과학 지식) 원자,양성자,중성자,전자

[진동감동]

자, 우선 생물체 96 퍼를 이루는 원자가 뭘까요?

바로 수소Hydrogen, 탄소Carbon, 질소Nitrogen, 산소Oxygen 입니다.

근데 얘네가 뭘로 이루어졌을까요? 그걸 답하기 위해 원자가 뭘로 이뤄졌는지 알아야 하는 겁니다.

원자는 양성자Protons, 중성자Neutrons, 전자Electrons로 이뤄졌습니다.

양성자와 중성자는 원자 중심인 핵에 존재하고, 전자는 그 주위 오비탈에 있죠.

다들 한 번쯤 원자번호는 들어봤을 거예요. 그 원자번호를 결정하는 게 양성자의 수입니다.

그리고 이 원자번호가 같은 원자들은 같은 원소에 속하고, 화학적 성질도 같아요.

근데 같은 원소는 맞는데 질량 수가 다른 애들이 있습니다.

이게 바로 동위원소Isotopes에요.

아니 이게 뭔 소리지? 같은 원소인데 어떻게 질량이 다르냐 할 수 있는데

가능합니다. 질량은 중성자도 포함하거든요.

즉 질량은 양성자 수+ 중성자 수 라는거에요. 

양성자 중성자 각각은 하나의 돌턴(Da)의 질량을 가집니다.

예를 들어볼까요? 원자번호 6의 탄소가 있습니다.

질량이 12인 탄소를 Carbon-12, 13인 탄소를 Carbon-13..이런 식으로 둔다면

Carbon-12의 질량은 12Da, Carbon-13의 질량은 13Da가 되는 거죠.

그럼 또 이렇게 생각하는 분이 있을 거예요. 아니 이렇게 질량이 여러 개인데 그럼 원자의 질량을 어떻게 정하냐?

간단합니다. 평균입니다.

근데 탄소의 질량은 12.01이에요. 왜냐면 질량이 12인 애들이 압도적으로 많기 때문이에요.

어쨌든 대부분의 동위원소는 안정한데 일부 그렇지 않은 애들이 있어요.

이 친구들은 시간이 지나면 붕괴가 됩니다.

이걸 방사성 동위원소radioactive isotopes라고 합니다.

이걸로 다들 아는 것처럼 화석 얼마나 오래됐는지 추적하고 그러는 거예요.

*

이제 전자로 넘어갈게요. 전자는 오비탈orbital이라고 하는 특정 부분에서 움직여요.

각 오비탈은 2개의 전자까지 가질 수 있습니다.

어? 내가 알기론 옥텟 규칙 때문에 8개까지 가질 수 있는데?

그건 오비탈이 아니구요. 그냥 전자껍질입니다ㅎㅎ

왜냐면 제가 말하는 오비탈은 전자껍질이라는 일정한 수준에서 그룹 지어지거든요.

8개까지 가질 수 있다는 얘기는 s오비탈 1개, p오비탈 3개의 결과예요.

저흰 생명이 주니까 여기까지 하겠습니다.

암튼 이런 식으로 전자는 가장 안쪽 껍질부터 채워나가는데요

가장 바깥 껍질을 원자가 껍질valence shall이라고 하고, 그 안의 전자는 원자가 전자valence electrons라고 해요.

여기서 중요한 건 valence에요.

네? 원자가 라는 뜻 아니에요?

valence는 짝을 이루지 않은 원자가 전자의 수입니다.

즉 나트륨과 염소의 valence는 1로 같고, 마그네슘과 황은 2로 같은 거죠. 이해되시나요?

*

전자는 원자가 껍질을 다 채워야 안정해집니다.

그럼 다 안 채워진 애들은 어떻게 해야 하나요?

맞습니다. 결합해서 어떻게든 안정해져야겠죠.

왜냐면 자연은 안정적인걸 너무 좋아하거든요.

사실 우리도 그렇죠. 안정적이면 편안해지니까.

