들이 원자는 작고 동그란 모양이며, 색깔과 냄새가 없고, 눈에 보이지 않는 작은 알갱이라고 생각합니다. 그렇다면 과연 이것이 진실일까요?
원자는 어떻게 생겼나요?
사실 모든 물체는 원자로 이루어져있습니다. 그러나 지구상에 존재하는 수많은 원소들을 모두 설명하기 위해서는 크기나 모양 등 여러 가지 요소를 고려해야하죠. 따라서 현재 과학자들은 자연계에 존재하는 많은 원소들을 크게 두 종류로 분류하는데, 그것이 바로 주기율표입니다. 주기율표란 1869년 러시아의 화학자 드미트리 멘델레예프가 만든 표로서, 각각의 원소마다 성질이 비슷한 순서대로 배열되어 있습니다. 즉, 같은 족에 속하는 원소들은 서로 비슷한 성질을 가지고 있으며, 다른 족에 속하는 원소들은 서로 다른 성질을 가지고 있죠. 예를 들어, 수소(H)는 1족이므로 전자를 얻으려는 경향이 강하고, 산소(O)는 8족이므로 전자를 잃으려는 경향이 강합니다. 또한 금속원소는 비금속원소보다 반응성이 크며, 전기음성도가 큰 원소일수록 이온화 경향이 큽니다. 이러한 특성을 이용하면 다양한 실험을 진행할 수 있습니다.
주기율표에서는 왜 세로줄 번호가 왼쪽에서 오른쪽으로 갈수록 커지는 건가요?
주기율표에서의 가로줄은 주양자수이고, 세로줄은 오비탈수입니다. 각 원소별로 가지는 양성자와 중성자의 개수는 일정하죠. 다만 핵 안에 들어갈 수 있는 전자의 개수는 원소마다 다릅니다. 이때 한 원소 내에서 전자가 발견되는 확률분포를 나타내는 것이 오비탈이죠. 그리고 만약 동일한 수의 전자가 있다면, 해당 원소는 안정하게 됩니다. 이를 토대로 만들어진 것이 주기율표에요. 그러므로 주기율표상의 세로줄번호가 커질수록 불안정하다는 의미이기 때문에 점점 커지게 된 것입니다.
왜 2개의 껍질까지만 있나요?
핵 속에는 양성자가 있고, 그 주위를 전자가 돌고 있습니다. 다시 말해, 외부로부터 에너지를 받지 않으면 내부 상태는 변하지 않는것이죠. 그래서 양전하를 띤 양성자 주변으로는 음전하를 띤 전자가 몰려들어야 안정됩니다. 이렇게 되면 마치 달걀껍질처럼 생긴 구조가 되는데, 이게 바로 껍질의 개념입니다. 물론 예외도 있어요. 헬륨이라는 원소는 4개의 껍질을 갖고 있지만, 전체 질량비로는 0.0005%밖에 되지 않기 때문에 무시해도 좋습니다. 나머지 98.9997%의 원소들은 오직 2개의 껍질만을 갖습니다. 왜냐하면 안쪽 궤도에만 전자가 채워질 수 있기 때문이죠. 바깥쪽 궤도는 비어있기 때문에 아무리 채우려고 해도 채울 수 없습니다. 결국 바깥궤도에까지 전자가 채워지면 너무 무거워져서 밖으로 튀어나오게 되는것이죠.
오늘은 간단하게 원자에 대해 알아보았습니다.
다음에 기회가 된다면 좀 더 깊게 알아보도록 해요!
감사합니다!
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