당장 저만 해도 저기 위에 줄 맞추려고 노력해봤는데 눈치채셨나요?

눈치채셨다면 눈썰미 ㅇㅈ하겠습니다. 

여담이지만 노력했단 건 거짓말입니다. 어쩌다 보니 맞춰졌네요.

아무튼 이제 결합에 대한 얘기로 들어가겠습니다.

대표적인 결합으론 공유결합, 이온결합 등이 있는데 다들 한 번쯤 들어봤을 거라 생각해요.

공유결합부터 말해볼까요. Covalent Bonds라고 합니다.

놀라운 건 전자가 늘 고르게 공유되는 게 아니란 겁니다.

그럼 무작위로 공유되나요? 이것도 아니에요.

전자는 전기음성도Electronegativities가 큰 쪽으로 공유가 됩니다.

전기음성도의 정의는 다음과 같습니다.

원자나 분자가 화학 결합을 할 때 다른 전자를 끌어들이는 능력의 척도(위키백과에서 퍼옴ㅎㅎ)

쉽게 말해서 음이온 되기 쉬울수록 전기음성도가 크다는 거예요.

이 전기음성도는 양성자 수와 핵으로부터 원자가 껍질까지의 거리에 의해 결정됩니다.

공유결합은 비극성 공유결합과 극성 공유결합으로 또 나뉘어요.

비극성 공유결합nonpolar covalent bond은 전자가 고르게 공유되고 대칭적입니다. C-H bond가 대표적이죠.

극성 공유결합polar covalent bond은 전자가 한쪽으로 치우쳐서 공유돼요. 예시로 H-O bond가 있어요.

다음 사진을 보면 이해가 갈 거예요.

H₂O에서 고르지 않게 공유되기 때문에

O는 상대적인 음성을 띠는 것이고, H는 상대적인 양성을 띤답니다.

다음은 이온결합Ionic bonds입니다.

양이온을 Cation, 음이온을 Anion이라고 하는데요.

잠깐! 혹시 캐션, 애니언이라고 읽었나요?

제가 그렇게 읽었다가 교수님께 혼났습니다.

ㅠㅠ

cat+ion, an+ion으로 따로 생각해야 해요.

공유결합과 이온 결합의 차이를 헷갈려하는 분들이 참 많아요.

간단하게 생각하면 됩니다.

공유결합은 애매하게 치우치는 거고, 이온결합은 그냥 전자가 다른 원자한테 넘어가는 거예요.

이온결합의 대표적인 예인 NaCl을 들어볼까요?

서로 안정해지기 위해 Na의 전자가 Cl로 넘어가죠. 그렇게 생각하면 될 것 같아요.

와, 거의 다 왔습니다. 우린 생명을 공부하러 온 거지 화학을 공부하러 온 게 아닌데 생각보다 오래 걸렸네요.

아까 valence가 중요하다고 했죠? 왜 중요할까요?

바로 짝을 이루지 않은 전자의 수, 즉 valence가 원자가 만들 수 있는 결합의 수를 결정하기 때문이에요.

즉 valence가 1인 Cl은 단일결합으로 Cl₂를 만들고,

valence가 3인 N이 삼중결합으로 N₂를 만드는 것처럼요.

결합의 수도 중요하긴 한데 분자의 모양도 매우 중요합니다.

이것 때문에 성질이 달라지거든요.

더 들어가면 머리 아프니까 우리 앞으로 자주 만날 친구들의 모양 정도만 알아두고 갑시다.

질소와 이산화탄소는 일자형linear

메테인은 각 전자들의 반발력 때문에 사면체tetrahedron

물은 비공유 전자쌍 두 개 때문에 평평하고planar 굽은bent 형태입니다.

*

와우. 수고하셨습니다. 한 글에 끝내려 했더니 너무 길어졌네요.

우리 생명 공부하기 전에 이 정도 화학 지식은 가지고 가기로 합시다.